动则上亿美元的ASML光刻机强在哪儿

前段日子报道，中芯国际已就购买用于生产晶圆的阿斯麦产品（即光刻机）与阿斯麦集团签订购买单，订单金额12亿美元。为何光刻机这么昂贵，里面到底有什么技术？下面就带您科普一下。

上面我们讲到，经由照明模组”加工”后的光，穿过掩模版上纳米宽度的图案（狭缝），产生衍射效应而后向外发散。

投影物镜的功能就是至少把1阶衍射光收进物镜内，并聚焦成像在晶圆上。

事实上，光刻机的概念，和单反相机很像。我们可以把ASML光刻机形容为全世界最大最先进的单反相机，而我们的投影物镜，就如同单反相机的镜头。

单反相机的镜头会将我们要拍摄的景物聚焦成像在感光元件（底片）上，而ASML光刻机的投影物镜，则是把掩模版上的电路图案缩小到1/16之后，聚焦成像到预涂光阻层的晶圆上。

现今，ASML DUV光刻机中的先进机种，投影物镜的高度超过1米，直径大于40厘米，物镜内各种镜片的数量超过15片。

今天的光刻小讲堂，就将从两个方向来为各位揭开全世界最先进的“单反镜头”的奥秘。

现今，ASML DUV光刻机中的先进机种，投影物镜的高度超过1米，直径大于40厘米，物镜内各种镜片的数量超过15片。

今天就将从两个方向来为各位揭开全世界最先进的“单反镜头”的奥秘。

为什么光刻机需要那么大的投影物镜？

还记得我们曾经在光源那篇中提到过，ASML人30多年来不断挑战的公式--瑞利判据（Rayleigh criterion）吗？

要让芯片每单位面积的元件数量越来越多，那么就需要线宽（CD）越来越小，这样光刻成像的分辨率也就越来越小。

如何做到呢

根据瑞利判据，我们的方向可以是选择应用更短的波长，或是提高数值孔径（NA）。

什么是数值孔径呢？依照惯例，光刻小讲堂不讲深奥的光学物理公式。用个浅显易懂的说法，数值孔径和投影物镜直径大小正相关，也就是我们可以通过增加投影物镜的直径来提高数值孔径。

为什么光刻机需要那么多的镜片？

单个透镜本身的光学特性会导致原始图像的失真（像差）。

这时，我们就要靠不同透镜的组合来修正图像的形变。

现在的手机相机镜头也能做到6P和7P了（6片和7片透镜），但仍然无法完全消除像差，这就是为啥大家在拍照时都要去抢C位啦（合照小白，只能帮你到这了）。

单反镜头就是通过更多的透镜组合来修正成像质量。

对于ASML光刻机的投影物镜来说，也同样需要以各种透镜组合来修正成像质量。

但我们的光刻显然不是一般摄影等级镜头能比的，要让掩模版上的图案能接近完美地成像在晶圆上，误差是纳米量级的。

那么ASML的投影物镜透镜组合有什么不同呢？首先：

ASML投影物镜的加工工艺相当精密

目前市面上最高级别的单反相机镜头加工产生的像差在200nm以上，而ASML DUV高端投影物镜的像差则被控制在2nm内。

最高级别的单反镜头可支持全画幅6千万像素分辨率，而ASML的投影物镜的分辨率则可支持1千6百亿画素。

如果用更生动的方式来描述ASML投影物镜的加工工艺，那我们可以说：如果投影物镜镜片直径跟中国东西距离一样大，那么在如此大的平面上，因加工产生的平整度高低起伏误差4公分都不到（小于一颗乒乓球的直径）。

这真的可以说是宇宙中最平滑的人造结构了。

除了工艺加持，物镜内还有多片可动镜片

是的，你没看错，就是在运动着的镜片哦，它们可以用来消除镜头组装及光刻生产等过程中所产生的各种像差。

这些像差变形都是肉眼不可见的

但由于我们必须要把像差控制在2nm内，所以要把所有的误差都考虑进去并进行修正。

因此，这些可动镜片覆盖了垂直修正、倾斜修正和多向修正。

倾斜修正

垂直修正

多向修正

另外，还少不了精密传感器实时量测

光刻机本身还需要有精密的传感器来实时量测光刻机在运作中产生的像差，才能借助可动镜片组来进行矫正。

这种复杂精密的结构和独特的像差修正方式并不存在于一般镜头中，这也是ASML的投影物镜能够将掩模版的图案精准地成像在晶圆上的关键。

现在，各位同学应该更能理解为什么我们称ASML光刻机的照明模组和投影物镜模组为光刻机的微影大神了吧。