1.5萬(wàn)字光刻機(jī)超詳解：半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中的珠穆朗瑪

作者：賈銘

來(lái)源：秦朔朋友圈（ID：qspyq2015）

2月24日，據(jù)路透社報(bào)道，全球唯一的商用極紫外（EUV）光刻機(jī)制造商阿斯麥（ASML）取得了一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)突破：成功研發(fā)出穩(wěn)定輸出1000瓦（1kW）功率的極紫外光源系統(tǒng)。據(jù)預(yù)測(cè)，到2030年，這項(xiàng)技術(shù)將使單臺(tái)光刻機(jī)每小時(shí)可處理約330片晶圓，較目前的220片顯著提升50%。

EUV光刻機(jī)對(duì)芯片生產(chǎn)至關(guān)重要。美國(guó)政府與荷蘭方面合作，阻止該設(shè)備輸華，這促使中國(guó)加快國(guó)家層面的自主研發(fā)攻關(guān)。

完整的集成電路/半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈大致可以分為設(shè)計(jì)、制造、封裝測(cè)試、輔助材料等幾個(gè)主要環(huán)節(jié)或子鏈。

芯片設(shè)計(jì)方面，中國(guó)實(shí)際上已經(jīng)躋身全球第一梯隊(duì)，比如國(guó)內(nèi)芯片廠商的設(shè)計(jì)能力已經(jīng)達(dá)到5nm甚至更低。設(shè)計(jì)軟件方面，歐美的EDA（Electronic Design Automation）生態(tài)最好，國(guó)產(chǎn)EDA在性能和對(duì)先進(jìn)工藝的支持上還不如國(guó)際頭部廠商，但也可以勉強(qiáng)滿(mǎn)足自己的需求。

制造方面，我們主要關(guān)注的是晶圓、光刻機(jī)和刻蝕機(jī)。刻蝕機(jī)盡管距離國(guó)際領(lǐng)先水平有一定差距，但我們已經(jīng)可以基本國(guó)產(chǎn)化。而高純度晶圓和光刻機(jī)，很多核心的專(zhuān)利技術(shù)還是受到美、歐、日等國(guó)家鉗制。雖然國(guó)內(nèi)某芯片大廠的芯片產(chǎn)能已經(jīng)是全球第五，但制造設(shè)備、原材料和輔助材料還是依賴(lài)進(jìn)口。

封裝測(cè)試方面，封測(cè)在芯片整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈相對(duì)簡(jiǎn)單（注意只是“相對(duì)”），設(shè)備更新比較慢，也是國(guó)內(nèi)優(yōu)先發(fā)展的方向，目前國(guó)內(nèi)在封測(cè)領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位，完全不弱于任何國(guó)家。國(guó)內(nèi)有市占率全球第三的封測(cè)大廠。

輔助材料方面，高端光刻膠、掩膜版、涂膠顯影材料和設(shè)備等也依賴(lài)美、日、韓三家。比如，有數(shù)據(jù)顯示，國(guó)內(nèi)適用于6英寸晶圓的g/i線光刻膠自給率為20%，適用于8英寸晶圓的KrF光刻膠自給率小于5%，適用于12英寸晶圓的ArF光刻膠目前基本靠進(jìn)口。

本文無(wú)意于拆解整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈，主要想粗略介紹一下光刻機(jī)。因?yàn)榍暗佬酒圃煊玫墓饪虣C(jī)，是整個(gè)集成電路產(chǎn)業(yè)鏈最復(fù)雜的設(shè)備，被稱(chēng)為“工業(yè)皇冠上的明珠”，僅光刻機(jī)一類(lèi)設(shè)備，即可自成產(chǎn)業(yè)鏈。

以下為正文：

1946年2月14日，美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)研制了全球第一臺(tái)基于電子管的計(jì)算機(jī)，占地170平方米，重達(dá)30噸，有17468個(gè)電子三極管、7200個(gè)電子二極管、70000個(gè)電阻、10000個(gè)電容器、1500個(gè)繼電器、6000多個(gè)開(kāi)關(guān)。

晶體管是作為電子管的取代品而出現(xiàn)的。

晶體管使用硅、鍺、氮化鎵和碳化硅等半導(dǎo)體材料制成，可以簡(jiǎn)單理解為一種利用電信號(hào)控制開(kāi)合的微型開(kāi)關(guān)，其開(kāi)關(guān)速度非常快，超過(guò)1000億次/秒。

硅、鍺等本身是絕緣體，但當(dāng)加入某些材料并施加電場(chǎng)時(shí)，就會(huì)變得導(dǎo)電。比如，將四價(jià)硅摻雜加入少量三價(jià)硼和五價(jià)磷做出PN結(jié)（晶體管工作的基本結(jié)構(gòu)），再加上金屬氧化物做個(gè)控制門(mén)，就能做成某類(lèi)晶體管。

海量晶體管密集排列，按特定設(shè)計(jì)互相連接，就是芯片。比如，12寸晶圓的直徑是約300毫米，面積是70659平方毫米。先進(jìn)芯片的晶體管密度能達(dá)到1平方毫米1億個(gè)，整個(gè)芯片有上百億個(gè)晶體管。

摩爾定律的本質(zhì)目標(biāo)就是在單位面積的芯片上容納更多的晶體管，從而實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的運(yùn)算性能。

芯片的整個(gè)制造流程可以分解為晶圓制造、集成電路設(shè)計(jì)、芯片制造和芯片封測(cè)四個(gè)環(huán)節(jié)。

沙子被提純成高純度硅，冷卻后成為硅錠，然后切片、清洗、拋光成硅晶圓（wafer）。在晶圓上沉積（半）導(dǎo)體或隔離材料薄膜（光刻膠），然后通過(guò)特定波長(zhǎng)的光照射，將掩膜版上的集成電路圖形轉(zhuǎn)移到硅片的光刻膠層，然后再通過(guò)刻蝕把圖形轉(zhuǎn)移到襯底上，做出裸芯片（die）——這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)為“光刻”。再對(duì)die進(jìn)行加蓋、加引腳、封裝、測(cè)試——這幾步的難度相對(duì)較低。

實(shí)際上整個(gè)光刻過(guò)程，總共需要經(jīng)歷沉積、旋轉(zhuǎn)涂膠、軟烘、對(duì)準(zhǔn)與曝光、后烘、顯影、堅(jiān)膜烘焙、顯影檢測(cè)等8道工序。

具體來(lái)說(shuō)，第一步需要進(jìn)行清洗、脫水和硅片表面成底膜處理，以便增強(qiáng)硅片和光刻膠之間的粘附性（氣相成底膜技術(shù)）。成底膜處理后，通過(guò)旋轉(zhuǎn)涂膠的方法涂上光刻膠材料。涂膠后進(jìn)行軟烘，用以去除光刻膠中的溶劑。將掩膜版和硅片精確對(duì)準(zhǔn)，然后進(jìn)行曝光處理。曝光后需要對(duì)硅片再次烘焙，這樣做可以使之后的化學(xué)反應(yīng)更加充分，從而提高顯影后的圖形尺寸和分辨率。

通過(guò)旋轉(zhuǎn)、噴霧、浸潤(rùn)等方式，利用化學(xué)顯影劑溶解光刻膠上的可溶解區(qū)（一般是曝光環(huán)節(jié)中被光照射過(guò)的區(qū)域），將電路圖形留在硅片表面，即顯影——這一步非常關(guān)鍵。

顯影后通過(guò)熱烘揮發(fā)掉存留的光刻膠溶劑，提高光刻膠對(duì)硅片表面的粘附性（堅(jiān)膜烘焙）。檢查顯影后的電路圖是否完美無(wú)缺。檢測(cè)合格后繼續(xù)進(jìn)行刻蝕、離子注入、去膠等步驟，并視需要重復(fù)光刻步驟，最終建立芯片的“摩天大樓”。

芯片制造屬于半導(dǎo)體制造的前道工藝，對(duì)應(yīng)的半導(dǎo)體制造設(shè)備（前道設(shè)備）主要有光刻機(jī)、刻蝕機(jī)、薄膜沉積設(shè)備、離子注入機(jī)、CMP設(shè)備、清洗機(jī)、前道檢測(cè)設(shè)備和氧化退火設(shè)備，覆蓋從光片到晶圓的成百上千道工序，直接決定了芯片制造工藝的質(zhì)量。芯片封裝和測(cè)試是后道工藝，對(duì)應(yīng)的后道設(shè)備主要分為測(cè)試設(shè)備和封裝設(shè)備。

