如何光刻機(jī)會(huì)稱為半導(dǎo)體制造行業(yè)的明珠？

在中國(guó)與美國(guó)的貿(mào)易沖突中，半導(dǎo)體領(lǐng)域是其中的一個(gè)重點(diǎn)，它是《中國(guó)制造2025》路線圖中第一個(gè)要解決的高科技領(lǐng)域，也是中國(guó)制造業(yè)目前的薄弱之處，在半導(dǎo)體設(shè)計(jì)、制造到封裝三個(gè)環(huán)節(jié)中，半導(dǎo)體制造是國(guó)內(nèi)急需突破的領(lǐng)域，但它也是技術(shù)門檻最高的，國(guó)內(nèi)最大的半導(dǎo)體制造公司中芯國(guó)際的營(yíng)收只有第一大晶圓代工公司臺(tái)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(gè)設(shè)備——光刻機(jī)，它是整個(gè)半導(dǎo)體制造行業(yè)的明珠。

這兩年國(guó)內(nèi)大力發(fā)展半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)之后，“光刻機(jī)對(duì)中國(guó)禁售”、“中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展不起來就是沒有光刻機(jī)”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?yàn)槭悄壳白钪匾墓饪虣C(jī)供應(yīng)商而被更多網(wǎng)友提起，大家感慨荷蘭這么小的國(guó)家竟然能研發(fā)出這么高精尖的設(shè)備。

針對(duì)這些問題，今天的超能課堂我們就來聊聊光刻機(jī)，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(chǎn)的核心，這一過程就是在光刻機(jī)中完成的。

光刻機(jī)為何被稱為半導(dǎo)體設(shè)備上的明珠？它到底有多重要？

其實(shí)簡(jiǎn)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?cè)賮硪粋€(gè)更簡(jiǎn)單、直接的有關(guān)芯片是如何研發(fā)、生產(chǎn)的，來看下面的示意圖：

如果AMD/NVIDIA/高通要研發(fā)新一代CPU/GPU芯片，他們會(huì)使用到Cadence、Synospsys提供的EDA工具來輔助設(shè)計(jì)芯片，期間會(huì)用到各種IP核心，有的是來自ARM等第三方公司授權(quán)，也有的是公司自己研發(fā)的，設(shè)計(jì)完成之后他們會(huì)把芯片交給TSMC臺(tái)積電、UMC聯(lián)電、SMIC中芯國(guó)際等晶圓代工廠，這些代工廠的生產(chǎn)設(shè)備則來自ASML、AMAT應(yīng)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(dāng)然半導(dǎo)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(dǎo)體材料行業(yè)中。

之前看到過一個(gè)好笑但也很有趣的悟空問答，有人問臺(tái)積電能給AMD、NVIDIA、高通等公司代工處理器，難道不怕臺(tái)積電偷偷學(xué)習(xí)他們的芯片然后自己生產(chǎn)嗎？先不說這么做的法律風(fēng)險(xiǎn)，單從技術(shù)上來說代工廠復(fù)制芯片設(shè)計(jì)也沒普通人想象的那么容易，因?yàn)?a target="_blank">IC設(shè)計(jì)公司并不是把芯片設(shè)計(jì)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(chǎn)芯片的。

如上圖所示，臺(tái)積電等晶圓代工廠做的工作實(shí)際上就是將IC設(shè)計(jì)公司做好的光罩通過光刻工藝復(fù)制一遍到買來的晶圓上，所以這也是他們?yōu)槭裁幢环Q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(jiǎn)單，但半導(dǎo)體芯片的實(shí)際制造過程非常復(fù)雜，如今的半導(dǎo)體芯片越來越強(qiáng)大，從28nm節(jié)點(diǎn)開始已經(jīng)不是一次光刻就能實(shí)現(xiàn)的了，所以出現(xiàn)了多重曝光這樣的技術(shù)，就是多次光刻處理，工藝越先進(jìn)，芯片越復(fù)雜，所需的光刻次數(shù)就會(huì)越多，但需要多次消耗光刻膠及多次清洗，這樣就會(huì)增加芯片生產(chǎn)的時(shí)間，提高了生產(chǎn)的復(fù)雜度，帶來的后果就是芯片成本越來越高。

