作为集成电路产业的核心装备，有人称光刻机为“人类最精密复杂的机器”。
日前，清华大学召开了“光刻机双工件台系统样机研发”项目验收会，专家组对项目任务完成情况予以高度评价，并一致同意该项目通过验收。
工件台系统是光刻机的重要子系统，工件台系统的运行速度、加速度、系统稳定性和系统的定位建立时间对光刻机的生产精度和效率起着至关重要的作用。本次“光刻机双工件台系统样机研发”项目验收，标志中国在双工件台系统上取得技术突破，但这仅仅是实现光刻机国产化万里长征的一部分，距离打破ASML的技术垄断还有很长的路要走。
这次会议由国家科技重大专项“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”（核高基02专项）实施管理办公室组织召开，清华大学副校长薛其坤院士出席。

中外光刻机的巨大差距
光刻机被业界誉为集成电路产业皇冠上的明珠，研发的技术门槛和资金门槛非常高。也正是因此，能生产高端光刻机的厂商非常少，到最先进的14nm光刻机就只剩下ASML，日本佳能和尼康已经基本放弃第六代EUV光刻机的研发。
目前，光刻机领域的龙头老大是荷兰ASML，并已经占据了高达80%的市场份额，垄断了高端光刻机市场——最先进的EUV光刻机售价曾高达1亿美元一台，且全球仅仅ASML能够生产。Intel、台积电、三星都是它的股东，重金供养ASML，并且有技术人员驻厂，Intel、三星的14nm光刻机都是买自ASML，格罗方德、联电以及中芯国际等晶圆厂的光刻机主要也是来自ASML。
相比之下，国内光刻机厂商则显得非常寒酸，处于技术领先的上海微电子装备有限公司已量产的光刻机中性能最好的是90nm光刻机，制程上的差距就很大……国内晶圆厂所需的高端光刻机完全依赖进口。
这不仅使国内晶圆厂要耗费巨资购买设备，对产业发展和自主技术的成长也带来很大不利影响——ASML在向国内晶圆厂出售光刻机时有保留条款，那就是禁止用ASML出售给国内的光刻机给国内自主CPU做代工——只要中芯国际、华力微等晶圆厂采购的ASML光刻机，虽然不影响给ARM芯片做代工，但却不可能给龙芯、申威等自主CPU做代工、商业化量产。即便是用于科研和国防领域的小批量生产，也存在一定风险——采用陶瓷加固封装、专供军用的龙芯3A1500和在党政军市场使用的龙芯3A2000，只能是小批量生产，而且在宣传上也只能含糊其辞的说明是境内流片……这很大程度上影响了自主技术和中国集成电路产业的发展。

光刻机工作原理和组成
光刻机通过一系列的光源能量、形状控制手段，将光束透射过画着线路图的掩模，经物镜补偿各种光学误差，将线路图成比例缩小后映射到硅片上，不同光刻机的成像比例不同，有5:1，也有4:1。然后使用化学方法显影，得到刻在硅片上的电路图（即芯片）。
一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、激光刻蚀等工序。经过一次光刻的芯片可以继续涂胶、曝光。越复杂的芯片，线路图的层数越多，也需要更精密的曝光控制过程。现在最先进的芯片有30多层。

上图是一张ASML光刻机的简易工作原理图。下面，简单介绍一下图中各设备的作用。

测量台、曝光台：承载硅片的工作台，也就是本次所说的双工作台。一般的光刻机需要先测量，再曝光，只需一个工作台，而ASML有个专利，有两个工作台，实现测量与曝光同时进行。而本次“光刻机双工件台系统样机研发”项目则是在技术上突破ASML对双工件台系统的技术垄断。
激光器：也就是光源，光刻机核心设备之一，之前已经介绍过了。
光束矫正器：矫正光束入射方向，让激光束尽量平行。
能量控制器：控制最终照射到硅片上的能量，曝光不足或过足都会严重影响成像质量。
光束形状设置：设置光束为圆型、环型等不同形状，不同的光束状态有不同的光学特性。
遮光器：在不需要曝光的时候，阻止光束照射到硅片。
能量探测器：检测光束最终入射能量是否符合曝光要求，并反馈给能量控制器进行调整。
掩模版：一块在内部刻着线路设计图的玻璃板，贵的要数十万美元。
掩膜台：承载掩模版运动的设备，运动控制精度是nm级的。
物镜：物镜由20多块镜片组成，主要作用是把掩膜版上的电路图按比例缩小，再被激光映射的硅片上，并且物镜还要补偿各种光学误差。技术难度就在于物镜的设计难度大，精度的要求高。
硅片：用硅晶制成的圆片。硅片有多种尺寸，尺寸越大，产率越高。题外话，由于硅片是圆的，所以需要在硅片上剪一个缺口来确认硅片的坐标系，根据缺口的形状不同分为两种，分别叫flat、notch。
内部封闭框架、减振器：将工作台与外部环境隔离，保持水平，减少外界振动干扰，并维持稳定的温度、压力。

