什么是光刻機？一臺上億的ASML光刻機工作原理分享

不久前，一臺價值1.06億元的設(shè)備經(jīng)空運從荷蘭飛抵廈門，由于該設(shè)備價值高，而且對保存和運輸有著很高的要求——必須保持在23℃恒溫狀態(tài)下。為了避免影響設(shè)備的精度，在運輸中也對穩(wěn)定性有極高的要求。因此，機場海關(guān)以機坪查驗的方式對該貨物實行全程機邊監(jiān)管，待貨物裝入特制溫控氣墊車，移至海關(guān)的機坪視頻監(jiān)控探頭之下，完成緊急查驗后當(dāng)晚就得到放行。

那么到底是什么設(shè)備能獲得機場海關(guān)如此嚴(yán)陣以待，而且能有單臺破億的價格呢？

什么是***？

***是芯片制造的核心設(shè)備之一，按照用途可以分為好幾種：有用于生產(chǎn)芯片的***；有用于封裝的***；還有用于LED制造領(lǐng)域的投影***。用于生產(chǎn)芯片的***是中國在半導(dǎo)體設(shè)備制造上最大的短板，國內(nèi)晶圓廠所需的高端***完全依賴進(jìn)口，本次廈門企業(yè)從荷蘭進(jìn)口的***就是用于芯片生產(chǎn)的設(shè)備。

在高端***上，除了龍頭老大ASML，尼康和佳能也曾做過***，而且尼康還曾經(jīng)得到過Intel的訂單。但是近些年，尼康在ASML面前被打的毫無還手之力，高端***市場基本被ASML占據(jù)——即便是尼康最新的Ar-F immersion 630賣價還不到ASML Ar-F immersion 1980D平均售價的一半，也無法挽回敗局。

原因何在？一方面是Intel新CEO上臺后，不再延續(xù)與尼康的620D合同，這使得尼康失去了一個大客戶。另一方面，也和尼康自身技術(shù)實力不足有關(guān)，尼康的***相對于ASML有不少瑕疵，在操作系統(tǒng)上設(shè)計的架構(gòu)有缺陷，而且尼康的***的實際性能和尼康官方宣傳的有不小差距，這使得臺積電、Intel、三星、格羅方德等晶圓大廠不可能為了省一點錢去賣有瑕疵的產(chǎn)品。

目前，尼康的高端***基本被ASML吊打，主流半導(dǎo)體產(chǎn)線中只有少數(shù)低階老機齡的***還是尼康或者佳能，其他基本都是ASML的天下。某種程度上，尼康的***也只能用賣的超級便宜來搶市場了。那么，賣的到底有多便宜呢？

用數(shù)據(jù)來說話，ASML的 EUV NXE 3350B 單價超過1億美元，ArF Immersion售價大約在7000萬美元左右。相比之下，尼康***的單價只相當(dāng)于ASML價格的三分之一。

***工作原理

上圖是一張ASML***介紹圖。下面，簡單介紹一下圖中各設(shè)備的作用。

測量臺、曝光臺：是承載硅片的工作臺。

激光器：也就是光源，***核心設(shè)備之一。

光束矯正器：矯正光束入射方向，讓激光束盡量平行。

能量控制器：控制最終照射到硅片上的能量，曝光不足或過足都會嚴(yán)重影響成像質(zhì)量。

光束形狀設(shè)置：設(shè)置光束為圓型、環(huán)型等不同形狀，不同的光束狀態(tài)有不同的光學(xué)特性。

遮光器：在不需要曝光的時候，阻止光束照射到硅片。

能量探測器：檢測光束最終入射能量是否符合曝光要求，并反饋給能量控制器進(jìn)行調(diào)整。

掩模版：一塊在內(nèi)部刻著線路設(shè)計圖的玻璃板，貴的要數(shù)十萬美元。

掩膜臺：承載掩模版運動的設(shè)備，運動控制精度是nm級的。

物鏡：物鏡用來補償光學(xué)誤差，并將線路圖等比例縮小。

硅片：用硅晶制成的圓片。硅片有多種尺寸，尺寸越大，產(chǎn)率越高。題外話，由于硅片是圓的，所以需要在硅片上剪一個缺口來確認(rèn)硅片的坐標(biāo)系，根據(jù)缺口的形狀不同分為兩種，分別叫flat、 notch。

