在中國與美國的貿(mào)易沖突中，半導(dǎo)體領(lǐng)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(lǐng)域，也是中國制造業(yè)目前的薄弱之處，在半導(dǎo)體設(shè)計、制造到封裝三個環(huán)節(jié)中，半導(dǎo)體制造是國內(nèi)急需突破的領(lǐng)域，但它也是技術(shù)門檻最高的，國內(nèi)最大的半導(dǎo)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(shè)備——光刻機，它是整個半導(dǎo)體制造行業(yè)的明珠。
這兩年國內(nèi)大力發(fā)展半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)之后，“光刻機對中國禁售”、“中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)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(yīng)商而被更多網(wǎng)友提起，大家感慨荷蘭這么小的國家竟然能研發(fā)出這么高精尖的設(shè)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(chǎn)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(dǎo)體設(shè)備上的明珠？它到底有多重要？
如果AMD/NVIDIA/高通要研發(fā)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(shè)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(quán)，也有的是公司自己研發(fā)的，設(shè)計完成之后他們會把芯片交給TSMC臺積電、UMC聯(lián)電、SMIC中芯國際等晶圓代工廠，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(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，單從技術(shù)上來說代工廠復(fù)制芯片設(shè)計也沒普通人想象的那么容易，因為IC設(shè)計公司并不是把芯片設(shè)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(chǎn)芯片的。
這些話說來簡單，但半導(dǎo)體芯片的實際制造過程非常復(fù)雜，如今的半導(dǎo)體芯片越來越強大，從28nm節(jié)點開始已經(jīng)不是一次光刻就能實現(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(chǎn)的時間，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)體芯片在整個生產(chǎn)過程中可能需要20-30次的光刻，耗時占到了生產(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，更主要的是光刻機的技術(shù)水平?jīng)Q定了芯片的制程工藝，這個才是最關(guān)鍵的，這也是光刻機最重要的功能。
光刻機的原理及結(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，這也奠定了光刻機在半導(dǎo)體制造設(shè)備中的地位——沒有先進(jìn)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(xiàn)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(yīng)用的光刻機，波長是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，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(jié)點。
以ASML典型的沉浸式步進(jìn)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(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，上面放的就設(shè)計公司做好的光掩膜，之后經(jīng)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(fù)雜，ASML的光刻機靠著沉浸式及雙機臺等技術(shù)打敗了原本由日本佳能、尼康公司占據(jù)的光刻機市場，別的不說，光是雙機臺技術(shù)就不知道有多高的要求了，芯片生產(chǎn)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(dǎo)致報廢。
從這里也可以看出光刻機的結(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，其中激光器負(fù)責(zé)光源產(chǎn)生，而光源對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(tǒng)，光刻機里面的光學(xué)鏡片不是一兩片，而是一套多達(dá)數(shù)十個光學(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)計是多么復(fù)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(chǎn)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(fù)雜度，對工藝要求非常高。
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(jìn)工藝要么改光源要么改物鏡
193nm的DUV光刻機已經(jīng)使用多年，而且售價普遍在5000萬美元，產(chǎn)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(chǎn)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(xiàn)7nm及更先進(jìn)的工藝，現(xiàn)有的DUV光刻機不夠用了，需要13.5nm波長的EUV光刻機。
前面說了，光刻機決定了半導(dǎo)體工藝的制程工藝，光刻機的精度跟光源的波長、物鏡的數(shù)值孔徑是有關(guān)系的，有公式可以計算：
光刻機分辨率=k1*λ/NA
