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揭秘全球领先的光刻机！

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我们都知道来自荷兰ASML公司的光刻机最为先进 ， 光刻机又被称为现代光学工业之花 ， 制造难度非常大 ， 全世界只有少数几家公司能够制造 ， 其售价高达7000万美金（最贵的EUV光刻机单台售价已经超过6.3亿元 ， 还需要排队订购） 。
恰恰光刻机又是中国在半导体设备制造上最大的短板 ， 国内晶圆厂所需的高端光刻机完全依赖进口 。 目前在全球45纳米以下高端光刻机市场当中 ， 荷兰ASML市场占有率达到80%以上；比如2018年全球光刻机出货量大概是600台左右 ， 其中荷兰的ASML出货量就达到了224台 ， 出货量占全球的比例达到30%以上 。 目前全球知名芯片厂商包括英特尔、三星、台积电、SK海力士、联电、格芯、中芯国际、华虹宏力、华力微等等全球一线公司都是ASML的客户 。
ASML前身是从1984年飞利浦与先进半导体材料国际（ASML）合资成立；1995年 ， ASML收购了菲利普持有的股份 ， 成为完全独立的公司 。
ASML对于研发的投入非常大 ， 2019年ASML的销售额大概是21亿欧元 ， 而研发费用支出就达到了4.8亿欧元 ， 研发费用占营收的比例达到22.8% ， 这个比例是非常高的 ， 正因为有大量资金的投入 ， 所以ASML在关键技术领域一直处于领先地位 。
从1991年PAS5000光刻机面市取得巨大成功开始 ， 再到2000~2001年具有双工作台、浸没式光刻技术的TwinscanXT、TwinscanNXT系列研制成功 ， ASML的技术一直处于全球领先 。
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目前ASML是全球唯一能够达到7纳米精度光刻机的提供商 ， 国内自主知识产权的光刻机还停留在90纳米 。 为什么差距这么大 ， 我们先从光刻机的结构简单说起 。
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ASMLTwinscan光刻机的简易工作原理图
以ASMLTwinscan光刻机为例 ， 其构造和功能分别为：
测量台、曝光台
承载硅片的工作台 ， 也就是双工作台 。 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 。
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 。 （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 。
至于EUV（极紫外光源）光刻机 ， 是生产7nm制程芯片必不可少的设备 ， 华为麒麟芯片、高通骁龙芯片 ， 三星Exynos芯片的制造都离不开该设备 。 可以说没有EUV光刻机就生产不出顶级的处理器 ， 如果台积电不给华为代工 ， 华为就得退出中高端手机市场！目前也仅有ASML可提供可供量产用的EUV光刻机 ， 在全球市场处于绝对垄断地位 。
从ASMLTwinscan光刻机的简易工作原理图可以看出 ， 光刻机的工作过程：首先是激光器发光 ， 经过矫正、能量控制器、光束成型装置等之后进入光掩膜台 ， 上面放的就设计公司做好的光掩膜 ， 之后经过物镜投射到曝光台 ， 这里放的就是8寸或者12英寸晶圆 ， 上面涂抹了光刻胶 ， 具有光敏感性 ， 紫外光就会在晶圆上蚀刻出电路 。
激光器负责光源产生 ， 而光源对制程工艺是决定性影响的 ， 随着半导体工业节点的不断提升 ， 光刻机缩激光波长也在不断的缩小 ， 从436nm、365nm的近紫外（NUV）激光进入到246nm、193nm的深紫外（DUV）激光 ， 现在DUV光刻机是目前大量应用的光刻机 ， 波长是193nm ， 光源是ArF（氟化氩）准分子激光器 ， 从45nm到10/7nm工艺都可以使用这种光刻机 ， 但是到了7nm这个节点已经的DUV光刻的极限 ， 所以Intel、三星和台积电都会在7nm这个节点引入极紫外光（EUV）光刻技术 ， 而GlobalFoundries当年也曾经研究过7nmEUV工艺 ， 只不过现在已经放弃了 。
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2006年全球首台EUV光刻机原型