光刻机双工件台系统样机的意义

双工件台
过去，光刻机只有一个工作台，所有流程都在一个工作台上完成。双工件台系统的出现，使得光刻机能够在不改变初始速度和加速度的条件下，当一个工作台在进行曝光工作的同时，另外一个工作台可以同时进行曝光之前的预对准工作，使得光刻机的生产效率提高大约 35%——ASML 的 TWINSCAN NXE3300B 型光刻机，分辨率小于 22nm，生产效率可以达到 125片/小时。
虽然看起来仅仅是加一个工作台，但技术难度却不容小觑——对换台的速度和精度有非常高的要求，如果换台速度慢，则影响光刻机工作效率；如果换台精度不够，则可能因此而影响了后续扫描光刻等步骤的正常开展。
特别是对浸没式光刻机而言，由于物镜和硅片之间增加一层特殊的液体，如何使液体在换台时依旧停留在物镜和硅片之间，不因换台发生流动，则是一个不小的技术难题。另外，还有避免污染的问题。

现今技术成熟的双工件台系统主要是导轨式，驱动方式主要分为气浮驱动和磁悬浮驱动。目前，ASML公司已成功研发了磁悬浮工件台系统，使得系统能够忽略摩擦系数和阻尼系数，其加工速度和精度是机械式和气浮式工件台所无法比拟的。不仅如此，ASML公司基于磁悬浮工件台的基础，研发了无导轨式的平面编码磁悬浮工件台系统，通过平面编码器对工作台进行精确定位，进一步提升了精度。
诚然，由于α光刻样机采用双工件台系统的具体技术细节还未披露，笔者也无从了解α光刻样机采用双工件台系统的定位精度、工件台和掩膜台之间的同步误差等数据，以及是气浮驱动和磁悬浮驱动，更无从了解α光刻样机采用双工件台系统是否能达到ASML公司的技术水平。不过，α光刻样机采用双工件台系统已获得专利授权122项，而且专家组认为，该双工件台系统的关键技术指标已达到国际同类光刻机双工件台水平。

光刻机的种类和历代改进
光刻机用途广泛，除了高端大气上档次的前道光刻机之外，还有用于LED制造领域投影光刻机和用于芯片封装的后道光刻机，虽然在前道光刻机上国内厂商和ASML差距如同鸿沟，但后道光刻机和封装光刻机国内厂商不仅都能制造，还占据了不低的市场份额。
因此，笔者在这里只介绍技术含金量最高的前道光刻机。前道光刻机经历了六代改进：
第一代是接触式光刻机。光刻机是掩模直接贴在硅片上曝光的，类似与投影，会造成较大的污染。
第二代是接近式光刻机。对接触式光刻机进行了改良，掩模和硅片之间留了点空隙，但成像不好。
第三代是全硅片扫描投影式光刻机。光刻机改良了扫描投影模式，并加入了物镜，进行光学矫正。
第四代是反射扫描摄影式光刻机。
第五代是步进式扫描投影式光刻机。顾名思义，就是采用了步进式扫描投影。
第六代就是EUV。EUV还使用反射镜取代了投射镜，还使用了极紫外光源，EU这俩字母就是极紫外的缩写，波长是13.5nm。因为用波长极短，很容易被任何东西吸收，包括空气，所以腔体内是真空系统。ASML研发EUV花了十来年时间，数百亿美元，可知其技术难度。EUV光刻机的售价曾为1亿美元一台。