k1是常數(shù)，不同的光刻機k1不同，λ指的是光源波長，NA是物鏡的數(shù)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(shù)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(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，許多人不知道EUV光刻機跟蔡司有什么關(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光刻機未來進(jìn)一步提升分辨率的關(guān)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(xué)鏡片的進(jìn)步比電子產(chǎn)品難多了。
NA數(shù)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(jié)構(gòu)都有重大影響，ASML公司研發(fā)EUV光刻機已經(jīng)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(shù)十億美元給ASML（不過ASML業(yè)績轉(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(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率非常低，據(jù)說只有0.02%，目前ASML的EUV光刻機輸出功率是250W，工作一天就要耗電3萬度——考慮到這個轉(zhuǎn)換率是多年前的，多年來可能會有進(jìn)步，但即便ASML大幅改進(jìn)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(quán)衡未來的3nm晶圓廠選址時，首要考慮的就是臺灣是否有穩(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NXE：3400B的生產(chǎn)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(chǎn)能力是275WPH，其他型號也能達(dá)到250WPH，產(chǎn)量能相差一倍。
·EUV光刻機不是中國半導(dǎo)體工業(yè)的關(guān)鍵，國內(nèi)能量產(chǎn)90nm級別的光刻機
盡管EUV光刻機現(xiàn)在還不夠成熟，不過三星、臺積電及Globalfoundries等公司已經(jīng)開始在7nm節(jié)點上大規(guī)模應(yīng)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(fā)展。
由于EUV光刻機對先進(jìn)半導(dǎo)體工藝非常重要，很多網(wǎng)友也把國內(nèi)半導(dǎo)體不行歸咎于沒有先進(jìn)的光刻機，特別是EUV光刻機，而瓦森那協(xié)議中對光刻設(shè)備的限制又引申出更多猜想，認(rèn)為這些限制是國內(nèi)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(nèi)銷售，近年來隨著國內(nèi)半導(dǎo)體市場的擴大，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)的營收占比就有19%，與美國地區(qū)持平。至于EUV光刻機，國內(nèi)之前沒有也不是因為禁售，首先是EUV產(chǎn)量低，三星、臺積電、英特爾下單早，ASML優(yōu)先交付他們，但最主要的原因是國內(nèi)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(nèi)晶圓代工廠SMIC中芯國際目前最先進(jìn)的工藝還是28nm，完全用不到EUV光刻機，明年才開始生產(chǎn)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(yù)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(jīng)嚴(yán)重落伍，處于被淘汰的地位。國內(nèi)也很早就研發(fā)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(shè)備上，國內(nèi)實際上已經(jīng)國產(chǎn)化了LCD、LED用的光刻機，其他先進(jìn)光刻機也在攻關(guān)中。
國內(nèi)目前主攻先進(jìn)光刻機的主要有兩大陣營，一個是中科院長的學(xué)院派，承擔(dān)了國家的02專項中的90nm光刻機研發(fā)，旗下長春光學(xué)精密機械與物理研究所、應(yīng)用光學(xué)國家重點實驗室負(fù)責(zé)物鏡系統(tǒng)，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所負(fù)責(zé)照明系統(tǒng)，去年已經(jīng)研發(fā)成功90nm光刻機，并通過驗收。
在企業(yè)陣營中，主攻光刻機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，預(yù)計未來幾年實現(xiàn)45nm光刻機研發(fā)，不過他們在封裝光刻機市場上占了國內(nèi)80%的市場，全球占有率也達(dá)到了40%，LED投影光刻機占有率也高達(dá)20%。
對于未來的EUV光刻機，國內(nèi)也啟動了關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，有報道稱2016年11月15日，由長春光機所牽頭承擔(dān)的國家科技重大專項02專項——“極紫外光刻關(guān)鍵技術(shù)研究”項目順利完成驗收前現(xiàn)場測試，不過官方八股文宣傳的技術(shù)突破離最終量產(chǎn)EUV光刻機還有很遠(yuǎn)的距離，90nm光刻機用了10年時間研發(fā)，國產(chǎn)EUV光刻機依然有很長的路要走。
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)，光刻機則是具體實現(xiàn)光刻處理器的設(shè)備，它對CPU以及存儲芯片來說都是如此，不論是生產(chǎn)效率、成本還是技術(shù)水平，光刻機都是決定性的。現(xiàn)代的光刻機是一臺極其精密的復(fù)雜系統(tǒng)，從激光器到物鏡再到工作臺都有很高的技術(shù)門檻，光刻機確實可以說是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中的明珠，EUV光刻機更是明珠中的明珠。
手機圖頁網(wǎng)
