想必大家對“光刻機”這個詞一點也不陌生，但是卻沒有一個目睹過它的廬山真面目，說一句“得光刻機者，得天下”一點也不過分。

01 什么是光刻機

眾所周知，光刻機是我國卡脖子的技術設備中難度系數最高的，經常就有人說：造光刻機還能有造原子 彈難？后來還真有人認真分析過，最后得出了一個令人心態爆炸的結論，那就是光刻機真的比原子 彈還難搞。

那光刻機究竟是什么呢？

光刻機（Mask Aligner）又名：掩模對準曝光機，曝光系統，光刻系統等，是制造芯片的核心裝備。它采用類似照片沖印的技術，把掩膜版上的精細圖形通過光線的曝光印制到硅片上。

看到這，想必大多數覺得，不就是個照片沖印嘛，現在一個小照相館也能做到，但是就這個看似小照相館也能手到擒來的技術，卻卡住了我國的科技進步。

以ASML典型的沉浸式步進掃描光刻機為例，它首先是激光器發光，經過矯正、能量控制器、光束成型裝置等之后進入光掩膜臺，上面放的就設計公司做好的光掩膜，之后經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。

激光器負責光源產生，而光源對制程工藝是決定性影響的，隨著半導體工業節點的不斷提升，光刻機縮激光波長也在不斷的縮小，從436nm、365nm的近紫外（NUV）激光進入到246nm、193nm的深紫外（DUV）激光，現在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）準分子激光器，從45nm到10/7nm工藝都可以使用這種光刻機，但是到了7nm這個節點已經的DUV光刻的極限，所以Intel、三星和臺積電都會在7nm這個節點引入極紫外光（EUV）光刻技術。

而使用極紫外光（EUV）作為光源的光刻機就是EUV光刻機，但EUV光刻機的光源不是有激光器發射的，而是由準分子激光激發的錫或氙等離子體發射。EUV光刻機的工作機制：EUV 多層和吸收體（紫色）構成用于成像線的掩模圖案，底部：從掩模圖案反射的 EUV 輻射（紅色）在抗蝕劑（黃色）和基板（棕色）中被吸收，產生光電子和二次電子（藍色）。

02 攻殼機究竟有多難呢？

光刻機到底有多難搞，曾經就有以為美國的工程師表示，一個零件就需要調整數十年之久，據業內人士的說法，光刻機的零件幾乎都是定制，90%使用了世界最先進的加工技術，甚至一些接口都要工程師用高精度機械進行打磨，尺寸調整次數可能高達百萬次以上。

就拿目前最新的EUV光刻機來說，當初參與研發EUV光刻技術的國家就有將近40個，歐美發達國家幾乎一個不落。

于1996年左右，美國就開始了電子束和軟X射線光刻技術的研究，當時主要的研究機構就是美國的國家實驗室、AT&T以及部分相關大學，就在這些主體機構開始后的一年，美國的一眾科技龍頭企業也前仆后繼的進入EUV光刻這潭渾水中，這一年英特爾聯合AMD、摩托羅拉、美光、Infineon和IBM成立EUV光刻技術研發聯盟。

直到1999年，EUV光刻技術才在全球開始嶄露頭角，也正是這一年，EUV光刻技術被國際半導體技術發展線路圖（ITRS）確定為下一代光刻首選技術，這也就意味著，此刻誰掌握了EUV光刻技術，誰就拿到了未來幾十年里的“芯片強國”門票。

EUV光刻機的基礎就是光源，而就在這個基礎上面已經讓無數的高智商研究員一夜青絲變白發。

首先因為EUV幾乎能被所有物質所吸收，所以曝光必須在真空環境中進行，因此原來采用193nm光源的浸液光刻機的曝光系統完全不用上。

其次因為傳統透鏡折射光線的方案容易吸收EUV的能量，從而導致其無法用于光刻，所以之前蔡司所積累的透鏡磨制技術徹底被淘汰了，只能采用特殊鍍膜的反射鏡來改變和匯聚EUV，因此也導致開發的成本和難度又上升到了一個新的高度。

EUV的光源除了之前說的激光等離子光源，還有一種就是放電等離子體（DPP）光源，放電等離子體光源是通過給放電氣體加上高電壓，使氣體等離子化產生EUV輻射，但目前所面臨的問題是，無論哪一種光源，它們的轉換效率都無法達到商業化生產的標準，因此如果無法完美地解決轉換效率這個問題，那么整個EUV的研究都無法大踏步前進。

經過多年的研發，終于在2009年的時候，美國Cymer公司研發的EUV光源率達到了100W，接近了商業化生產的標準，自從Cymer一舉超越其他研發機構和公司，成為了ASML的光源模組供應商。

03 光刻機的無冕之王——ASML

任何人說到光刻機都有一個繞不開的角色，這就是荷蘭的ASML，其實在上世紀六七十年代剛開始研發光刻機的時候，美國是走在所有人前面的，那個時候也沒有ASML，而且早期的光刻機并不算高科技，一般情況下，半導體公司都是自己直接設計工裝和工具，比如英特爾最初是把16毫米攝像機的鏡頭拆了用，只有 GCA、K&S 和 Kasper 等幾家公司會做一些相關的設備。

直到1978年，GCA推出了世界上第一臺商用步進光刻機DSW4800（direct step to wafer），這臺光刻機使用了g線汞燈和蔡司光學零部件，以10：1的比例將晶片線路成像到10毫米的區域中，當時該機器售價為45萬美元，第一臺機器以37萬美元的價格售賣給了德州儀器的研發部門。

然而到了1997年，英特爾組織起了一個名為EUV LLC的聯盟，這個聯盟中除了美國能源部以外，還有摩托羅拉、AMD、IBM等等一系列組織機構，但由于聯盟中的光刻機企業SVG·Ultratech已經衰落，所以英特爾邀請了ASML和Nikon加入EUV LLC聯盟中，ASML也正是因為這次加入EUV LLC徹底崛起了。

04 總結

晶片雖小，但內有乾坤，其制造難度亦是非常人所思，而這個制造過程中所需要的光刻機，更是難中之難，晶片和光刻機的關系，就像身體與大腦的關系，正是這匪夷所思的難度，造就了荷蘭ASML一家獨大的局面。

隨著芯片尺寸的越來越小，對光刻機的精度要求也越來越高，如三星、臺積電、英特爾等芯片制造業的龍頭企業紛紛入股ASML，以優先拿到光刻機的采購權。

文章來源：

1. 《光刻機工藝的原理及設備》-Trymax

2. 《EUV光刻技術隱秘往事：近40個國家入局，研發難度超原子 彈》-魔鐵的世界

3. 《半導體解密：ASML光刻機為什么能一家獨大？臺積電總能買到最高的光刻機？ASML有后手嗎？》-T客邦（36Kr）