半導(dǎo)體芯片在整個(gè)生產(chǎn)過程中可能需要20-30次的光刻，耗時(shí)占到了生產(chǎn)環(huán)節(jié)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(chǎn)效率及成本，更主要的是光刻機(jī)的技術(shù)水平?jīng)Q定了芯片的制程工藝，這個(gè)才是最關(guān)鍵的，這也是光刻機(jī)最重要的功能。

光刻機(jī)的原理及結(jié)構(gòu)，堪稱人類最精密的設(shè)備之一

光刻在芯片生產(chǎn)過程中如此重要，這也奠定了光刻機(jī)在半導(dǎo)體制造設(shè)備中的地位——沒有先進(jìn)的光刻機(jī)，其他過程都是舍本逐末。

光刻機(jī)，按照不同的用途及光源有多種分類，現(xiàn)在大家說的主要是紫外光刻機(jī)，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(jī)是目前大量應(yīng)用的光刻機(jī)，波長(zhǎng)是193nm，光源是ArF（氟化氬）準(zhǔn)分子激光器，從45nm到10nm工藝都可以使用這種光刻機(jī)，而EUV極紫外光波長(zhǎng)是13.5nm，波長(zhǎng)為何影響制程工藝后面再說，EUV光刻機(jī)主要用于7nm及以下節(jié)點(diǎn)。

ASML光刻機(jī)工作原理圖

以ASML典型的沉浸式步進(jìn)掃描光刻機(jī)為例來看下光刻機(jī)是怎么工作的——首先是激光器發(fā)光，經(jīng)過矯正、能量控制器、光束成型裝置等之后進(jìn)入光掩膜臺(tái)，上面放的就設(shè)計(jì)公司做好的光掩膜，之后經(jīng)過物鏡投射到曝光臺(tái)，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(huì)在晶圓上蝕刻出電路。

同樣地，這個(gè)過程說起來很簡(jiǎn)單，實(shí)際上超級(jí)復(fù)雜，ASML的光刻機(jī)靠著沉浸式及雙機(jī)臺(tái)等技術(shù)打敗了原本由日本佳能、尼康公司占據(jù)的光刻機(jī)市場(chǎng)，別的不說，光是雙機(jī)臺(tái)技術(shù)就不知道有多高的要求了，芯片生產(chǎn)是nm級(jí)別的精度，兩個(gè)機(jī)臺(tái)的精度控制需要極高的工藝水平，也許差了幾nm就可能導(dǎo)致報(bào)廢。

從這里也可以看出光刻機(jī)的結(jié)構(gòu)也很復(fù)雜，其中最重要的部分主要有激光器、物鏡及工作臺(tái)，其中激光器負(fù)責(zé)光源產(chǎn)生，而光源對(duì)制程工藝是決定性影響的，而且激光的產(chǎn)生過程需要耗費(fèi)能量，這也是光刻機(jī)需要消耗大量電力的根源。

還有物鏡系統(tǒng)，光刻機(jī)里面的光學(xué)鏡片不是一兩片，而是一套多達(dá)數(shù)十個(gè)光學(xué)鏡片組成的系統(tǒng)，視不同結(jié)構(gòu)，鏡片數(shù)量可能達(dá)到20片以上，而且面積很大，有如鍋蓋一般大小，不僅制作復(fù)雜，還需要精確的反射控制，玩單反的愛好者就知道鏡頭設(shè)計(jì)是多么復(fù)雜的了，更何況光刻機(jī)使用的是超大、超多組鏡片了。

還有就是工作機(jī)臺(tái)，雙機(jī)臺(tái)大幅提高了晶圓生產(chǎn)的效率，可以一邊測(cè)量一邊曝光，但是雙機(jī)臺(tái)的控制又提高了復(fù)雜度，對(duì)工藝要求非常高。

2006年全球首臺(tái)EUV光刻機(jī)原型

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

為何需要EUV光刻機(jī)？先進(jìn)工藝要么改光源要么改物鏡

193nm的DUV光刻機(jī)已經(jīng)使用多年，而且售價(jià)普遍在5000萬(wàn)美元，產(chǎn)能也高，為什么臺(tái)積電、三星還要找ASML買單價(jià)不低于1.2億美元的EUV光刻機(jī)，而且還要忍受產(chǎn)量低、能耗大等問題？他們顯然不是吃飽了撐的，因?yàn)橐雽?shí)現(xiàn)7nm及更先進(jìn)的工藝，現(xiàn)有的DUV光刻機(jī)不夠用了，需要13.5nm波長(zhǎng)的EUV光刻機(jī)。