實(shí)際上，光刻機(jī)可以分為前道光刻機(jī)和后道光刻機(jī)。

前道光刻機(jī)用于芯片的制造，曝光工藝極其復(fù)雜，后道光刻機(jī)主要用于封裝測(cè)試，實(shí)現(xiàn)高性能的先進(jìn)封裝，技術(shù)難度相對(duì)較小。

從晶圓制造廠資本開(kāi)支來(lái)看，集成電路制造設(shè)備投資一般占集成電路制造領(lǐng)域資本性支出的70%～80%，且隨著工藝制程的提升，設(shè)備投資占比也將相應(yīng)提高。典型的集成電路制造設(shè)備投資中，氧化爐、涂膠顯影機(jī)、光刻機(jī)、刻蝕機(jī)、薄膜沉積設(shè)備、離子注入設(shè)備、測(cè)試設(shè)備、拋光設(shè)備、清洗設(shè)備等前道工藝設(shè)備投資額占比較高（80%），后道工藝的封裝測(cè)試設(shè)備投資額占比為20%。

其中，光刻機(jī)占前道設(shè)備投資的23%左右，是整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈最昂貴的單體設(shè)備。如果考慮到光刻工藝步驟中的光刻膠、光刻氣體、掩膜版、涂膠顯影設(shè)備等諸多配套設(shè)施和材料投資，整個(gè)光刻工藝占芯片成本的30%左右。隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，重復(fù)步驟數(shù)增多，先進(jìn)芯片需要進(jìn)行20～30次光刻，光刻工藝的耗時(shí)可以占到整個(gè)晶圓制造時(shí)間的40%～50%。

目前，全球的光刻機(jī)市場(chǎng)被荷蘭阿斯麥（ASML）、日本佳能（Canon）和尼康（Nikon）三大巨頭壟斷。

ASML是絕對(duì)的龍頭，市占率超過(guò)60%，在當(dāng)前最主流的DUV浸入式光刻機(jī)市場(chǎng)占據(jù)了最大的份額，同時(shí)獨(dú)家壟斷了頂級(jí)的EUV光刻機(jī)市場(chǎng)。尼康在中高端光刻機(jī)也有一定市占，佳能則集中在低端區(qū)域。2024年，ASML、Nikon、Canon的光刻機(jī)出貨達(dá)683臺(tái)，銷(xiāo)售金額約264億美元。EUV、ArFi、ArF三個(gè)高端機(jī)型共出貨212臺(tái)，其中ASML占比90%以上(201臺(tái)）。

光刻機(jī)是半導(dǎo)體設(shè)備中最昂貴、最關(guān)鍵但也是國(guó)產(chǎn)化率最低的環(huán)節(jié)。

按照光源劃分，市面上主流的光刻機(jī)可分為g-line、i-line、KrF、ArF、EUV五種，其中g(shù)-line逐漸走向邊緣。國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)主要集中在90nm制程的單工件臺(tái)干式DUV（KrF、ArF）光刻機(jī)，且主要用于芯片的后道封測(cè)。

光刻產(chǎn)業(yè)鏈的高度復(fù)雜性主要體現(xiàn)在兩點(diǎn)——

一是作為光刻核心設(shè)備的光刻機(jī)組件復(fù)雜，包括光源系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、物鏡系統(tǒng)、浸入式系統(tǒng)、雙工件臺(tái)等在內(nèi)的組件技術(shù)全球只有極少數(shù)幾家公司能夠掌握。ASML也不是一家就能造EUV，需要多家頂尖企業(yè)相互配合才可以完成。

二是與光刻機(jī)配套的光刻膠、光刻氣體、掩膜版等半導(dǎo)體材料和涂膠顯影設(shè)備等同樣要求很高的技術(shù)含量。比如，寬譜g/i/h線光刻膠基本完成國(guó)產(chǎn)替代，但高端KrF、ArF和EUV光刻膠基本被美國(guó)和日本的企業(yè)壟斷，韓國(guó)企業(yè)占一點(diǎn)比重，中國(guó)大陸基本依靠進(jìn)口。

01

瑞利準(zhǔn)則：光刻的基礎(chǔ)物理原理

光刻的過(guò)程是特定波長(zhǎng)的光線穿過(guò)光掩膜版再通過(guò)透鏡，將掩膜版上的集成電路圖形成像到晶圓表面。我們知道，光在均勻介質(zhì)中直線傳播，所以理想的成像系統(tǒng)，點(diǎn)光源通過(guò)透鏡后所成的像依然是一個(gè)完美的點(diǎn)。

但實(shí)際的光學(xué)系統(tǒng)中的透鏡具有一定的孔徑，光穿過(guò)透鏡后會(huì)發(fā)生衍射，因此所成的像并不是一個(gè)點(diǎn)，而是一個(gè)“艾里斑”，能夠區(qū)分兩個(gè)光斑的最小距離，就是分辨率。分辨率在芯片制造中體現(xiàn)為投影光學(xué)系統(tǒng)在晶圓上可實(shí)現(xiàn)的最小線寬。

由于芯片越做越小，芯片上集成的晶體管越來(lái)越多，元件線路越來(lái)越密集，因此，光刻機(jī)需要達(dá)到更高的分辨率。光刻分辨率是光刻曝光系統(tǒng)最重要的技術(shù)指標(biāo)，由光源波長(zhǎng)、數(shù)值孔徑、光刻工藝因子決定，即瑞利準(zhǔn)則（也稱(chēng)為瑞利第一公式）。

瑞利準(zhǔn)則指衍射極限系統(tǒng)中的分辨率極限。可以用以下公式表示：

CD=k1?λ/NA

其中，CD（Critical Dimension）表示集成電路制程中的特征尺寸，即分辨率，λ為光源波長(zhǎng)，NA（Numerical Aperture）是光學(xué)器件的數(shù)值孔徑。k1為光刻工藝和材料相關(guān)的常數(shù)因子。

阿斯麥（ASML）認(rèn)為，單次曝光中k1的物理極限為0.25。但通過(guò)組合使用計(jì)算光刻、多重圖形等分辨率增強(qiáng)技術(shù)，光刻工藝因子已突破其理論極限0.25。數(shù)值孔徑的計(jì)算公式為：

NA=n*sinα

指透鏡與晶圓之間介質(zhì)的折射率（n）和半孔徑角（α）的正弦乘積。孔徑角（2α）是指透鏡光軸上的物體點(diǎn)與物鏡前透鏡的有效直徑所形成的角度，它定義了可以收集多少光。在其他條件一定的情況下，更大的透鏡直徑允許更大的入射角，從而增加數(shù)值孔徑。因此，光刻機(jī)的透鏡最好在工藝能力允許的前提下盡可能做大一些。

孔徑角與透鏡的有效直徑成正比，但與焦深（DoF）成反比。在光刻中，在透鏡的焦點(diǎn)周?chē)鷷?huì)有一個(gè)范圍，在這個(gè)范圍內(nèi)的光刻膠能夠清晰地曝光，如果超出這個(gè)范圍，曝光的圖像就會(huì)模糊，導(dǎo)致圖案轉(zhuǎn)移不均勻。

DoF是指在保持曝光成像質(zhì)量的前提下，晶圓表面可以上下移動(dòng)的距離，可以通俗理解為光刻的深度。焦深越大，層間誤差越小。

焦深的計(jì)算公式（也稱(chēng)為瑞利第二公式）為：

顯然，焦深也限制了NA的無(wú)限擴(kuò)大。因此，在光源波長(zhǎng)一定的情況下，可以通過(guò)增大數(shù)值孔徑減小分辨率，但需要和DoF折中考慮。

02

技術(shù)演進(jìn)：追尋光刻的最優(yōu)參數(shù)

瑞利準(zhǔn)則決定光刻機(jī)的技術(shù)路線有三個(gè)主要的突破方向：縮短光源波長(zhǎng)，增大數(shù)值孔徑，降低工藝因子。

對(duì)這三方面技術(shù)的突破，對(duì)應(yīng)了光刻機(jī)的迭代。

（一）縮短光源波長(zhǎng)

光源波長(zhǎng)方面，主要經(jīng)歷了g-line，i-line，KrF，ArF，（F2），EUV五種，波長(zhǎng)由436nm縮短至13.5nm，對(duì)應(yīng)的芯片制程從800nm縮短至3nm。

一代和二代光刻機(jī)的光源來(lái)自高壓汞燈，對(duì)應(yīng)制程主要集中在0.8μm-0.25μm，即800-251nm（注：1μm=1000nm）。

