如何光刻機會稱為半導體制造行業的明珠？

在中國與美國的貿易沖突中，半導體領域是其中的一個重點，它是《中國制造2025》路線圖中第一個要解決的高科技領域，也是中國制造業目前的薄弱之處，在半導體設計、制造到封裝三個環節中，半導體制造是國內急需突破的領域，但它也是技術門檻最高的，國內最大的半導體制造公司中芯國際的營收只有第一大晶圓代工公司臺積電的1/20，與英特爾相比更是只有1/20，但是這些芯片制造公司都離不開一個設備——光刻機，它是整個半導體制造行業的明珠。

這兩年國內大力發展半導體產業之后，“光刻機對中國禁售”、“中國半導體產業發展不起來就是沒有光刻機”等似是而非的說法也為人津津樂道，而荷蘭ASML（中文名阿斯麥）公司也因為是目前最重要的光刻機供應商而被更多網友提起，大家感慨荷蘭這么小的國家竟然能研發出這么高精尖的設備。

針對這些問題，今天的超能課堂我們就來聊聊光刻機，建議閱讀本文之前大家先看看我們之前做過的一期超能課堂文章——沙子做的CPU，憑什么賣那么貴？，里面介紹了CPU的制造過程，其中光刻的過程就是CPU生產的核心，這一過程就是在光刻機中完成的。

光刻機為何被稱為半導體設備上的明珠？它到底有多重要？

其實簡單的流程圖并不能反映出光刻在芯片制造過程中的重要性的，我們再來一個更簡單、直接的有關芯片是如何研發、生產的，來看下面的示意圖：

如果AMD/NVIDIA/高通要研發新一代CPU/GPU芯片，他們會使用到Cadence、Synospsys提供的EDA工具來輔助設計芯片，期間會用到各種IP核心，有的是來自ARM等第三方公司授權，也有的是公司自己研發的，設計完成之后他們會把芯片交給TSMC臺積電、UMC聯電、SMIC中芯國際等晶圓代工廠，這些代工廠的生產設備則來自ASML、AMAT應用材料、Lam等，8寸、12英寸硅片則是來自日本信越、Sumco勝高等公司公司，當然半導體制造中使用的材料還有很多，比如光刻膠、清洗劑等等，這些都可以歸類于半導體材料行業中。

之前看到過一個好笑但也很有趣的悟空問答，有人問臺積電能給AMD、NVIDIA、高通等公司代工處理器，難道不怕臺積電偷偷學習他們的芯片然后自己生產嗎？先不說這么做的法律風險，單從技術上來說代工廠復制芯片設計也沒普通人想象的那么容易，因為IC設計公司并不是把芯片設計圖給代工廠，代工廠是通過他們制作好的光罩或者說光掩膜版（mask）來生產芯片的。

如上圖所示，臺積電等晶圓代工廠做的工作實際上就是將IC設計公司做好的光罩通過光刻工藝復制一遍到買來的晶圓上，所以這也是他們為什么被稱為晶圓代工廠的原因，做的就是幫助別人加工成芯片的工作。

這些話說來簡單，但半導體芯片的實際制造過程非常復雜，如今的半導體芯片越來越強大，從28nm節點開始已經不是一次光刻就能實現的了，所以出現了多重曝光這樣的技術，就是多次光刻處理，工藝越先進，芯片越復雜，所需的光刻次數就會越多，但需要多次消耗光刻膠及多次清洗，這樣就會增加芯片生產的時間，提高了生產的復雜度，帶來的后果就是芯片成本越來越高。

半導體芯片在整個生產過程中可能需要20-30次的光刻，耗時占到了生產環節的一半，成本能占到三分之一。

光刻不僅是影響代工廠的生產效率及成本，更主要的是光刻機的技術水平決定了芯片的制程工藝，這個才是最關鍵的，這也是光刻機最重要的功能。

光刻機的原理及結構，堪稱人類最精密的設備之一

光刻在芯片生產過程中如此重要，這也奠定了光刻機在半導體制造設備中的地位——沒有先進的光刻機，其他過程都是舍本逐末。

光刻機，按照不同的用途及光源有多種分類，現在大家說的主要是紫外光刻機，我們這里提到的主要有DUV深紫外光及EUV極紫外光，DUV光刻機是目前大量應用的光刻機，波長是193nm，光源是ArF（氟化氬）準分子激光器，從45nm到10nm工藝都可以使用這種光刻機，而EUV極紫外光波長是13.5nm，波長為何影響制程工藝后面再說，EUV光刻機主要用于7nm及以下節點。