验收现场

光源、物镜目前还无法完全摆脱进口依赖
光源是光刻机的核心部件之一。在光刻机改进中，所使用的光源也不断改进发展：
第一代是436nm g-line。
第二代是365nm i-line。
第三代是248nm KrF。
第四代是193nm ArF。
最新的是13.5nm EUV。
目前，在集成电路产业使用的中高端光刻机采用的是193nmArF光源和13.5nmEUV光源。
193nmArF也被称为深紫外光源。使用193nmArF光源的干法光刻机，其光刻工艺节点可达45nm，采用浸没式光刻、光学邻近效应矫正等技术后，其极限光刻工艺节点可达28nm。
浸没式光刻是指在物镜和硅片之间增加一层特殊的液体，由于液体的折射率比空气的折射率高，因此成像精度更高。因此，也就有了浸没式光刻的叫法。
而当工艺尺寸缩小到22nm时，则必须采用辅助的两次图形曝光技术。然而使用两次图形曝光，会带来两大问题:一个是光刻加掩模的成本迅速上升，另一个是工艺的循环周期延长。因而，在22nm的工艺节点，光刻机处于EUV与ArF两种光源共存的状态。
对于使用液浸式光刻+两次图形曝光的ArF光刻机，工艺节点的极限是10nm，之后将很难持续。EUV光刻机，则有可能使工艺制程继续延伸到5nm。

中国在激光技术上颇有成就，国内有的单位用汞灯做光源，还由单位研发出了独一无二的固态深紫外光源，但目前，固态深紫外光源还并未用于光刻机制造，在光源上还无法彻底摆脱进口。在物镜方面，虽然国防科大精密工程创新团队自主研制的磁流变和离子束两种超精抛光装备，实现了光学零件加工的纳米精度。但浸没式光刻物镜异常复杂，涵盖了光学、机械、计算机、电子学等多个学科领域最前沿，二十余枚镜片的初始结构设计难度极大——不仅要控制物镜波像差，更要全面控制物镜系统的偏振像差。因此，在现阶段国内物镜也无法完全替代进口产品。
据了解，光源和物镜同属核高基02专项重点公关项目之一，相信不久以后会有好消息。
结语
本次“光刻机双工件台系统样机研发”项目仅仅是核高基02专项的一部分，而且很有可能是第一个通过核高基02专项验收的项目。相对于中科院光电技术研究所研制的紫外纳米压印光刻机，本次的技术突破——“光刻机双工件台系统”则是用于65nm前道光刻机的一项关键技术。虽然在技术上而言，65nm光刻机与ASML的差距依然巨大，但却是中国光刻机实现国产化替代万里长征的第一步。
（作者微信公众号：tieliu1988）

然后这个是内部人士的留言
啊唔啊唔双马尾1楼2016-05-16“
笔者也无从了解α光刻样机采用双工件台系统的定位精度、工件台和掩膜台之间的同步误差等数据，以及是气浮驱动和磁悬浮驱动”——有幸亲眼见过一次。补充一下：1nm级别，磁悬浮，无导轨，平面电机。
al412楼2016-05-16
据说还有后续贝塔和伽马样机。