高壓汞燈是一種氣體放電的電光源，橄欖型燈泡內(nèi)密封有一個(gè)放電管、兩個(gè)金屬電極，并充有汞和氬氣。汞燈工作時(shí)，初始啟動(dòng)時(shí)是低壓汞蒸氣和氬氣放電，放電產(chǎn)生的熱量使得汞蒸氣升壓，電弧收縮，高壓汞蒸氣產(chǎn)生電離激發(fā)，汞原子最外層的電子、原子和離子間產(chǎn)生碰撞而發(fā)光。高壓汞燈光線的主要輻射范圍為254-579nm譜線。365nm和436nm光源分別是高壓汞燈中能量最高，波長(zhǎng)最短的兩個(gè)譜線。使用濾波器可以把紫外光i-line（365nm）或g-line（436nm）分離出來(lái)，作為第一、二代光刻機(jī)的光源。

三代和四代光刻機(jī)的光源主要是KrF（248nm）和ArF（193nm）準(zhǔn)分子激光器，對(duì)應(yīng)制程在65nm-350nm。

準(zhǔn)分子激光技術(shù)始于上世紀(jì)60年代，光源工作介質(zhì)一般為稀有氣體及鹵素氣體，并充入惰性氣體作為緩沖劑，工作氣體受到放電激勵(lì)，在激發(fā)態(tài)形成短暫存在的“準(zhǔn)分子”，準(zhǔn)分子產(chǎn)生輻射躍遷，形成紫外激光輸出。不同的介質(zhì)氣體產(chǎn)生Kr2/Ar2/XeF/KrF/ArF/XeCl等激光輻射。

氟化氪（KrF）、氟化氬（ArF）準(zhǔn)分子激光器由于在輸出能量、波長(zhǎng)、線寬、穩(wěn)定性等方面的優(yōu)勢(shì)，成為最重要的紫外和深紫外波段的激光光源，被用于光刻領(lǐng)域。

目前使用最廣泛的深紫外光刻機(jī)（Deep Ultraviolet Lithography，DUV）一般采用ArF光源，加入浸入式技術(shù)的光刻機(jī)被稱(chēng)為ArFi光刻機(jī)（多出的這個(gè)i代表加入了浸入式技術(shù)），加入浸入式技術(shù)并通過(guò)多重曝光技術(shù)最高可以實(shí)現(xiàn)7nm制程。

第五代也是最新一代光刻機(jī)的光源為EUV（13.5nm），極紫外光（Extreme Ultraviolet Lithography，EUV）本質(zhì)不是激光，而是等離子體輻射光源（LPP），但其產(chǎn)生過(guò)程需要使用高功率激光器轟擊金屬錫（Sn）。

EUV光刻機(jī)對(duì)應(yīng)制程為1-7nm，ASML是目前全球唯一的EUV光刻機(jī)供應(yīng)商。

目前已知有4種方案可以獲得EUV光源，分別是激光激發(fā)等離子體技術(shù)（LPP）、氣體放電等離子技術(shù)（DPP）、激光輔助放電技術(shù)（LDP）、穩(wěn)態(tài)微聚束技術(shù)（SSMB）。

全球只有ASML子公司Cymer和日本Gigaphoton兩家企業(yè)可以生產(chǎn)EUV光源（但這兩家企業(yè)也需要其它企業(yè)提供核心部件），使用的都是主流的LPP技術(shù)。LPP技術(shù)是使用20kW以上的高功率二氧化碳（CO2）激光器在真空腔內(nèi)連續(xù)兩次精準(zhǔn)轟擊從發(fā)生器中以每秒5萬(wàn)次的頻率被噴射出來(lái)直徑20μm的高純度Sn靶。

第一次轟擊使用低強(qiáng)度的預(yù)脈沖撞擊圓形錫滴使其膨脹，變成薄餅型。由于薄餅錫受光面積大，光強(qiáng)增大。然后第二次高強(qiáng)度的主脈沖以全功率撞擊薄餅錫，錫原子被電離，產(chǎn)生高溫、高密度的等離子體云，就在這團(tuán)等離子體冷卻衰變的極短瞬間，錫離子會(huì)釋放出波長(zhǎng)為13.5納米的極紫外光子。收集鏡捕獲等離子體發(fā)出的EUV輻射（13.5nm），將其集中起來(lái)傳遞至曝光系統(tǒng)。

現(xiàn)存商用型EUV光刻機(jī)的極紫外光源在600w左右，但是由于轉(zhuǎn)化效率低，最終只有2%～4%最終轉(zhuǎn)化為有用的13.5nm EUV光，其余能量即為廢熱。

如果要提升功率，則需要在單位時(shí)間內(nèi)提升高純度Sn的噴射速度和激光命中次數(shù)。文章開(kāi)頭提到的ASML此次的技術(shù)創(chuàng)新，實(shí)際上就是實(shí)現(xiàn)了在Sn滴噴射頻率倍增（10萬(wàn)次）的情況下，通過(guò)重構(gòu)激光脈沖策略保證命中準(zhǔn)確率，進(jìn)而提高EUV光源功率。這實(shí)際上是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，涉及在極高頻率下保持錫滴大小、位置和速度的極度均一、熱管理、錫碎片的清理以及光學(xué)元件的保護(hù)等等。

從瑞利準(zhǔn)則可以推斷，縮短光源波長(zhǎng)是提高分辨率最直接的方法，但光源發(fā)展到ArF（193nm）時(shí)，光源迭代速度放緩，ASML、Canon、Nikon等巨頭開(kāi)始將目光轉(zhuǎn)向提高數(shù)值孔徑，并出現(xiàn)了F2（光源演進(jìn)）與ArF+immersion（增大NA）的路線之爭(zhēng)。

（二）增大數(shù)值孔徑

數(shù)值孔徑方面，當(dāng)物鏡直徑面臨瓶頸時(shí)，采用非球面元件、浸沒(méi)式裝置、引入反射元件減小折射角度，也可以進(jìn)一步增大數(shù)值孔徑（NA）。

光刻技術(shù)經(jīng)過(guò)了接觸式、接近式、投影式三次迭代。20世紀(jì)60年代的接觸式光刻技術(shù)適用于小規(guī)模集成電路（分辨率在亞微米級(jí)），單次曝光整個(gè)襯底，且接觸式光刻的掩膜版與晶圓表面直接接觸，很容易產(chǎn)生劃痕，降低晶圓良率和掩膜版的使用壽命。

為解決上述問(wèn)題，20世紀(jì)70年代產(chǎn)生了接近式光刻技術(shù)，晶圓和掩膜版之間留有間隙且以氮?dú)馓畛洹ｋm然解決了劃痕的問(wèn)題，但光由玻璃介質(zhì)進(jìn)入氣體介質(zhì)，會(huì)發(fā)生衍射。衍射效應(yīng)改變了光的角度，限制了分辨率極限（2μm）。

另外，對(duì)于接觸式和接近式光刻技術(shù)，掩膜版圖形和晶圓尺寸是1:1的關(guān)系，限制了線寬。

20世紀(jì)70年代中后期，出現(xiàn)了投影式光刻技術(shù)。投影式光刻可以借助物鏡投影成像，縮小投影尺寸，進(jìn)一步提高分辨率。

但投影式光刻依然面臨衍射效應(yīng)，線寬越低，受衍射效應(yīng)影響越大。因此，需要增大投影物鏡直徑來(lái)提升入射角（α），從而擴(kuò)大數(shù)值孔徑（NA）來(lái)接受更多的光。但當(dāng)線寬小于65nm時(shí)，物鏡直徑已經(jīng)增大到導(dǎo)致物鏡內(nèi)聚焦的光角度越來(lái)越大，再經(jīng)過(guò)折射效應(yīng)（n），射出投影物鏡的光角度接近水平，無(wú)法在晶圓表面成像。引入非球面結(jié)構(gòu)后，在不改變物鏡口徑的情況下改變了折射角度，將NA提升至0.9，接近（干式光刻的）物理極限。

此時(shí)，Nikon選擇著重攻克波長(zhǎng)更短的F2（157nm）光源，但透鏡材料僅能用氟化鈣（CaF2），光刻膠也需要重新研制，研發(fā)成本和產(chǎn)業(yè)換代應(yīng)用的成本都很高。ASML則采用臺(tái)積電（研發(fā)副總林本堅(jiān)）的建議：放棄突破157nm，退回到技術(shù)成熟的ArF（193nm）光源，在投影物鏡和晶圓間加純水，從而增大介質(zhì)折射率，由于水對(duì)193nm光的折射率高達(dá)1.44（空氣=1），那么波長(zhǎng)可縮短為193/1.44=134nm＜F2（157nm），NA值達(dá)到1.07。此后又進(jìn)一步引入反射鏡，采用折反式光學(xué)系統(tǒng)，配合浸沒(méi)式，將NA提升到1.35（極限值）。