內(nèi)部封閉框架、減振器：將工作臺與外部環(huán)境隔離，保持水平，減少外界振動干擾，并維持穩(wěn)定的溫度、壓力。

在加工芯片的過程中，***通過一系列的光源能量、形狀控制手段，將光束透射過畫著線路圖的掩模，經(jīng)物鏡補償各種光學(xué)誤差，將線路圖成比例縮小后映射到硅片上，然后使用化學(xué)方法顯影，得到刻在硅片上的電路圖。一般的光刻工藝要經(jīng)歷硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻膠、軟烘、對準(zhǔn)曝光、后烘、顯影、硬烘、激光刻蝕等工序。經(jīng)過一次光刻的芯片可以繼續(xù)涂膠、曝光。越復(fù)雜的芯片，線路圖的層數(shù)越多，也需要更精密的曝光控制過程。

EUV：半導(dǎo)體業(yè)的終極武器

臺積電、英特爾都寄望，這臺史上最昂貴的「工具機」，會在2017年開始試產(chǎn)的七奈米制程大發(fā)神威，成為主力機種。

全球每年生產(chǎn)上百億片的手機晶片、記憶體，數(shù)十年來都仰賴程序繁瑣，但原理與沖洗照片類似的曝光顯影制程生產(chǎn)。

其中以投射出電路圖案的微影機臺最關(guān)鍵、也最昂貴。過去十多年，全球最先進(jìn)的微影機，都采用波長一九三奈米的深紫外光，然而英特爾、臺積電量產(chǎn)的最先進(jìn)電晶體，大小已細(xì)小到僅有數(shù)十個奈米。這形同用同一支筆，要寫的字卻愈來愈小，最后筆尖比要寫的字還粗的窘境。

要接替的「超細(xì)字筆」，技術(shù)源自美國雷根時代「星戰(zhàn)計劃」，波長僅有十三奈米的EUV；依照該技術(shù)的主要推動者英特爾規(guī)劃，2005年就該上陣，量產(chǎn)時程卻一延再延。

因為這個技術(shù)實在太難了。EUV光線的能量、破壞性極高，制程的所有零件、材料，樣樣挑戰(zhàn)人類工藝的極限。例如，因為空氣分子會干擾EUV光線，生產(chǎn)過程得在真空環(huán)境。而且，機械的動作得精確到誤差僅以皮秒（兆分之一秒）計。

最關(guān)鍵零件之一，由德國蔡司生產(chǎn)的反射鏡得做到史無前例的完美無瑕，瑕疵大小僅能以皮米（奈米的千分之一）計。

這是什么概念？ASML總裁暨執(zhí)行長溫彼得（Peter Wennink）接受《天下》獨家專訪時解釋，如果反射鏡面積有整個德國大，最高的突起處不能高于一公分高。

「滿足這類（瘋狂）的要求，就是我們的日常工作，」兩年前由財務(wù)長接任執(zhí)行長的溫彼得說。

因為EUV的技術(shù)難度、需要的投資金額太高，另外兩大微影設(shè)備廠──日本的Nikon和佳能，都已放棄開發(fā)。ASML儼然成為半導(dǎo)體業(yè)能否繼續(xù)沖刺下一代先進(jìn)制程，開發(fā)出更省電、運算速度更快的電晶體的最后希望。

「如果我們交不出EUV的話，摩爾定律就會從此停止，」溫彼得緩緩地說。因此，三年前，才會出現(xiàn)讓ASML聲名大噪的驚天交易。

英特爾、臺積電、三星等彼此競爭的三大巨頭，竟聯(lián)袂投資ASML41億、8.38億、5.03億歐元。（臺積電已于今年五月出售ASML的5％持股，獲利214億臺幣）

溫彼得解釋，當(dāng)時各大廠都要求EUV的研發(fā)進(jìn)度加快，他告訴這些顧客，「希望加快EUV的研發(fā)進(jìn)度，我們就得加倍研發(fā)支出?！?/p>

于是，ASML研發(fā)經(jīng)費倍增到現(xiàn)在的每年十三億歐元的規(guī)模。多出的一倍，ASML自己出一半，三大半導(dǎo)體巨頭合出另一半。