看似这一过程的原理很简单 ， 但要知道第一台EUV光刻机原型从2006年就在ASML推出来了 ， 2010年造出了第一台研发用样机NXE3100 ， 到了2015年才造出了可量产的样机 。 而在这研发过程中 ， Intel、三星、台积电这些半导体大厂共同向ASML注资52.59亿欧元 ， 用于支持EUV光刻机的研发 。
EUV光刻机其技术难度有多大？一台EUV机台得经过十几面反射镜 ， 将光从光源一路导到晶圆 ， 最后大概只剩下不到2%的光线 。 反射镜的制造难度非常大 ， 精度以皮米计（万亿分之一米） 。 ASML的总裁曾说过 ， 如果反射镜面积有德国那么大 ， 最高的凸起不能超过1公分 。 光刻机光刻过程必须在真空中实现 ， 原因是极紫外光很娇贵 ， 在空气中容易损耗 。 同时 ， 在光刻过程中 ， 设备的动作时间误差以皮秒计 。 （备注：皮秒=兆分之一秒）EUV除了售价高昂 ， 技术复杂之外 ， 耗电能力也十分恐怖 。 驱动一台能输出250瓦功率的EUV的机台 ， 需要输入0.125万千瓦的电力才能达到 。
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换句话来说 ， 就是一台输出功率250W的EUV机器工作一天 ， 将会消耗3万度电 。 由于极紫外光的固有特性 ， 产生极紫外光的方式十分低效 ， 世界第二大内存制造商、韩国的SK海力士代表曾表示 ， “EUV的能源转换效率（wallplugefficiency）只有0.02%左右 。 ”
同样用同行的技术实力发展过程也可以看出EUV光刻机的难度 。
2007年之前 ， 作为全球顶尖的光刻机有三个厂家 ， 分别是ASML ， 尼康和佳能 。 虽说193nm光源DUV早在2000年代就开始使用的了 ， 然而在更短波长光源技术上卡住了 ， 157nm波长的光刻技术其实在2003年就有光刻机了 ， 然而对比193nm波长的进步只有25% ， 但由于157nm的光波会比193nm所用的镜片吸收 ， 镜片和光刻胶都要重新研制 ， 再加上当时成本更低的浸入式193nm技术已经出来了 ， 所以193nmDUV光刻一直用到现在 。
我们经常吐槽Intel的“花式挤牙膏” ， 这也是因为光刻机的技术和成本决定了半导体工艺的制程工艺 。 光刻机的精度跟光源的波长、物镜的数值孔径是有关系的 ， 有公式可以计算：
光刻机分辨率=k1*λ/NA
k1是常数 ， 不同的光刻机k1不同 ， λ指的是光源波长 ， NA是物镜的数值孔径 ， 所以光刻机的分辨率就取决于光源波长及物镜的数值孔径 ， 波长越短越好 ， NA越大越好 ， 这样光刻机分辨率就越高 ， 制程工艺越先进 。
最初的浸入式光刻就是很简单的在晶圆光刻胶上加1mm厚的水 ， 水可以把193nm的光波长折射成134nm ， 后来不断改进高NA镜片、多光照、FinFET、Pitch-split以及波段铃木的光刻胶等技术 ， 一直用到现在的7nm/10nm ， 但这已经是193nm光刻机的极限了 。
在现有技术条件上 ， NA数值孔径并不容易提升 ， 目前使用的镜片NA值是0.33 ， 之前有过一个新闻 ， 就是ASML投入20亿美元入股卡尔·蔡司公司 ， 双方将合作研发新的EUV光刻机 ， 许多人不知道EUV光刻机跟蔡司有什么关系 ， 现在应该明白了 ， ASML跟蔡司合作就是研发NA0.5的光学镜片 ， 这是EUV光刻机未来进一步提升分辨率的关键 ， 不过高NA的EUV光刻机至少是2025~2030年的事了 ， 因为光学镜片的进步比电子产品更难得多！
NA数值一时间不能提升 ， 所以光刻机就选择了改变光源 ， 用13.5nm波长的EUV取代193nm的DUV光源 ， 这样也能大幅提升光刻机的分辨率 。
【揭秘全球领先的光刻机！】又回到在上世纪90年代后半期 ， 大家都在寻找取代193nm光刻光源的技术 ， 提出了包括157nm光源、电子束投射、离子投射、X射线和EUV ， 而从现在的结果来看只有EUV是成功了 。 当初由Intel和美国能源部牵头 ， 集合了摩托罗拉、AMD等公司还有美国的三大国家实验室组成EUVLLC ， ASML也被邀请进入成为EUVLLC的一份子 。 在1997到2003年间 ， EUVLLC的几百位科学家发表了大量论文 ， 证明了EUV光刻机的可行性 ， 然后EUVLLC解散 。
而2007年ASML配合台积电的技术方向 ， 推出了193纳米的光源浸没式系统 ， 在光学镜头和硅晶圆片导入液体作为介质 ， 在原有光源与镜头的条件下 ， 能显著提升蚀刻精度 ， 并成为高端科技的主流技术方案 。 而当时日本的尼康与佳能却主推157纳米光源的干式光刻 ， 这个路线后来被市场所放弃 ， 也成为尼康跟佳能迈入衰退的一个转折点 ， 后来才有了ASML的垄断 。
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