从“缺芯潮”说起：光刻机“卡脖子”的背后，是一场精度的较量

自2020年开始，芯片短缺成了高端制造业最大困扰之一，尤其是全球汽车产业遭到了前所未有的重创。要知道的是，过去的几十年来，半导体行业塑造了我们当今的世界，为几乎一切行业的发展和人类福祉做出了贡献。如今人类日常享用的计算机、互联 、移动电话和社交媒体，都还只是半导体技术所带来种种重大演进的少数例子。可近期有消息称，这股“缺芯潮”将可能持续到2024年。在此影响下，有的公司甚至开始购买洗衣机，只为拆了使用其芯片。为何会引起如此恐慌？为何芯片产量如此低？

首先我们要了解的是半导体芯片已经无处不在，而没有光刻机就无法制造出芯片。目前，我国虽然已具备14nm工艺制程能力，可以进行高端芯片代工生产，但要实现EUV光刻机国产化还是道阻且长，荷兰的阿斯麦（ASML）仍然垄断了全世界80%以上的高端光刻机。为什么制造光刻机这么难？答案是，这是一场关于极限精度的王者较量，而符合要求的高科技玩家，全球范围内寥寥无几。

光刻机的秘密：把握最小的制造精度

光刻机是芯片制造的核心设备。一台高端光刻机的造价需要上亿美元，甚至比一台波音的客机还要贵。光刻机如此之昂贵的原因是因为其涉及系统集成、精密光学、精密运动、精密物料传输、高精度微环境控制等多项先进技术。主要是利用紫外线将电路图形精确复制到晶圆上，制造出芯片所需的图形和功能区。而且其中所涉及的EUV（极紫外）光刻技术和其他数百种零部件都必须在真空环境下开发制造。简单来说，该过程就相当于在一只苍蝇翅膀上雕刻清明上河图，但凡一点风吹草动便足以影响光刻的精密度，破坏了这幅画的完整度，所谓的“晶圆良率损失“。而高真空环境就是为了给芯片制造提供一个理想环境，保证整个过程的稳定和安全性。

高端制造业的关键就是控制误差，谁能够掌握最小的制造精度，便可风驰草靡。初中物理课上，我们就接触过简单的电路，通过双手和工具便可以对肉眼可见的电路进行操作。而随着芯片节点尺寸的不断缩小，微小尺度的机械移动已经无法满足芯片电路的制造要求，使用紫外线 (UV) 的传统光刻术也已经达到极限，因此必须借助“液压传动” 在真空环境下使用EUV（极紫外）去处理小于10纳米的节点。纳米是什么概念呢？举个例子来说，一根头发的直径大约为0.05毫米，如果将它径向平均剖成5万根，每根的厚度大约就是一纳米，而一纳米就相当于约0.000001毫米。可见，纳米技术是人类在微观世界上的飞跃。这同样也意味着光刻机整台机器的零部件和每个制造环节都必须满足极高精度的要求。

真空技术加持：三大环节确保高精度

那么，如何能实现这样的高精度？很显然，在常规的生产环境中很难去实现，需要引入真空环境才能真正将误差控制到最小——从空气污染物的监测，到光源制造，再到真空检漏，真空技术一步步为光刻机的高精尖保驾护航。

其次，真空下的光源制造也是EUV光刻关键技术之一。EUV的光子能量是通过将锡融化为液体，进而通过激光将锡转化为离子状态释放极紫外光。而为避免EUV 光源腔中出现锡沉积，就需要用大氢气流来保护 EUV 收集镜。为此要使用具有高氢气抽吸能力的初级干式泵维持所需的压力水平。EUV 光线通过扫描室传输到晶圆，此过程依靠涡轮分子泵来保持极低的工作压力。要满足这种颇具挑战性的要求，就需要兼具高抽速和气容量的真空泵进行氢气抽吸，比如普发真空所提供的HiPace 2300涡轮分子泵和ATH 2300涡轮分子泵就可以满足这一需求，并利用高性能氦气检漏仪来保障最严格的密封运行条件。另一方面，EUV对物质的影响也极其强大，它们可以被几乎任何一种原子吸收，所以刻录光源的产生以及晶圆刻录过程必须在真空中进行。

普发真空HiPace 2300涡轮分子泵

最后，为保证制造设备的密封性，需要使用真空泄漏检测方法来保证生产的完整性。比如，通过示踪气体检漏仪在真空条件下直接连接到设备，然后将示踪气体喷洒到设备的可能泄漏源周围，便可检测到任何存在的泄漏。或者使用吸枪泄漏检测法对过程气体进行监测，从而最大程度减少对自然环境的危害。半导体工具及其相关设施上出现的任何一处泄漏都可能决定性地影响产量和良率。其后果包括产量下降、达不到处理规格或存在严重安全风险。因此，在洁净室之内或在任何维护干预之后，泄漏检测是为调试任何新工具所需的关键和强制性步骤。

普发真空用于设备巡栓的ASM 390氦质谱检漏仪

由此可见，光刻机的整套体系不仅代表了“纳米工业”，体现人类在该领域的瓜熟蒂落，也汇聚了包括真空技术等其他的高精尖领域，对各个环节的精准度都有着严格的要求。尽管目前我国与国际水平还存在差距，但在科研人员的不断努力下，在可见的未来中国定将真正突破自主研发瓶颈，普发真空也将持续为中国的芯片领域的发展提供完整、领先的真空技术支持。

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