所以，增大NA的技術(shù)路徑發(fā)展趨勢(shì)為（干式）球面鏡、非球面鏡、（浸沒(méi)式）非球面鏡、折返式。

浸入式技術(shù)原理雖然看起來(lái)簡(jiǎn)單易懂，但從理論構(gòu)思到工業(yè)應(yīng)用，需要攻克氣泡消除、水漬控制、水溫溫控、光刻膠設(shè)計(jì)等技術(shù)難關(guān)，需要深厚的流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)積累，對(duì)顆粒、溶解氧、溫度、離子等進(jìn)行控制，保證水質(zhì)、溫度和壓力。

Nikon光刻機(jī)主要集中于DUV光刻機(jī)（干式和浸入式），也是全球除了ASML以外唯一能生產(chǎn)浸入式光刻機(jī)的廠商。

當(dāng)然，按照數(shù)值孔徑的計(jì)算公式（NA=n*sinα），理論上通過(guò)研究新的光學(xué)材料和浸沒(méi)液可以通過(guò)改變折射率和入射角進(jìn)一步提高NA，但深紫外光和極紫外光的波長(zhǎng)太短且光子能量很高，很容易被光學(xué)材料和浸入液吸收，可用作透鏡的材料有限，當(dāng)前的方案主要有熔融石英（Fused silica）和氟化鈣（CaF2），熔融石英技術(shù)成熟且熱膨脹系數(shù)低，是DUV的首選，CaF2加工難度大、成本高，但會(huì)在鏡頭特定位置添加CaF2校正系統(tǒng)色差。

（三）降低工藝因子

ASML原來(lái)認(rèn)為單次曝光中k1的物理極限為0.25。但通過(guò)組合使用計(jì)算光刻、離軸照明、相移掩膜等分辨率增強(qiáng)技術(shù)（RET），k1已突破0.25。

衍射效應(yīng)導(dǎo)致成像模糊，如果想要得到清晰的電路，就需要對(duì)光路上的組成部分做修改，因此，掩膜版圖形與芯片上最終成型的晶體管、器件、互聯(lián)線路圖形并非一一對(duì)應(yīng)。比如，光刻一個(gè)簡(jiǎn)單的“十”字，掩膜版的圖形可能復(fù)雜到像人類(lèi)大腦的剖面圖。沒(méi)有強(qiáng)大的計(jì)算光刻能力，很難實(shí)現(xiàn)這樣復(fù)雜的掩模版設(shè)計(jì)。

通過(guò)改進(jìn)光源系統(tǒng)和掩膜圖形，盡可能消除圖像失真，進(jìn)而提高分辨率的過(guò)程，就是計(jì)算光刻。

常見(jiàn)的計(jì)算光刻技術(shù)包括光學(xué)鄰近效應(yīng)修正（OPC）、亞分辨率輔助（SRAF）、光源－掩膜協(xié)同優(yōu)化技術(shù)（SMO）、多重圖形技術(shù)（MPT）、反演光刻技術(shù)（ILT）等，涉及電磁物理、光化學(xué)、計(jì)算幾何、迭代優(yōu)化和分布式計(jì)算等復(fù)雜計(jì)算。

在2023年開(kāi)發(fā)者大會(huì)上（GPU Technology Conference,GTC）上，英偉達(dá)（NVIDIA）、臺(tái)積電（TSMC）、阿斯麥和新思科技（Synopsys）聯(lián)合宣布，完成全新的人工智能（AI）加速計(jì)算光刻技術(shù)軟件庫(kù)cuLitho。cuLitho的核心是一組并行算法，計(jì)算光刻工藝的所有部分都可以并行運(yùn)行。已知軟件庫(kù)中有多項(xiàng)用于實(shí)現(xiàn)不同功能的技術(shù)，如cuDOP用于衍射光學(xué)，cuCompGeo用于計(jì)算幾何，cuOASIS用于優(yōu)化，cuHierarchy用于AI。

英偉達(dá)稱(chēng)，基于GPU的cuLitho計(jì)算光刻技術(shù)，其性能比當(dāng)前光刻技術(shù)工藝提高了40倍以上，原來(lái)需要4萬(wàn)個(gè)CPU系統(tǒng)才能完成的工作，現(xiàn)在僅需用500個(gè)GPU（NVIDIA DGX H100）系統(tǒng)即可完成，使用cuLitho的晶圓廠每天的光掩模產(chǎn)量可增加3-5倍，而耗電量可以比當(dāng)前配置降低9倍。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，cuLitho將帶來(lái)更好的設(shè)計(jì)規(guī)則、更高的密度和產(chǎn)量，以及AI驅(qū)動(dòng)的光刻技術(shù)，不僅使晶圓廠能夠提高產(chǎn)量、減少碳足跡，還能為2nm及更高工藝的High-NA EUV光刻工藝奠定基礎(chǔ)。

有意思的是，芯片是人工智能的算力底座，如今，AI技術(shù)又被應(yīng)用在芯片設(shè)計(jì)中，反過(guò)來(lái)促進(jìn)了算力水平的提升。

除計(jì)算光刻外，離軸照明技術(shù)（OAI）通過(guò)采用特殊光源將正入射光轉(zhuǎn)換為斜入射光，使得同等數(shù)值孔徑可以容納更多的高階光，從而曝光更小尺寸結(jié)構(gòu)以提高分辨率。當(dāng)兩個(gè)光源進(jìn)行成像時(shí)會(huì)在重合部分產(chǎn)生干涉效應(yīng)，使光強(qiáng)增大，導(dǎo)致兩個(gè)光源不能有效地區(qū)分開(kāi)，相移掩膜技術(shù)（PSM）通過(guò)改變掩膜結(jié)構(gòu)對(duì)其中一個(gè)光源進(jìn)行180度相移，兩處光源產(chǎn)生的光會(huì)產(chǎn)生相位相消，光強(qiáng)相消，可以區(qū)分開(kāi)兩個(gè)光源，從而提高分辨率。

上述三個(gè)方向的技術(shù)演進(jìn)，一直支撐著光刻機(jī)的代際迭代。

目前占據(jù)市場(chǎng)主流的依然是DUV光刻機(jī)，浸入式DUV光刻機(jī)的單次曝光主要生產(chǎn)28nm及以上制程的芯片，ArFi+雙重曝光可以生產(chǎn)22/20/16/14nm，多重曝光可以生產(chǎn)7nm甚至5nm制程。但當(dāng)制程微縮至10nm及以下時(shí)，多重曝光大幅增加了光刻、刻蝕、沉積等工藝的復(fù)雜度，也帶來(lái)良率損失的風(fēng)險(xiǎn)，使得晶圓光刻成本增加2-3倍。實(shí)際上，在22nm節(jié)點(diǎn)之后，DUV已經(jīng)很難再實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，只能重新開(kāi)發(fā)新的極紫外光源（13.5nm）。而隨著EUV光刻機(jī)的出現(xiàn)，芯片制程最小可以達(dá)到3nm。

下一代光刻機(jī)又回到了提升數(shù)值孔徑的路線，標(biāo)準(zhǔn)的EUV光刻機(jī)的數(shù)值孔徑是0.33。目前ASML正在研發(fā)High-NA EUV光刻機(jī)（Twinscan NXE:5000/5200）的數(shù)值孔徑為0.55，制程可達(dá)2nm、1.8nm，在分辨率和套刻精度上的性能表現(xiàn)將比目前的EUV系統(tǒng)高70%，即將量產(chǎn)。

雖然業(yè)界已經(jīng)在討論超數(shù)值孔徑（Hyper-NA，NA>0.7）的EUV光刻機(jī)，但技術(shù)難度和制造成本都將極高，產(chǎn)業(yè)化的可能性不大。

03

結(jié)構(gòu)拆解：ASML的EUV光刻機(jī)

ASML是全球唯一能夠生產(chǎn)EUV光刻機(jī)的公司，通過(guò)對(duì)ASML的EUV光刻機(jī)進(jìn)行粗略的拆解，可以直觀呈現(xiàn)光刻機(jī)的模塊構(gòu)成進(jìn)而透視其技術(shù)難點(diǎn)。

