先进激光加工技术与装备

先进激光加工技术与装备
摘要：随着我国经济和社会建设的全面进步，对各种先进技术有了更大的需求，其中，激光加工技术对于我国的科技发展有着至关重要的影响。

信息产业中需要
利用激光对半导体硅片材料进行加工，制成所需的芯片。

而因为激光加工技术的
不足，使得我国在相关领域的发展受到了较大的限制，这些问题的产生，与我国
在激光加工技术和装备研发方面的落后有直接关系。

信息社会的建设，激光加工
技术是最基本的技术保障方式，对相关技术以及装备的研究，需要重视。

关键词：硅片；激光加工技术；装备
中国是一个制造业大国，在很多工业生产领域，都占据了世界第一的位置，但同时，也暴露
出我国很多产业大而不强的问题。

一些核心技术与世界先进水平存在较大差距，以激光加工
技术为例，就是一个非常好的证明。

近段时间来，我国通信产业面临着巨大的经营压力，最
主要的原因就是芯片的保障难以充分实现。

在半导体产业中光刻机的缺失，使得我国相关企
业的巨大被动。

解决这些问题已经不只是企业自身的问题，更关系到国家的发展战略，基于此，其研究的现实价值和深远影响得以体现。

1.激光加工技术概述
激光在当前的科技和工业领域具有非常广泛的用途，尤其是激光加工技术，在当前的现
代化建设过程中有着极为重要的影响，包括对社会进步产生巨大影响的信息产业，也需要将
激光加工技术加以充分利用。

就目前来说，先进的激光加工技术代表着一个国家最重要的核
心科技能力，特别是半导体加工中必须通过光刻机完成对硅片的处理，到目前为止已经达到
几纳米的加工数量级。

没有如此尖端的激光加工技术，就只能将相关的加工需求进行外包，
在核心科技方面会受制于其他国家的技术限制。

激光加工技术主要利用激光束对被加工物进行处理，通过激光与这些物质间存在的作用，对材料完成加工处理。

这些材料可以是金属也可以是非金属，激光加工技术都可以有很好的
适应性。

其加工方式通常包括几种，即：切割、表面处理、打孔、焊接、微加工等。

这一方
面利用了激光可以在微小区域产生巨大热量的原理，这些热量可以融化被加工物质，实现切
割等目的；另一方面，激光具有良好的单色性和直线传播的优势，能够在加工物体表面进行
蚀刻等操作，使得很多极高精度的加工均采用激光加工技术。

从目前来看，激光加工技术已
经充分用在电子、航空、机械制造等重要领域，并对整个加工技术的优化有非常突出的促进
作用。

2.先进激光加工技术与装备研究
与传统加工技术相比，先进的激光加工技术可以在加工精度和工作质量和稳定性方面有
着非常突出的表现。

这些先进的技术与相应的装备融合，可以对加工能力产生巨大的影响。

本文以光刻机技术及其装备为例，系统探究先进激光加工技术的相关内容，有一定的借鉴价
值和参考意义。

2.1光刻机技术
现代光学工业中，激光加工技术是最为核心的内容，而其最高技术成就的代表就是光刻机。

光刻机之所以享有如此声誉，不仅在于其应用领域的重要性，同时也表现在其制造难度上，截至目前，整个世界范围内仅几家企业具备研发制造能力，而光刻机的单台售价甚至达
到了惊人的7000万美金。

而对于我国的半导体设备制造来说，光刻机是最突出的弱点，尤
其是高端光刻机，所有都需要从国外进口。

对于如此高技术含量的装备，国外企业对其有非
常严格的限制，尤其是针对中国的采购需求，总是难以得到满足。

光刻机技术及其装备研发的企业中，荷兰的ASML公司所掌握的技术处于最高端的位置，其装备的价格也极高。

用于光刻机的激光加工技术非常复杂高端，还需要多个配套基础技术
提供有力保障才能实现这些设备的研发和制造。

我国在很早就已经开始对光刻机的技术攻关，也取得了很大的收效。

通过长时间的研发攻关，上海微电子装备公司取得了较大进步，其所
生产的光刻机堪称中国最佳，其加工精度已经能够做到90纳米，该精度与美国Intel公司在2004年研发的奔腾四CPU技术精度基本一致，而国外则可以做到十几纳米的水平。

通过这一点可以看出，我国在光刻机的先进技术研发方面还有较大差距，还要继续努力才能迎头赶上。

2.2光刻机装备组成及各部分功能
从结构上看，光刻机大体保持统一的设计样式，其组成也基本保持一致。

各组成部分部
件较多，且各部件的功能设计必须形成完美的技术契合，才能使得光刻机的加工精度达到一
定高端水平。

其组成及各部分的作用归纳如下：
测量台、曝光台：一般光刻机需要先测量，再曝光，只需一个工作台，而ASML专利有
两个工作台，实现测量与曝光同时进行。

激光器：也就是光源，光刻机核心设备之一。

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。

2.3光刻机加工技术原理及其要点
光刻机的工作原理与照相机基本相似，其底片就是已经被涂抹了光敏胶的各种待加工硅片。

芯片电路设计的图案通过光刻机进行缩微后直接投射在底片的适合位置，并将部分涂抹
的光敏胶进行蚀刻去除，以将暴露出来的硅面进行相应的处理。

芯片制造的整个过程中，需
要不断重复这一过程，至少要达到几十遍才能将设计电路加工到硅片上形成芯片。

光刻机镜
头是整个装备中最核心的部分，其结构采用超过20块的大型镜片进行串联，由这些镜片组
完成高精度微缩和聚焦等功能。

镜片选用极高纯度的特种透光材料，并通过极高标准的抛光
工艺制成，这些特殊设计保证了光刻机的高精度和高稳定性。

荷兰ASML公司采用的镜片技
术为蔡司技术，通过蔡司技术打底，可以使镜片的材质更加均匀，这样的技术经验需要几十年的沉淀才能实现，这也正是该技术难以被复制的关键因素。

在光刻机技术中，镜片打磨是一个非常需要经验的技术环节，全靠人工控制，不同人打磨的镜片其光洁度可以差到十倍。

此外，满足生产需要的光刻机必须保证足够小的体积，而光源则需要保持高功率和高稳定性。

ASML生产的光刻机装备，其技术采用极紫外光，该光波波长非常短，因此其光学系统也要非常复杂。

同时，光刻机中两个同步工件台，必须保持极高精度的同步，其误差要限制小于2纳米。

工作台的快速运动，其加速度非常大，而要完成运动过程中的光刻加工，难度可想而知。

且温湿度以及空气压力的波动都会造成对焦的干扰，装备内温度波动需要控制在千分之五度，其冷却方法以及测温传感器必须保证高质量。

SMEE研发的光刻机中，分系统达到13个，共有3万个零件，传感器超过200个，且每个都需保持工作稳定。

3.结束语
综上所述，先进的激光加工技术可以在精细加工方面展现其技术优势，尤其是半导体行业，通过光刻机对硅片进行刻蚀处理，来完成芯片生产的一个重要工序。

我国在光刻机研发和生产方面已经取得了巨大的进步，但在最先进的光刻机技术领域，还存在较大的差距。

信息社会的建设，包括5G通信等，都需要基于半导体材料的激光加工进行芯片生产。

通过技术研发，必须将这一难题解决，以满足我国在信息领域发展的现实需要，进而推动国家的全面发展。

参考文献：
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