光刻機(jī)的分辨率取決于波長(zhǎng)、NA孔徑等

前面說了，光刻機(jī)決定了半導(dǎo)體工藝的制程工藝，光刻機(jī)的精度跟光源的波長(zhǎng)、物鏡的數(shù)值孔徑是有關(guān)系的，有公式可以計(jì)算：

光刻機(jī)分辨率=k1*λ/NA

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

在現(xiàn)有技術(shù)條件上，NA數(shù)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(gè)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(fā)新的EUV光刻機(jī)，許多人不知道EUV光刻機(jī)跟蔡司有什么關(guān)系，現(xiàn)在應(yīng)該明白了，ASML跟蔡司合作就是研發(fā)NA 0.5的光學(xué)鏡片，這是EUV光刻機(jī)未來進(jìn)一步提升分辨率的關(guān)鍵，不過高NA的EUV光刻機(jī)至少是2025-2030年的事了，還早著呢，光學(xué)鏡片的進(jìn)步比電子產(chǎn)品難多了。

NA數(shù)值一時(shí)間不能提升，所以光刻機(jī)就選擇了改變光源，用13.5nm波長(zhǎng)的EUV取代193nm的DUV光源，這樣也能大幅提升光刻機(jī)的分辨率。

但是EUV光刻機(jī)的研制并不容易，不要以為只是換個(gè)光源，從DUV換到EUV對(duì)整個(gè)光刻機(jī)的結(jié)構(gòu)都有重大影響，ASML公司研發(fā)EUV光刻機(jī)已經(jīng)十幾年甚至二十年的歷史了，期間英特爾、臺(tái)積電及三星都給ASML提供支持，先后投資數(shù)十億美元給ASML（不過ASML業(yè)績(jī)轉(zhuǎn)好之后基本上都賣出了股票）輸血，即便是這樣，現(xiàn)在的EUV光刻機(jī)依然談不上完全成熟。

首先EUV極其耗電，因?yàn)?3.5nm的紫外光容易被吸收，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率非常低，據(jù)說只有0.02%，目前ASML的EUV光刻機(jī)輸出功率是250W，工作一天就要耗電3萬(wàn)度——考慮到這個(gè)轉(zhuǎn)換率是多年前的，多年來可能會(huì)有進(jìn)步，但即便ASML大幅改進(jìn)了EUV光源的效率，EUV光刻機(jī)超級(jí)耗電也是跑不了的，臺(tái)積電在權(quán)衡未來的3nm晶圓廠選址時(shí)，首要考慮的就是***是否有穩(wěn)定的電力供應(yīng)。

此外，即便有如此高的電力消耗，EUV光刻機(jī)現(xiàn)在的生產(chǎn)效率還不夠好，目前ASML的量產(chǎn)型EUV光刻機(jī)NXE：3400B的生產(chǎn)能力是125WPH，也就是一小時(shí)處理125片晶圓，而193nm光刻機(jī)NXT:1980Di的生產(chǎn)能力是275WPH，其他型號(hào)也能達(dá)到250WPH，產(chǎn)量能相差一倍。

·EUV光刻機(jī)不是中國(guó)半導(dǎo)體工業(yè)的關(guān)鍵，國(guó)內(nèi)能量產(chǎn)90nm級(jí)別的光刻機(jī)

盡管EUV光刻機(jī)現(xiàn)在還不夠成熟，不過三星、臺(tái)積電及Globalfoundries等公司已經(jīng)開始在7nm節(jié)點(diǎn)上大規(guī)模應(yīng)用EUV光刻機(jī)，隨著需求的增加,EUV光刻機(jī)的成本也會(huì)下降，將推動(dòng)EUV光刻機(jī)的發(fā)展。

由于EUV光刻機(jī)對(duì)先進(jìn)半導(dǎo)體工藝非常重要，很多網(wǎng)友也把國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體不行歸咎于沒有先進(jìn)的光刻機(jī)，特別是EUV光刻機(jī)，而瓦森那協(xié)議中對(duì)光刻設(shè)備的限制又引申出更多猜想，認(rèn)為這些限制是國(guó)內(nèi)芯片不行的原因，實(shí)際上這些傳聞聽著很合理，但誤解頗多。