EUV光刻機(jī)共有約10萬(wàn)個(gè)零件，重達(dá)180噸，包含晶圓輸運(yùn)系統(tǒng)、雙工作臺(tái)、掩膜版輸運(yùn)系統(tǒng)、系統(tǒng)測(cè)量與校正系統(tǒng)、曝光系統(tǒng)、浸沒(méi)系統(tǒng)、物鏡系統(tǒng)、光源系統(tǒng)、光柵系統(tǒng)、減震系統(tǒng)等十幾個(gè)模塊。從技術(shù)原理來(lái)看，光刻機(jī)的三大核心，分別是光源系統(tǒng)、物鏡系統(tǒng)、雙工作臺(tái)。

值得申明的是，EUV整機(jī)的10萬(wàn)個(gè)零部件由分布在全球的5000多家供應(yīng)商提供，其中約90%的關(guān)鍵設(shè)備來(lái)自外國(guó)而非荷蘭本土，ASML實(shí)質(zhì)上只負(fù)責(zé)光刻機(jī)設(shè)計(jì)與模塊集成。

（一）光源系統(tǒng)

深紫外光是準(zhǔn)分子光源，由激光器產(chǎn)生，極紫外光本質(zhì)是等離子體輻射光源，不能由準(zhǔn)分子激光器產(chǎn)生。ASML采用的是主流的激光激發(fā)等離子體（LPP）技術(shù)，即由高能激光兩次精準(zhǔn)轟擊Sn靶激發(fā)高強(qiáng)度的等離子體，收集并捕獲等離子體發(fā)出的13.5nm EUV輻射，將其集中起來(lái)傳遞至曝光系統(tǒng)。

所以，EUV光源系統(tǒng)由光的產(chǎn)生、光的收集和傳輸、光譜的純化與均勻化三大單元組成。

第一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)是制造高功率光源。

極紫外光刻需要光源功率至少達(dá)到250w，倒推激光器的激發(fā)功率要達(dá)到20kW以上。目前能提供EUV光源的僅有ASML子公司Cymer和日本Gigaphoton，二者均使用基于電調(diào)制種子源加多級(jí)功率放大器的納秒脈沖光纖激光器（Master Oscillator Power-Amplifier,MOPA）和預(yù)脈沖相結(jié)合的方案轟擊Sn靶。Cymer使用通快激光放大器，Gigaphoton使用三菱電機(jī)生產(chǎn)的放大器，結(jié)構(gòu)和原理類(lèi)似。

與傳統(tǒng)的固體和氣體激光器相比，光纖激光器的轉(zhuǎn)換效率更高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，光束質(zhì)量高（有助于降低衍射效應(yīng)），體積小，散熱效果更好，使用壽命更長(zhǎng)等特點(diǎn)。

第二個(gè)技術(shù)難點(diǎn)在于光的收集和均化。

首先，EUV的波長(zhǎng)為13.5nm，很容易被包括鏡頭玻璃在內(nèi)的材料吸收，所以需要使用反射鏡來(lái)代替透鏡。普通打磨鏡面的反射率不夠高，必須使用布拉格反射器（Bragg Reflector），它是一種復(fù)式鏡面設(shè)計(jì)，可以將多層的反射集中成單一反射。其次，空氣也會(huì)吸收EUV并影響折射率，所以光路通過(guò)的腔體必須是真空狀態(tài)。最后，保證分辨率還需要對(duì)光進(jìn)行均勻化。ASML采用的是FlexRay照明器，由能量均衡組件、光束分割組件、微反射鏡陣列和傅里葉變換鏡組組成，本質(zhì)上是一個(gè)微光機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems,MOEMS），核心器件是一組（64×64個(gè)）場(chǎng)鏡和光瞳鏡，均為可轉(zhuǎn)動(dòng)的微反射鏡陣列（MMA），通過(guò)改變每一個(gè)反射鏡的角位置改變照明光瞳，最后出來(lái)的光就被均勻化了。照明系統(tǒng)共約1.5萬(wàn)個(gè)組件，重1.5噸。

第三個(gè)技術(shù)難點(diǎn)在于光源的穩(wěn)定傳輸。

使激光束以極大功率穩(wěn)定傳輸?shù)恼彰飨到y(tǒng)非常復(fù)雜。以通快（TRUMPF）的激光器為例，核心組件有高功率種子模塊、由4—5個(gè)諧振腔組成的高功率放大鏈路、光束傳輸系統(tǒng)和光學(xué)平臺(tái)。放大器將幾瓦的CO2激光脈沖連續(xù)放大10000倍以上，達(dá)到40kW。從種子光發(fā)生器到Sn靶的整個(gè)照明系統(tǒng)有500多米的光路，對(duì)所有零部件的要求都非常苛刻。

另外，EUV在照明系統(tǒng)中的每一次反射都會(huì)損失約三成能量，經(jīng)過(guò)反射鏡陣列，最后到達(dá)晶圓的光線大概只能剩下2%左右。反射過(guò)程中被吸收的能量也必須用大功率散熱系統(tǒng)進(jìn)行冷卻。光源的穩(wěn)定性和聚光元件的保護(hù)也是巨大的挑戰(zhàn)，因?yàn)橛糜诩ぐl(fā)的激光器本身存在抖動(dòng)，激光與等離子體作用時(shí)產(chǎn)生的污染將會(huì)對(duì)光源聚光元件造成影響和破壞。

（二）物鏡系統(tǒng)

EUV從光源系統(tǒng)發(fā)出后，首先進(jìn)入照明系統(tǒng)，優(yōu)化光束，接著光穿過(guò)掩模版，再經(jīng)過(guò)投影物鏡，將掩模版上圖案聚焦成像在晶圓表面的光刻膠上。在早期的低分辨率光刻機(jī)中，物鏡結(jié)構(gòu)有全反射型、全折射型、折反射型、透射型等多種結(jié)構(gòu)。由于EUV波長(zhǎng)短、穿透性強(qiáng)，DUV所用的透射式系統(tǒng)無(wú)法使極紫外線偏折，故而物鏡系統(tǒng)中只能使用全反射的投影系統(tǒng)。全反射系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求光束相互避讓?zhuān)`差容忍度低，對(duì)光學(xué)元件加工的要求極高，其性能的高低直接決定了光刻機(jī)的分辨率和套刻精度。

2010年，ZEISS研發(fā)出全球第一套EUV光學(xué)系統(tǒng)，2012年量產(chǎn)。最新一代EUV光刻機(jī)投影物鏡約有2萬(wàn)個(gè)組件，重2噸。ZEISS是ASML光刻機(jī)所用透鏡、反射鏡、照明器、收集器和其他關(guān)鍵光學(xué)元件的全球唯一供應(yīng)商。

第一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)是原子級(jí)的平整度。

EUV光刻機(jī)的反射鏡最大直徑1.2米，面形精度峰谷值0.12納米，表面粗糙度20皮米（0.02納米），這意味著如果把鏡片放大到德國(guó)那么大，表面粗糙度也只有0.2毫米。

第二個(gè)技術(shù)難點(diǎn)是多層鍍膜工藝。

由于EUV能量很高，會(huì)引起反射鏡表面的化學(xué)反應(yīng)和損傷。所以，反射鏡需要高度純凈的材料和多層表面鍍膜，EUV物鏡的鍍膜由鉬和硅的交替納米層制作，最高達(dá)100層，且多層膜厚度誤差在0.025納米（原子級(jí)別）。鍍膜工藝由蔡司（ZEISS）與弗朗霍夫應(yīng)用光學(xué)與精密工程研究所（Fraunhofer IOF）共同研發(fā)。

第三個(gè)技術(shù)難點(diǎn)是真空潔凈度要求。

由于絕對(duì)的平整度要求，任何環(huán)境中的微小顆粒都會(huì)對(duì)工藝質(zhì)量造成極大破壞，所以整套系統(tǒng)要求極高的真空潔凈度，蔡司（ZEISS）位于奧伯科亨（Oberkochen）的總部實(shí)驗(yàn)室能達(dá)到該要求。

第四個(gè)技術(shù)難點(diǎn)是浸入式技術(shù)。

EUV目前主要采用局部浸入式，即在投影物鏡最后一個(gè)透鏡的下表面與光刻膠之間充滿(mǎn)高折射率的液體（純水），并保證水隨著光刻機(jī)在晶圓表面做掃描運(yùn)動(dòng)，其好處是對(duì)系統(tǒng)的改造小，工件臺(tái)與干式系統(tǒng)相同，并可以保留原有的對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)和調(diào)平調(diào)焦系統(tǒng)。不過(guò)，仍需要克服浸潤(rùn)液氣泡、鏡頭表面腐蝕、套刻精度受限等技術(shù)難題。目前只有ASML和尼康兩家公司掌握浸入式技術(shù)。

