超能課堂(145)：單價1.2億美元的光刻機，全球只有一家公司生產 ……

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

光刻機，這個詞在超能網的新聞報導中經常出現，特別是這兩年國內大力發展半導體產業之後，「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，大家感慨荷蘭這麼小的國家竟然能研發出這麼高精尖的設備。

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，憑什麼賣那麼貴？，裡面介紹了CPU的製造過程，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？

其實簡單的流程圖並不能反映出光刻在晶片製造過程中的重要性的，我們再來一個更簡單、直接的有關晶片是如何研發、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晶片，他們會使用到Cadence、Synospsys提供的EDA工具來輔助設計晶片，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，設計完成之後他們會把晶片交給TSMC台積電、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英寸矽片則是來自日本信越、Sumco勝高等公司公司，當然半導體製造中使用的材料還有很多，比如光刻膠、清洗劑等等，這些都可以歸類於半導體材料行業中。

之前看到過一個好笑但也很有趣的悟空問答，有人問台積電能給AMD、NVIDIA、高通等公司代工處理器，難道不怕台積電偷偷學習他們的晶片然後自己生產嗎？先不說這麼做的法律風險，單從技術上來說代工廠複製晶片設計也沒普通人想像的那麼容易，因為IC設計公司並不是把晶片設計圖給代工廠，代工廠是通過他們製作好的光罩或者說光掩膜版（mask）來生產晶片的。

圖片來源

如上圖所示，台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複製一遍到買來的晶圓上，所以這也是他們為什麼被稱為晶圓代工廠的原因，做的就是幫助別人加工成晶片的工作。

這些話說來簡單，但半導體晶片的實際製造過程非常複雜，如今的半導體晶片越來越強大，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，晶片越複雜，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，這樣就會增加晶片生產的時間，提高了生產的複雜度，帶來的後果就是晶片成本越來越高。

半導體晶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晶片的製程工藝，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

光刻在晶片生產過程中如此重要，這也奠定了光刻機在半導體製造設備中的地位——沒有先進的光刻機，其他過程都是捨本逐末。

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，我們這裡提到的主要有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）準分子雷射器，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，波長為何影響製程工藝後面再說，EUV光刻機主要用於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麼工作的——首先是雷射器發光，經過矯正、能量控制器、光束成型裝置等之後進入光掩膜台，上面放的就設計公司做好的光掩膜，之後經過物鏡投射到曝光台，這裡放的就是8寸或者12英寸晶圓，上面塗抹了光刻膠，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，實際上超級複雜，ASML的光刻機靠著沉浸式及雙機台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，光是雙機台技術就不知道有多高的要求了，晶片生產是nm級別的精度，兩個機台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。

從這裡也可以看出光刻機的結構也很複雜，其中最重要的部分主要有雷射器、物鏡及工作檯，其中雷射器負責光源產生，而光源對製程工藝是決定性影響的，而且雷射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，光刻機裡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，不僅製作複雜，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麼複雜的了，更何況光刻機使用的是超大、超多組鏡片了。

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

2006年全球首台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？先進工藝要麼改光源要麼改物鏡

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，為什麼台積電、三星還要找ASML買單價不低於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。

光刻機的解析度取決於波長、NA孔徑等

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

光刻機解析度=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，所以光刻機的解析度就取決於光源波長及物鏡的數值孔徑，波長越短越好，NA越大越好，這樣光刻機解析度就越高，製程工藝越先進。

在現有技術條件上，NA數值孔徑並不容易提升，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光刻機跟蔡司有什麼關係，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解析度的關鍵，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解析度。

但是EUV光刻機的研製並不容易，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、台積電及三星都給ASML提供支持，先後投資數十億美元給ASML（不過ASML業績轉好之後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，台積電在權衡未來的3nm晶圓廠選址時，首要考慮的就是台灣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

儘管EUV光刻機現在還不夠成熟，不過三星、台積電及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。

由於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於沒有先進的光刻機，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晶片不行的原因，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。

至於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、台積電、英特爾下單早，ASML優先交付他們，但最主要的原因是國內並沒有EUV光刻機的需求，因為EUV光刻機主要用於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台EUV光刻機，主要用於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，處於被淘汰的地位。

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，並通過驗收。

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%。

對於未來的EUV光刻機，國內也啟動了關鍵技術研發，有報導稱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：

光刻是半導體晶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以及存儲晶片來說都是如此，不論是生產效率、成本還是技術水平，光刻機都是決定性的。

現代的光刻機是一台極其精密的複雜系統，從雷射器到物鏡再到工作檯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。