ASML光刻機工作原理圖

以ASML典型的沉浸式步進掃描光刻機為例來看下光刻機是怎么工作的——首先是激光器發光，經過矯正、能量控制器、光束成型裝置等之后進入光掩膜臺，上面放的就設計公司做好的光掩膜，之后經過物鏡投射到曝光臺，這里放的就是8寸或者12英寸晶圓，上面涂抹了光刻膠，具有光敏感性，紫外光就會在晶圓上蝕刻出電路。

同樣地，這個過程說起來很簡單，實際上超級復雜，ASML的光刻機靠著沉浸式及雙機臺等技術打敗了原本由日本佳能、尼康公司占據的光刻機市場，別的不說，光是雙機臺技術就不知道有多高的要求了，芯片生產是nm級別的精度，兩個機臺的精度控制需要極高的工藝水平，也許差了幾nm就可能導致報廢。

從這里也可以看出光刻機的結構也很復雜，其中最重要的部分主要有激光器、物鏡及工作臺，其中激光器負責光源產生，而光源對制程工藝是決定性影響的，而且激光的產生過程需要耗費能量，這也是光刻機需要消耗大量電力的根源。

還有物鏡系統，光刻機里面的光學鏡片不是一兩片，而是一套多達數十個光學鏡片組成的系統，視不同結構，鏡片數量可能達到20片以上，而且面積很大，有如鍋蓋一般大小，不僅制作復雜，還需要精確的反射控制，玩單反的愛好者就知道鏡頭設計是多么復雜的了，更何況光刻機使用的是超大、超多組鏡片了。

還有就是工作機臺，雙機臺大幅提高了晶圓生產的效率，可以一邊測量一邊曝光，但是雙機臺的控制又提高了復雜度，對工藝要求非常高。

2006年全球首臺EUV光刻機原型

如果只看光刻機的示意圖，大家同樣不會理解光刻機這貨到底有多大，上圖是ASML公布過的一張光刻機真身，大家可以看看光刻機到底有多大。

為何需要EUV光刻機？先進工藝要么改光源要么改物鏡

193nm的DUV光刻機已經使用多年，而且售價普遍在5000萬美元，產能也高，為什么臺積電、三星還要找ASML買單價不低于1.2億美元的EUV光刻機，而且還要忍受產量低、能耗大等問題？他們顯然不是吃飽了撐的，因為要想實現7nm及更先進的工藝，現有的DUV光刻機不夠用了，需要13.5nm波長的EUV光刻機。

光刻機的分辨率取決于波長、NA孔徑等

前面說了，光刻機決定了半導體工藝的制程工藝，光刻機的精度跟光源的波長、物鏡的數值孔徑是有關系的，有公式可以計算：

光刻機分辨率=k1*λ/NA

k1是常數，不同的光刻機k1不同，λ指的是光源波長，NA是物鏡的數值孔徑，所以光刻機的分辨率就取決于光源波長及物鏡的數值孔徑，波長越短越好，NA越大越好，這樣光刻機分辨率就越高，制程工藝越先進。

在現有技術條件上，NA數值孔徑并不容易提升，目前使用的鏡片NA值是0.33，大家可能還記得之前有過一個新聞，就是ASML投入20億美元入股卡爾·蔡司公司，雙方將合作研發新的EUV光刻機，許多人不知道EUV光刻機跟蔡司有什么關系，現在應該明白了，ASML跟蔡司合作就是研發NA 0.5的光學鏡片，這是EUV光刻機未來進一步提升分辨率的關鍵，不過高NA的EUV光刻機至少是2025-2030年的事了，還早著呢，光學鏡片的進步比電子產品難多了。

NA數值一時間不能提升，所以光刻機就選擇了改變光源，用13.5nm波長的EUV取代193nm的DUV光源，這樣也能大幅提升光刻機的分辨率。

但是EUV光刻機的研制并不容易，不要以為只是換個光源，從DUV換到EUV對整個光刻機的結構都有重大影響，ASML公司研發EUV光刻機已經十幾年甚至二十年的歷史了，期間英特爾、臺積電及三星都給ASML提供支持，先后投資數十億美元給ASML（不過ASML業績轉好之后基本上都賣出了股票）輸血，即便是這樣，現在的EUV光刻機依然談不上完全成熟。