此前EUV光刻機(jī)的上市時(shí)間不斷被延后，主要有兩大方面的原因，一是所需的光源功率遲遲無(wú)法達(dá)到250w的工作功率需求；二是光學(xué)透鏡、反射鏡系統(tǒng)對(duì)于光學(xué)精度的要求極高，生產(chǎn)難度極大。物鏡的制作不僅需要采用精度最高的打磨機(jī)和最細(xì)的鏡頭磨料，還需要頂級(jí)的“技術(shù)工人”。在光學(xué)鏡頭的生產(chǎn)工序中，僅光學(xué)表面成形拋光技術(shù)（Computer Controlled Optical Surface,CCOS）就有小磨頭拋光、應(yīng)力盤(pán)拋光、磁流變拋光、離子束拋光等高難度的超精密工序。高端光刻機(jī)整機(jī)價(jià)格超過(guò)3億美元，鏡頭的價(jià)值接近0.6億，成本占比相當(dāng)大。

上述兩方面的原因甚至使得ASML難以獨(dú)立支撐龐大的研發(fā)費(fèi)用支出，不得不在2012年向三星、臺(tái)積電、英特爾聯(lián)合體出售23%的股權(quán)，融資支持EUV光刻機(jī)的研發(fā)，并約定上述三家擁有優(yōu)先供貨權(quán)。

此后，ASML收購(gòu)了全球領(lǐng)先的準(zhǔn)分子激光器供應(yīng)商Cymer，并以10億歐元現(xiàn)金入股光學(xué)系統(tǒng)供應(yīng)商ZEISS，加速EUV光源和光學(xué)系統(tǒng)的研發(fā)進(jìn)程，這兩次并購(gòu)也是促成EUV光刻機(jī)研發(fā)成功的重要原因。

（三）雙工件臺(tái)

工件臺(tái)是承載晶圓的平臺(tái)，也被稱(chēng)為承片臺(tái)，由吸盤(pán)模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、導(dǎo)向模塊、位置測(cè)量模塊和運(yùn)動(dòng)控制模塊組成。承片臺(tái)上有真空吸盤(pán)用于固定硅片，宏動(dòng)模塊是承載微動(dòng)模塊的運(yùn)動(dòng)裝置，主要完成長(zhǎng)行程運(yùn)動(dòng)，微動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)納米精度的運(yùn)動(dòng)，共同完成硅片的定位和傳輸，超精密位移測(cè)量系統(tǒng)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)高精度位置測(cè)量和反饋。

早期的工件臺(tái)為單工件臺(tái)形式，單個(gè)工件臺(tái)串聯(lián)執(zhí)行上下片、測(cè)量、對(duì)準(zhǔn)和曝光等工序，產(chǎn)出效率較低。而2000年，ASML的雙工件臺(tái)（TWINSCAN）推向市場(chǎng)，采用“直線電機(jī)+氣浮導(dǎo)軌+激光干涉儀”的方案。

雙工件臺(tái)的基本運(yùn)行原理是兩個(gè)工件臺(tái)聯(lián)動(dòng)運(yùn)行，當(dāng)位于曝光工位的工件臺(tái)做曝光時(shí)，位于測(cè)量工位的工件臺(tái)提前完成上片、對(duì)準(zhǔn)、三維形貌測(cè)量等工序，之后兩個(gè)工件臺(tái)互換位置，如此循環(huán)。雙工件臺(tái)比單工件臺(tái)的效率提升3倍以上，也更能適應(yīng)浸入式光刻的需求，避免了物鏡系統(tǒng)與硅片間的水膜影響硅片測(cè)量的準(zhǔn)確性，提升了光刻精度。

2008年，新一代NXT平臺(tái)采用了創(chuàng)新型材料，并使用磁懸浮平面電機(jī)和平面光柵測(cè)量技術(shù)，生產(chǎn)效率再提高30%。

深紫外ArFi光刻機(jī)和EUV光刻機(jī)使用的都是新一代的NXE雙工件臺(tái)。

第一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)是高加速度。

目前投產(chǎn)的EUV光刻機(jī)（NXE:3600D），12寸晶圓的光刻生產(chǎn)速度為170片/小時(shí)以上，下一代NXE:3600E和NXE:4000F的吞吐量都將擴(kuò)容到220片/每小時(shí)，這意味著承片臺(tái)需要以高達(dá)7g的加速度高速移動(dòng)。7g的加速度意味著從0km/h加速到100km/h只要約0.4秒，而F1賽車(chē)需要2.5秒。

第二個(gè)技術(shù)難點(diǎn)是精確對(duì)準(zhǔn)。

EUV的套刻精度（芯片制造需要層層疊加，每次重疊的誤差稱(chēng)為套刻精度）要求是2nm以下。晶圓從傳送模組到承片臺(tái)的機(jī)械誤差高達(dá)數(shù)千nm。投影物鏡和晶圓表面的高低差累計(jì)也可達(dá)到500-1000nm。所以，每次曝光前，雙工件臺(tái)必須與計(jì)算光刻軟件結(jié)合，對(duì)每片晶圓做精密量測(cè)，截取到晶圓每一個(gè)區(qū)塊納米等級(jí)的微小誤差，在曝光階段進(jìn)行實(shí)時(shí)校正。目前能夠掌握該項(xiàng)技術(shù)的只有ASML。

第三個(gè)技術(shù)難點(diǎn)是穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)。

EUV光刻機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制模塊可以做到吸收平衡晶圓平臺(tái)所施加于機(jī)座的反作用力，使整座機(jī)臺(tái)完全靜止。位置測(cè)量模塊采用平面光柵技術(shù)，兩個(gè)工件臺(tái)上分別布置4個(gè)光柵編碼器，具有4個(gè)面內(nèi)測(cè)量信息和4個(gè)面外垂向測(cè)量信息，利用8個(gè)位移測(cè)量信息得到六自由度位移，精度可以做到0.06nm。

總之，EUV光刻機(jī)幾乎逼近目前物理學(xué)、材料學(xué)以及精密制造的極限。所以EUV不僅是頂級(jí)精密制造的學(xué)問(wèn)，更以前沿科學(xué)研究為基礎(chǔ)。上海微電子裝備公司（SMEE）董事長(zhǎng)對(duì)EUV光刻機(jī)的精度有過(guò)形象的比喻：相當(dāng)于兩架大飛機(jī)從起飛到降落，始終齊頭并進(jìn)，一架飛機(jī)上伸出一把刀，在另一架飛機(jī)的米粒上刻字，還不能刻壞。

04

光刻機(jī)的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程

實(shí)際上，中國(guó)光刻機(jī)的實(shí)驗(yàn)室研制起步并不晚，早在70年代就研制出接觸式曝光系統(tǒng)，但產(chǎn)業(yè)化落地嚴(yán)重滯后。

為強(qiáng)化國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈自主研發(fā)能力，國(guó)務(wù)院于“十二五”規(guī)劃期間推出“極大規(guī)模集成電路制造裝備及成套工藝”重大專(zhuān)項(xiàng)，簡(jiǎn)稱(chēng)“02專(zhuān)項(xiàng)”，旨在突破集成電路制造裝備、材料、工藝、封測(cè)等核心技術(shù)，形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈和較強(qiáng)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)的主要企業(yè)為上海微電子（SMEE），上海微電子自主研發(fā)的90nm制程SSA600/20步進(jìn)掃描投影光刻機(jī)正是通過(guò)承擔(dān)“02專(zhuān)項(xiàng)”的“90nm光刻機(jī)樣機(jī)研制”項(xiàng)目。該光刻機(jī)于2018年3月面世，可滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)重要機(jī)構(gòu)使用需求，不受?chē)?guó)外限制。SSA600/20光刻機(jī)的核心零部件約占所有零部件的70%—80%，都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，剩下20%未國(guó)產(chǎn)化的部分主要是板卡等非核心零部件，如果有必要，隨時(shí)可以實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代。但SSA600/20的產(chǎn)能和良率較ASML還有較大差距，且主要用于集成電路的后道封測(cè)。