高端***完全依賴進(jìn)口

目前，***領(lǐng)域的龍頭老大是荷蘭ASML，并已經(jīng)占據(jù)了高達(dá)80%的市場份額，壟斷了高端***市場。日本尼康在高端***上完全被ASML擊敗，即便尼康的ArF***售價僅僅不到ASML的一半也無補于事。Intel、臺積電、三星用來加工14/16nm芯片的***都是買自ASML，格羅方德、聯(lián)電以及中芯國際等晶圓廠的***主要也是來自ASML。

更關(guān)鍵的是，最先進(jìn)的EUV***全球僅僅ASML能夠生產(chǎn)，ASML在今年第三季度和第四季度出售的兩臺EUV***售價都超過1億美元，落后EUV一代的ArF***平均售價也在4000萬至5000萬歐元左右，從高企的報價和EUV***全球僅此一家出售可以看出，***的技術(shù)門檻極高，是人類智慧集大成的產(chǎn)物。

相比之下，國內(nèi)***廠商則顯得非常寒酸，處于技術(shù)領(lǐng)先的上海微電子裝備有限公司已量產(chǎn)的***中，性能最好的是能用來加工90nm芯片的***，技術(shù)差距說是鴻溝都不為過。正是因此，國內(nèi)晶圓廠所需的高端***完全依賴進(jìn)口，本次從荷蘭空運至廈門機場的ASML***，就是用于芯片生產(chǎn)制造的高端***，由于是廈門的一家公司申報進(jìn)口的，筆者猜測，這臺設(shè)備很有可能是廈門當(dāng)?shù)卣c***聯(lián)華電子合資的晶圓廠從荷蘭ASML采購的。不過，由于西方瓦森納協(xié)議的限制，中國只能買到ASML的中低產(chǎn)品，這一點從廈門當(dāng)?shù)仄髽I(yè)進(jìn)口的***報價僅1億人民幣就可以看出來了。

眾所周知，設(shè)備是信息產(chǎn)業(yè)的源頭：我們開發(fā)設(shè)備、設(shè)備制造芯片、芯片構(gòu)成器件、器件改變世界！

等價波音737的***是個啥？

芯片制造中，設(shè)備龍頭就是***，而***的源頭就是ASML！現(xiàn)階段，ASML已經(jīng)成為***的代名詞。

ASML是做什么的？生產(chǎn)&銷售：***！

***又是用來做什么的？印制：芯！片！ （芯片被成為工業(yè)石油）

ASML是公司，***是設(shè)備。而ASML有三大客戶: 三星（samsung），英特爾（intel）和臺積電（TSMC）。

半導(dǎo)體行業(yè)有一句不成規(guī)的名言：艾司摩爾（ASML）的技術(shù)到哪里，全球半導(dǎo)體的制程就在哪里。

荷蘭ASML，總部位于荷蘭Veldhoven，歐洲人均科研經(jīng)費排名第二。

在ASML的2015年Q4季度報中，ArF Immersion 共銷售11臺，銷售額881million 歐元 乘以72%（不包括solution收入），算下來平均每臺售價達(dá)到5800萬歐元，約合7300萬美

波音737的官網(wǎng)報價7000萬到9000萬美元，航空公司購買還有折扣（據(jù)說3-4折）！

下圖是荷蘭ASML公司顛覆時代的EUV***NXE 3350B示意圖，單價超過6億人民幣，現(xiàn)貨還要等！

這是賣飛機嗎？賣機器都賣一個多億，搶錢么？不，他們提供的商品是高端***用來刻蝕最精密的芯片的全球只有這一家企業(yè)能提供中端一些的***，是日本的佳能、尼康做的***對，就是做相機做的很好的廠商技術(shù)上有些相通之處以佳能、尼康雄厚的技術(shù)積累，以及在相機界的霸主地位到了***行業(yè)卻只能做中低端產(chǎn)品所以你可以想象下ASML的高端***是有多么變態(tài)了其最貴的EUV極紫外線***，單價要1億美元左右，相當(dāng)于美帝四代戰(zhàn)斗機F35的價格這臺機器的長相如圖

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