但说起清华，最广为认知的还是它的核能研究，其中最引人注目的还是世界最新的第四代核电-----高温气冷堆。

清华获10MW高温气冷实验堆运行许可 时间：[2014-07-24 ] 信息来源:中国能源报
　　近日，国家核安全局发布关于颁布清华大学10MW高温气冷实验堆运行许可证的通知，决定向清华大学核能与新能源技术研究院颁发《10MW高温气冷实验堆运行许可证》。
　　通知显示，国家核安全局审查了清华大学核能与新能源技术研究院提交的10MW高温气冷实验堆运行许可证申请相关文件，认为清华大学核能与新能源技术研究院作为对10MW高温气冷实验堆承担全面核安全责任的营运单位，所提交的申请文件符合中华人民共和国的有关法律和核安全法规。根据《民用核设施安全监督管理条例》及其实施细则，国家核安全局颁发此《10MW高温气冷实验堆运行许可证》，有效期至2024年6月30日。
　　资料显示，在国家“863”计划的支持下，自上世纪八十年代中期，我国开展了10MW高温气冷实验堆的研究、开发，于2000年12月建成临界，2003年1月实现满功率并网发电， 我国对高温气冷堆技术的研发取得了突破性成果，基本掌握了核心技术和系统设计集成技术。这一科技成果在国内外引起广泛的影响，使我国在高温气冷堆技术上处于国际先进行列。2006年1月，国务院正式发布的“国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006——2020年)”中，将“大型先进压水堆和高温气冷堆核电站示范工程”列为国家重大专项。
　　目前，我国首个高温气冷堆核电站示范工程已落户华能山东石岛湾核电有限公司。该示范工程由中国华能牵头组织实施，项目以我国已建成投运的清华大学10兆瓦高温气冷实验堆为基础，将把我国具有完全自主知识产权的高温气冷堆这一重大高新技术成果转化为现实生产力，是我国建设创新型国家的一项标志性工程，是世界首台具备第四代核能系统安全特性的商用核电机组，将引领世界第四代核电技术发展与进步。
　　该示范项目2012年12月3日通过国家发改委批准，同月9日示范工程核岛混凝土浇筑开始。

如今的科学研究已经和100年前完全不同，由于科学技术发展到了如此复杂的地步，哪怕大部分基础研究也很难凭借个人的力量去独立完成，而必须采用团队合作的方式。伟大的科学工程与计划在人类的发展史上曾写下过不朽的篇章，曼哈顿计划、阿波罗计划等等都至今为人津津乐道。但到今天，一个项目往往需要耗费极大的人力、物力和财力，以至于凭借单独一个国家的力量都难以完成，必须采取国际合作的方式。我们耳熟能详的国际空间站计划、人类基因组计划、欧州加速器计划和伽利略计划等等都是其中的典型。在核聚变研究上，世界各国也不得不联手攻关，国际热核计划(简称，ITER，这个字在拉丁语里同时有“道路”的意思)便应运而生了。
ITER只是我们最终征服聚变能道路上的一小步，它主要是一个实验性的计划，希望能建成一个以稳定的功率输出500秒以上的示范反应堆，并验证一些关键技术的可行性，为将来发展进一步的聚变反应堆作铺垫。尽管如此，完成它也至少要花30年的时间，耗费高达120亿美元———这是史上投资最为高昂的科学计划之一，仅次于国际太空站和曼哈顿计划(考虑到通胀因素的话)。虽然代价巨大，但如果成功，未来的收益却几乎是无限的。
一些媒体在报导时，说ITER又称为“人造太阳”计划，但实际上ITER并没有这个外号。如果有这个称呼的话，那也一般是指我国的EAST。再说这个外号也毫不准确，除了会引起许多望文生义的误解外，事实上，可控核聚变要比人造太阳难度大得多(要说“人造太阳”早就有了，氢弹就是)。除了要在高得多的温度下运作外，它等于是要人工控制“太阳”产生的所有能量以供利用，并且必须压缩在一个适当的空间内进行。
即便完成了ITER计划，我们离完全掌握聚变能的时代还差得远。一般预计，完整意义上的核聚变发电站可能不会在2050年之前出现，而真正要投入到商业运营中，则更不知要到什么时候。甚至这到底是不是一个可行的方案，我们也还没有100%的把握来最终断定。有批评认为，不应当把如此巨大的资源投入到一个遥不可及的课题上去，而应该优先发展另一些有立竿见影效果的可再生能源，如风能、太阳能等。《自然》杂志11月30号的一篇文章批评说，因为对聚变能前景过分乐观的信任，我们关于其它能源的研究都处在滞后的状况下。
另有一些科学家声称，核聚变甚至可能在室温的条件下发生！这引起了学界极大的争议，许多人认为这是虚假的，至今尚无定论。但如果这种情况真的可能发生，那我们无疑将在聚变技术领域内迈出飞跃性的一步，聚变能利用的实现之日将大大提前。
不管怎么样，也许核聚变技术的最终成熟并不是我们这一代人所能亲眼目睹的事情，但它无疑将对人类的未来产生极为重要的冲击。一旦我们能够拥有近乎无限的能源供应时，整个社会生活将会发生怎样的变化，这一定是一个非常有趣的话题

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