國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)還處于單工件臺(tái)干式DUV階段，光源主要是i-line、KrF和ArF。最新消息是上海微電子的28nm光刻機(jī)樣機(jī)已經(jīng)交付企業(yè)測(cè)試，實(shí)際制程對(duì)應(yīng)45nm左右。但樣機(jī)驗(yàn)收和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用是兩個(gè)概念。樣機(jī)驗(yàn)收只需要成功完成晶圓曝光即可。到工廠應(yīng)用，至少要兩年時(shí)間才能得到足夠的良率數(shù)據(jù)，如果一切順利，將良率調(diào)優(yōu)到90%以上可能還需要3—5年時(shí)間。ASML的光刻機(jī)發(fā)到臺(tái)積電，也需要兩年左右的時(shí)間安裝、調(diào)試，才能正式量產(chǎn)。另有消息說(shuō)某知名廠商通過(guò)購(gòu)買(mǎi)尼康的光刻機(jī)進(jìn)行改造，通過(guò)多重曝光技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了高制程芯片的量產(chǎn)，但具體細(xì)節(jié)不得而知。

光源方面，中國(guó)已經(jīng)可以制造高能準(zhǔn)分子激光器，甚至不乏一些國(guó)際市占率還不錯(cuò)的優(yōu)質(zhì)企業(yè)，有一些光學(xué)元件、激光器件也供貨ASML，TRUMPF，Lumentum等國(guó)際企業(yè)。不過(guò)，目前國(guó)內(nèi)的激光器還是在DUV光源，EUV光源研發(fā)則剛剛起步，僅有實(shí)驗(yàn)室級(jí)別的DPP-EUV光源。前段時(shí)間，清華大學(xué)提出了穩(wěn)態(tài)微聚束技術(shù)（SSMB）方案，也很有前景，但尚未得到產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。

物鏡方面，技術(shù)節(jié)點(diǎn)已經(jīng)突破90nm，反射鏡的面形精度PV可以做到30nm（ASML EUV PV<0.12nm），表面粗糙度可以做到0.5nm（ASML EUV表面粗糙度<30pm）。物鏡的真空腔體也可以自主制造。

雙工件臺(tái)仍處于實(shí)驗(yàn)室階段。產(chǎn)學(xué)合作研發(fā)的實(shí)驗(yàn)室階段的雙工件臺(tái)的運(yùn)動(dòng)精度已經(jīng)可以達(dá)到10nm，但還沒(méi)有正式的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。另外，目前的工件臺(tái)主要適配于干式光刻機(jī)，應(yīng)用于浸入式光刻機(jī)的工件臺(tái)仍在研發(fā)。

另外，國(guó)內(nèi)對(duì)整個(gè)多重曝光技術(shù)的掌握程度還比較低。多重曝光技術(shù)將原本一層光刻的圖形拆分到多個(gè)掩模上，利用光刻Litho和刻蝕Etch實(shí)現(xiàn)更小制程，可以在犧牲良率和產(chǎn)量的情況下生產(chǎn)更低制程的芯片，比如使用DUV光刻多重曝光可以實(shí)現(xiàn)7nm制程。

國(guó)內(nèi)光刻機(jī)當(dāng)前重點(diǎn)攻關(guān)的是浸入式ArFi光刻機(jī)（波長(zhǎng)等效134nm）。如果順利突破，這就意味著國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)邁進(jìn)DUV光刻機(jī)的高端行列。

05

突破路徑：ASML的啟示

（一）復(fù)盤(pán)ASML的歷史

1955年，貝爾實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始采用光刻技術(shù)。1961年，GCA公司制造出第一臺(tái)接觸式光刻機(jī)。20世紀(jì)80年代，尼康發(fā)布了第一臺(tái)商用步進(jìn)式光刻機(jī)NSR-1010G。1984年尼康與GCA各占據(jù)30%市場(chǎng)份額，同年ASML剛剛成立。

ASML從一個(gè)默默無(wú)聞的小公司逐步成長(zhǎng)為光刻機(jī)霸主的歷程發(fā)展歷史中有幾個(gè)里程碑事件。

1991年，ASML公司推出PAS 5500這一具有業(yè)界領(lǐng)先的生產(chǎn)效率和精度的光刻機(jī)。PAS 5500的模塊化設(shè)計(jì)使得同一個(gè)系統(tǒng)能夠生產(chǎn)多代先進(jìn)芯片。PAS 5500也為ASML帶來(lái)幾家關(guān)鍵的客戶(hù)，包括臺(tái)積電，三星和現(xiàn)代，這些客戶(hù)是公司后來(lái)實(shí)現(xiàn)盈利的關(guān)鍵。

1997年，為了突破193nm波長(zhǎng)，英特爾和美國(guó)能源部牽頭成立了EUV LLC聯(lián)盟，成員包括摩托羅拉、IBM以及若干美國(guó)知名研究機(jī)構(gòu)，但聯(lián)盟早期成員沒(méi)有光刻機(jī)廠商，于是ASML順勢(shì)加入并共享研究成果。隨后，ASML就開(kāi)始了漫長(zhǎng)的EUV光刻機(jī)研發(fā)過(guò)程。

2001年，公司推出TWINSCAN系統(tǒng)和革命性的雙工作臺(tái)技術(shù)，一般的光刻機(jī)只有一個(gè)工作臺(tái)，需要先測(cè)量，再曝光，而雙工作臺(tái)技術(shù)實(shí)現(xiàn)測(cè)量與曝光同時(shí)進(jìn)行，在對(duì)一塊晶圓曝光的同時(shí)測(cè)量對(duì)準(zhǔn)另外一塊晶圓，一下子把生產(chǎn)效率提升了35%以上。

2003年，ASML與臺(tái)積電合作推出浸入式光刻機(jī)。盡管同期尼康基于F2光源（157nm）和干式微影技術(shù)的90nm產(chǎn)品和電子束投射（EPL）產(chǎn)品樣機(jī)研制成功，但相對(duì)于尼康的全新研發(fā)，ASML的產(chǎn)品屬于改進(jìn)型成熟產(chǎn)品，在為半導(dǎo)體芯片廠商節(jié)約大量成本的同時(shí)實(shí)現(xiàn)工藝提升，半導(dǎo)體廠商只需對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行微調(diào)就能將蝕刻精度提升1-2代，并且其縮短光波的效果也優(yōu)于尼康產(chǎn)品（多縮短25nm）。可以想象，幾乎沒(méi)有廠商愿意選擇尼康的產(chǎn)品，尼康在高端光刻機(jī)領(lǐng)域的“潰敗”由此開(kāi)始。

此后，尼康痛定思痛選擇調(diào)轉(zhuǎn)方向研發(fā)浸沒(méi)式光刻系統(tǒng)，并推出NSR-S622D、NSR-S631E、NSR-S635E等產(chǎn)品，但半導(dǎo)體設(shè)備更新?lián)Q代迅速且投資很高，新產(chǎn)品總是需要至少1～3年時(shí)間由前后道多家廠商通力磨合，可謂一步慢、步步慢。ASML在浸入式系統(tǒng)上的先行優(yōu)勢(shì)使其有更充裕的時(shí)間改進(jìn)設(shè)備、提高良率，產(chǎn)品可靠性自然領(lǐng)先尼康。

從此，代表日本高端光刻機(jī)的尼康逐漸敗給了日后的高端光刻龍頭ASML。

2006年，ASML推出EUV光刻機(jī)的原型機(jī)。由于EUV光刻機(jī)的研發(fā)難度極大，2013年ASML才推出第一臺(tái)EUV量產(chǎn)產(chǎn)品，進(jìn)一步加強(qiáng)行業(yè)壟斷地位。

（二）三大策略

ASML光刻機(jī)采用模塊化的設(shè)計(jì)、制造、集成和調(diào)試。各模塊系統(tǒng)與單元組件分別在ASML產(chǎn)業(yè)鏈聯(lián)盟伙伴和關(guān)鍵供應(yīng)商內(nèi)部完成，之后交由ASML組裝，然后再分解成若干單元，將其包裝并空運(yùn)到用戶(hù)的Fab廠房，再次進(jìn)行整機(jī)安裝調(diào)試。這種模式加快了ASML新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)速度，縮短了產(chǎn)品上市周期。實(shí)際上，光刻機(jī)90%的關(guān)鍵設(shè)備來(lái)自外國(guó)而非荷蘭本國(guó)，ASML作為整機(jī)公司，只負(fù)責(zé)光刻機(jī)設(shè)計(jì)與集成各模塊，需要全而精的上游產(chǎn)業(yè)鏈做堅(jiān)實(shí)支撐。