首先EUV極其耗電，因為13.5nm的紫外光容易被吸收，導致轉換效率非常低，據說只有0.02%，目前ASML的EUV光刻機輸出功率是250W，工作一天就要耗電3萬度——考慮到這個轉換率是多年前的，多年來可能會有進步，但即便ASML大幅改進了EUV光源的效率，EUV光刻機超級耗電也是跑不了的，臺積電在權衡未來的3nm晶圓廠選址時，首要考慮的就是***是否有穩定的電力供應。

此外，即便有如此高的電力消耗，EUV光刻機現在的生產效率還不夠好，目前ASML的量產型EUV光刻機NXE：3400B的生產能力是125WPH，也就是一小時處理125片晶圓，而193nm光刻機NXT:1980Di的生產能力是275WPH，其他型號也能達到250WPH，產量能相差一倍。

·EUV光刻機不是中國半導體工業的關鍵，國內能量產90nm級別的光刻機

盡管EUV光刻機現在還不夠成熟，不過三星、臺積電及Globalfoundries等公司已經開始在7nm節點上大規模應用EUV光刻機，隨著需求的增加,EUV光刻機的成本也會下降，將推動EUV光刻機的發展。

由于EUV光刻機對先進半導體工藝非常重要，很多網友也把國內半導體不行歸咎于沒有先進的光刻機，特別是EUV光刻機，而瓦森那協議中對光刻設備的限制又引申出更多猜想，認為這些限制是國內芯片不行的原因，實際上這些傳聞聽著很合理，但誤解頗多。

ASML的光刻機一直都有在國內銷售，近年來隨著國內半導體市場的擴大，大陸地區的客戶甚至逐漸成為ASML的大客戶，Q1季度中大陸地區的營收占比就有19%，與美國地區持平。至于EUV光刻機，國內之前沒有也不是因為禁售，首先是EUV產量低，三星、臺積電、英特爾下單早，ASML優先交付他們，但最主要的原因是國內并沒有EUV光刻機的需求，因為EUV光刻機主要用于7nm及以下的工藝，而國內晶圓代工廠SMIC中芯國際目前最先進的工藝還是28nm，完全用不到EUV光刻機，明年才開始生產14nm工藝，依然沒必要使用EUV光刻機。

不過中芯國際還是訂購了一臺EUV光刻機，主要用于7nm工藝研究，預計明年初交付。

目前的光刻機市場主要是掌握在ASML公司手中，日本佳能、尼康公司的光刻機已經嚴重落伍，處于被淘汰的地位。國內也很早就研發光刻機了，如果大家的目光不是放在EUV光刻機這樣的頂級設備上，國內實際上已經國產化了LCD、LED用的光刻機，其他先進光刻機也在攻關中。

國內目前主攻先進光刻機的主要有兩大陣營，一個是中科院長的學院派，承擔了國家的02專項中的90nm光刻機研發，旗下長春光學精密機械與物理研究所、應用光學國家重點實驗室負責物鏡系統，中國科學院上海光學精密機械研究所負責照明系統，去年已經研發成功90nm光刻機，并通過驗收。

在企業陣營中，主攻光刻機的是上海微電子裝備集團、中電科電子裝備集團等，其中上海微電子集團已經量產90nm光刻機，預計未來幾年實現45nm光刻機研發，不過他們在封裝光刻機市場上占了國內80%的市場，全球占有率也達到了40%，LED投影光刻機占有率也高達20%。

對于未來的EUV光刻機，國內也啟動了關鍵技術研發，有報道稱2016年11月15日，由長春光機所牽頭承擔的國家科技重大專項02專項——“極紫外光刻關鍵技術研究”項目順利完成驗收前現場測試，不過官方八股文宣傳的技術突破離最終量產EUV光刻機還有很遠的距離，90nm光刻機用了10年時間研發，國產EUV光刻機依然有很長的路要走。

總結：

光刻是半導體芯片生產過程中最重要的一環，光刻機則是具體實現光刻處理器的設備，它對CPU以及存儲芯片來說都是如此，不論是生產效率、成本還是技術水平，光刻機都是決定性的?，F代的光刻機是一臺極其精密的復雜系統，從激光器到物鏡再到工作臺都有很高的技術門檻，光刻機確實可以說是半導體產業中的明珠，EUV光刻機更是明珠中的明珠。