ASML的光刻機(jī)一直都有在國(guó)內(nèi)銷售，近年來隨著國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體市場(chǎng)的擴(kuò)大，大陸地區(qū)的客戶甚至逐漸成為ASML的大客戶，Q1季度中大陸地區(qū)的營(yíng)收占比就有19%，與美國(guó)地區(qū)持平。至于EUV光刻機(jī)，國(guó)內(nèi)之前沒有也不是因?yàn)榻郏紫仁荅UV產(chǎn)量低，三星、臺(tái)積電、英特爾下單早，ASML優(yōu)先交付他們，但最主要的原因是國(guó)內(nèi)并沒有EUV光刻機(jī)的需求，因?yàn)镋UV光刻機(jī)主要用于7nm及以下的工藝，而國(guó)內(nèi)晶圓代工廠SMIC中芯國(guó)際目前最先進(jìn)的工藝還是28nm，完全用不到EUV光刻機(jī)，明年才開始生產(chǎn)14nm工藝，依然沒必要使用EUV光刻機(jī)。

不過中芯國(guó)際還是訂購(gòu)了一臺(tái)EUV光刻機(jī)，主要用于7nm工藝研究，預(yù)計(jì)明年初交付。

目前的光刻機(jī)市場(chǎng)主要是掌握在ASML公司手中，日本佳能、尼康公司的光刻機(jī)已經(jīng)嚴(yán)重落伍，處于被淘汰的地位。國(guó)內(nèi)也很早就研發(fā)光刻機(jī)了，如果大家的目光不是放在EUV光刻機(jī)這樣的頂級(jí)設(shè)備上，國(guó)內(nèi)實(shí)際上已經(jīng)國(guó)產(chǎn)化了LCD、LED用的光刻機(jī)，其他先進(jìn)光刻機(jī)也在攻關(guān)中。

國(guó)內(nèi)目前主攻先進(jìn)光刻機(jī)的主要有兩大陣營(yíng)，一個(gè)是中科院長(zhǎng)的學(xué)院派，承擔(dān)了國(guó)家的02專項(xiàng)中的90nm光刻機(jī)研發(fā)，旗下長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所、應(yīng)用光學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)物鏡系統(tǒng)，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所負(fù)責(zé)照明系統(tǒng)，去年已經(jīng)研發(fā)成功90nm光刻機(jī)，并通過驗(yàn)收。

在企業(yè)陣營(yíng)中，主攻光刻機(jī)的是上海微電子裝備集團(tuán)、中電科電子裝備集團(tuán)等，其中上海微電子集團(tuán)已經(jīng)量產(chǎn)90nm光刻機(jī)，預(yù)計(jì)未來幾年實(shí)現(xiàn)45nm光刻機(jī)研發(fā)，不過他們?cè)诜庋b光刻機(jī)市場(chǎng)上占了國(guó)內(nèi)80%的市場(chǎng)，全球占有率也達(dá)到了40%，LED投影光刻機(jī)占有率也高達(dá)20%。

對(duì)于未來的EUV光刻機(jī)，國(guó)內(nèi)也啟動(dòng)了關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，有報(bào)道稱2016年11月15日，由長(zhǎng)春光機(jī)所牽頭承擔(dān)的國(guó)家科技重大專項(xiàng)02專項(xiàng)——“極紫外光刻關(guān)鍵技術(shù)研究”項(xiàng)目順利完成驗(yàn)收前現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，不過官方八股文宣傳的技術(shù)突破離最終量產(chǎn)EUV光刻機(jī)還有很遠(yuǎn)的距離，90nm光刻機(jī)用了10年時(shí)間研發(fā)，國(guó)產(chǎn)EUV光刻機(jī)依然有很長(zhǎng)的路要走。

總結(jié)：

光刻是半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)過程中最重要的一環(huán)，光刻機(jī)則是具體實(shí)現(xiàn)光刻處理器的設(shè)備，它對(duì)CPU以及存儲(chǔ)芯片來說都是如此，不論是生產(chǎn)效率、成本還是技術(shù)水平，光刻機(jī)都是決定性的。現(xiàn)代的光刻機(jī)是一臺(tái)極其精密的復(fù)雜系統(tǒng)，從激光器到物鏡再到工作臺(tái)都有很高的技術(shù)門檻，光刻機(jī)確實(shí)可以說是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中的明珠，EUV光刻機(jī)更是明珠中的明珠。