縱覽ASML的發(fā)展歷史，ASML主要采取了幾方面的合作創(chuàng)新策略：

第一，通過(guò)收購(gòu)/入股，深度綁定上游供應(yīng)商。

2000年以來(lái)ASML歷經(jīng)7次主要收購(gòu)，包括美國(guó)光刻機(jī)制造商SVG，美國(guó)計(jì)算光刻軟件公司Brion，美國(guó)EUV光源制造商Cymer，獲取了上游光源、鏡頭等光刻機(jī)關(guān)鍵部件的領(lǐng)先技術(shù)。多次并購(gòu)加速了EUV光源和光學(xué)系統(tǒng)的研發(fā)進(jìn)程，也是EUV光刻機(jī)能研發(fā)成功的重要原因。2016年收購(gòu)中國(guó)臺(tái)灣的漢微科（HMI），吸收其電子束晶圓檢測(cè)能力；2017年收購(gòu)蔡司（Zeiss）24.9%的股份；2019年收購(gòu)荷蘭電子束光刻廠家Mapper做技術(shù)儲(chǔ)備；2020年收購(gòu)Berliner Glas，主要提供晶圓臺(tái)和夾具、掩膜卡盤(pán)和鏡塊。

第二，鼓勵(lì)客戶(hù)參股公司，構(gòu)筑利益共同體。

2012年，公司推出“Customer Co-Investment Program”，該計(jì)劃允許其大客戶(hù)對(duì)ASML進(jìn)行少數(shù)股權(quán)投資，英特爾、臺(tái)積電、三星投資總計(jì)約39億歐元取得23%的股份，并向ASML提供13.8億歐元的研發(fā)資金，同時(shí)享受EUV光刻機(jī)的優(yōu)先供貨權(quán)。

第三，重視研發(fā)投入，并采取開(kāi)放合作的研發(fā)模式。

技術(shù)創(chuàng)新是推動(dòng)ASML增長(zhǎng)的最重要因素，ASML的技術(shù)創(chuàng)新理念是合作開(kāi)放，通過(guò)全球產(chǎn)業(yè)鏈分工合作，采取模塊化外包協(xié)同聯(lián)合開(kāi)發(fā)策略，構(gòu)建了以ASML為核心的產(chǎn)業(yè)鏈聯(lián)合體。公司開(kāi)放式創(chuàng)新系統(tǒng)中包含了大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)、合作伙伴等，建立一個(gè)強(qiáng)大的知識(shí)技術(shù)共享網(wǎng)絡(luò)，ASML可以快速獲得行業(yè)內(nèi)前沿技術(shù)的相關(guān)知識(shí)。包含了比利時(shí)的Imec、上海集成電路研發(fā)中心、荷蘭ARCNL、EUV LCC、蔡司等。

2019年，ASML與一些大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)和高科技公司參與了歐盟補(bǔ)貼的項(xiàng)目，這系列的項(xiàng)目圍繞著光刻、計(jì)量和工藝開(kāi)發(fā)三大核心技術(shù)領(lǐng)域，每一項(xiàng)技術(shù)都在推動(dòng)公司創(chuàng)新過(guò)程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

（三）繞路超車(chē)

其實(shí)，除了光刻機(jī)，研究人員還提出了一些潛在的替代方案。比如，納米壓印技術(shù)（NIL）。這種技術(shù)將印有電路圖案的掩模壓印在晶圓表面的抗蝕劑上，通過(guò)類(lèi)似于印章的形式制造集成電路，將掩模上的精細(xì)電路圖案轉(zhuǎn)移到晶圓上，可在單個(gè)壓印件中形成復(fù)雜的二維或三維電路圖案。

由于不依賴(lài)EUV光源，這種制造技術(shù)的成本更低。現(xiàn)在日本已經(jīng)初步將這一技術(shù)用于生產(chǎn)閃存芯片，未來(lái)或許有進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用的空間。

定向自組裝（DSA）。這是一種利用材料自身的分子排列規(guī)律，誘導(dǎo)光刻材料在硅片上自發(fā)組成需要的圖案的方法，它比傳統(tǒng)光刻分辨率更高，加工速度也不受影響，但它對(duì)材料控制的要求特別高。現(xiàn)在比利時(shí)的Imec、美國(guó)的MIT實(shí)驗(yàn)室都已經(jīng)建立了實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)線，未來(lái)有產(chǎn)業(yè)化的可能。

電子束光刻（EBL）。這種技術(shù)實(shí)際上是利用高能電子束代替激光器光源，直接在晶圓上進(jìn)行雕刻。它的分辨率實(shí)際上比EUV光刻還高（可以達(dá)到0.768nm），但刻蝕速度非常慢，無(wú)法滿(mǎn)足商業(yè)化需求，目前主要用在量子芯片等高精度、小批量的芯片生產(chǎn)中。

06

總結(jié)：光刻攻關(guān)需久久為功

受《瓦森納協(xié)議》等國(guó)外技術(shù)管制影響，中國(guó)幾乎無(wú)法向所有參與半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的國(guó)家購(gòu)買(mǎi)尖端技術(shù)和相關(guān)設(shè)備，國(guó)產(chǎn)高端光刻機(jī)也就無(wú)法像ASML一樣通過(guò)全球合作、并購(gòu)?fù)黄疲荒芤劳斜就凉饪探M件和配套設(shè)施產(chǎn)業(yè)鏈自主研發(fā)。

不過(guò)，EUV被ASML壟斷，但短期內(nèi)DUV才是行業(yè)主流的應(yīng)用產(chǎn)品，且國(guó)外的技術(shù)封鎖主要集中在雙工件臺(tái)的DUV，目的是提高中國(guó)的商業(yè)化應(yīng)用成本。中國(guó)在干式、單工件臺(tái)的KrF、ArF光刻機(jī)制造方面已經(jīng)取得了不少經(jīng)驗(yàn)。在技術(shù)路徑上，下一代光刻機(jī)所應(yīng)用的浸沒(méi)式技術(shù)的成功已經(jīng)通過(guò)ASML和尼康之爭(zhēng)的過(guò)程得到驗(yàn)證，本土企業(yè)可以少走彎路。

但區(qū)別于其他工藝，光刻機(jī)的組件及配套設(shè)施極度復(fù)雜，毫不夸張地說(shuō)，光刻機(jī)自身即可自成產(chǎn)業(yè)鏈。所以，光刻機(jī)的制造研發(fā)絕不是某一個(gè)企業(yè)能夠單獨(dú)完成的，必然需要很多頂尖企業(yè)相互配合。在這種情況下，指望在一兩個(gè)點(diǎn)上取得突破就戰(zhàn)勝所有其他對(duì)手是不現(xiàn)實(shí)的，ASML即很好的例證。

與其說(shuō)ASML是一家荷蘭企業(yè)，不如說(shuō)它是一家全球企業(yè)。說(shuō)“集全球之力，成一家ASML”也不為過(guò)。ASML所有的機(jī)型從研發(fā)到成為主流都經(jīng)歷了十多年到二十多年的時(shí)間，即使光刻機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)取得了突破，后續(xù)還有穩(wěn)定性、良率、價(jià)格、市場(chǎng)需求等因素，幾乎每一項(xiàng)因素都會(huì)決定這個(gè)機(jī)型的前途命運(yùn)。

彎道超車(chē)談起來(lái)容易，但在十幾、二十年的時(shí)間里能堅(jiān)持下來(lái)的企業(yè)鳳毛麟角。只要一個(gè)方面出現(xiàn)差錯(cuò)，都有可能功虧一簣，歷史上在這方面的教訓(xùn)非常多。

當(dāng)然，我們也不必氣餒，只要我們?cè)诠饪虣C(jī)突破方面（實(shí)際上所有的技術(shù)突破都是如此），抱著實(shí)事求是的態(tài)度，踏踏實(shí)實(shí)地解決一個(gè)個(gè)問(wèn)題，做好長(zhǎng)時(shí)間攻關(guān)的戰(zhàn)略準(zhǔn)備，利用好光刻機(jī)研發(fā)對(duì)產(chǎn)業(yè)、學(xué)界帶來(lái)的機(jī)會(huì)，內(nèi)省自己的產(chǎn)業(yè)發(fā)展生態(tài)和科教體制機(jī)制，對(duì)光刻機(jī)的研發(fā)，實(shí)際上也是對(duì)基礎(chǔ)學(xué)科基礎(chǔ)研究能力的錘煉。

所謂“但行好事，莫問(wèn)前程”，即如是。

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