光刻機(jī)是芯片制造的關(guān)鍵工藝，而光刻機(jī)的生產(chǎn)技術(shù)由荷蘭ASML 、日本的尼康和佳能公司壟斷。荷蘭ASML公司正制造新款極紫外光線（EUV，extreme ultraviolet）光刻機(jī)，預(yù)計(jì)每臺(tái)售價(jià)約 4 億美元，或?qū)⒃?2023 年上半年完成制造，并有望在 2025 年用于芯片供應(yīng)商。

光刻技術(shù)是使微電子和納米電子器件在過(guò)去半個(gè)世紀(jì)中不斷微縮的基礎(chǔ)技術(shù)之一，光刻制造是晶圓制造最關(guān)鍵、最復(fù)雜和時(shí)間占比最高的環(huán)節(jié)。

目前，全球光刻機(jī)已由荷蘭ASML、日本尼康和佳能公司完全壟斷。據(jù)芯思想研究院（ChipInsights）數(shù)據(jù)，2020年上述三家公司半導(dǎo)體用光刻機(jī)出貨413臺(tái)，較2019年的359臺(tái)增加54臺(tái)，漲幅為15%。其中，ASML公司出貨258臺(tái)，占比62.47%；尼康公司出貨31臺(tái)，占比7.51%；佳能公司出貨122臺(tái)，占比29.54%。

在10納米節(jié)點(diǎn)以下，ASML穩(wěn)穩(wěn)占據(jù)100%的市場(chǎng)，佳能和尼康等同業(yè)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手已無(wú)力追趕。如果芯片制造商想要生產(chǎn)10納米節(jié)點(diǎn)以下的芯片，必須得有ASML供應(yīng)的EUV光刻機(jī)及相應(yīng)的支持服務(wù)。

 

歐洲微電子研究中心（IMEC）宣布了3納米及以下光刻工藝的技術(shù)細(xì)節(jié)，并表明ASML公司已經(jīng)明確了3納米、2納米、1.5納米、1納米甚至1納米以下的芯片制程技術(shù)路線圖。而日本、美國(guó)等國(guó)的許多半導(dǎo)體公司出于成本考慮，已經(jīng)停止了光刻工藝小型化的研究。IMEC和ASML的合作或?qū)⑦M(jìn)一步推動(dòng)超精細(xì)芯片制程的研發(fā)，延續(xù)“摩爾定律”。

新款EUV光刻機(jī)重達(dá) 200 多噸，有“雙層巴士”那么大，旨在生產(chǎn)可用于手機(jī)、筆記本電腦、汽車以及人工智能等領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)芯片上所需的微觀電路。EUV，即 ASML 最先進(jìn)的機(jī)器所使用的光波波長(zhǎng)，是指電磁波譜中波長(zhǎng)從 121 納米到 10 納米電磁輻射所在的頻段。

ASML 的機(jī)器每臺(tái)成本高達(dá) 1.6 億美元，但是機(jī)器短缺是芯片制造商正面臨的瓶頸。因此，芯片制造商們計(jì)劃在未來(lái)幾年花費(fèi) 1000 多億美元建造額外的制造工廠，以便滿足客戶需求。此前，臺(tái)積電在 2010 年代末首次整合了 ASML 的 EUV 機(jī)器，借此一舉超越競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

在縮小芯片制程上，EUV 光刻機(jī)承擔(dān)著重要作用。“High-NA”技術(shù)有望將電路面積降低 66%。在芯片制造中，越小的才越好。因?yàn)樵谕豢臻g中封裝的晶體管越多，芯片就越快、越節(jié)能。

但在復(fù)雜部件的集成上，ASML 仍存在巨大挑戰(zhàn)，其中就包括由德國(guó)卡爾蔡司在真空中制造的拋光、超光滑曲面鏡的光學(xué)系統(tǒng)。回顧過(guò)往，自 2000 年以來(lái)，ASML 從日本競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手尼康和佳能手中快速奪取了市場(chǎng)份額。自那時(shí)至今，ASML 控制著超過(guò) 90% 的高端光刻機(jī)市場(chǎng)。以至于沒(méi)有任何競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手敢以高開(kāi)發(fā)成本，去構(gòu)建類似的 EUV 系統(tǒng)。

雖然 ASML 在業(yè)內(nèi)享有近乎壟斷的地位，但是“定價(jià)取決于機(jī)器生產(chǎn)力”。與此同時(shí)，有能力生產(chǎn)領(lǐng)先芯片的公司數(shù)量正在減少，ASML 又必須向其出售 EUV 工具，其中也包括內(nèi)存芯片制造商 SK 海力士和美光。

ASML光刻機(jī)的工作原理

ASML光刻機(jī)的簡(jiǎn)易工作原理圖

簡(jiǎn)單介紹一下圖中各設(shè)備的作用：

測(cè)量臺(tái)、曝光臺(tái)：承載硅片的工作臺(tái)，也就是雙工作臺(tái)。一般的光刻機(jī)需要先測(cè)量，再曝光，只需一個(gè)工作臺(tái)，而ASML有個(gè)專利，有兩個(gè)工作臺(tái)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量與曝光同時(shí)進(jìn)行。而本次“光刻機(jī)雙工件臺(tái)系統(tǒng)樣機(jī)研發(fā)”項(xiàng)目則是在技術(shù)上突破ASML對(duì)雙工件臺(tái)系統(tǒng)的技術(shù)壟斷。

激光器：也就是光源，光刻機(jī)核心設(shè)備之一。

光束矯正器：矯正光束入射方向，讓激光束盡量平行。

能量控制器：控制最終照射到硅片上的能量，曝光不足或過(guò)足都會(huì)嚴(yán)重影響成像質(zhì)量。

光束形狀設(shè)置：設(shè)置光束為圓型、環(huán)型等不同形狀，不同的光束狀態(tài)有不同的光學(xué)特性。

遮光器：在不需要曝光的時(shí)候，阻止光束照射到硅片。

能量探測(cè)器：檢測(cè)光束最終入射能量是否符合曝光要求，并反饋給能量控制器進(jìn)行調(diào)整。

掩模版：一塊在內(nèi)部刻著線路設(shè)計(jì)圖的玻璃板，貴的要數(shù)十萬(wàn)美元。

掩膜臺(tái)：承載掩模版運(yùn)動(dòng)的設(shè)備，運(yùn)動(dòng)控制精度是nm級(jí)的。

物鏡：物鏡由20多塊鏡片組成，主要作用是把掩膜版上的電路圖按比例縮小，再被激光映射的硅片上，并且物鏡還要補(bǔ)償各種光學(xué)誤差。技術(shù)難度就在于物鏡的設(shè)計(jì)難度大，精度的要求高。

硅片：用硅晶制成的圓片。硅片有多種尺寸，尺寸越大，產(chǎn)率越高。題外話，由于硅片是圓的，所以需要在硅片上剪一個(gè)缺口來(lái)確認(rèn)硅片的坐標(biāo)系，根據(jù)缺口的形狀不同分為兩種，分別叫flat、notch。

內(nèi)部封閉框架、減振器：將工作臺(tái)與外部環(huán)境隔離，保持水平，減少外界振動(dòng)干擾，并維持穩(wěn)定的溫度、壓力。

首臺(tái)國(guó)產(chǎn)28納米工藝浸沒(méi)式光刻機(jī)有望交付

我國(guó)在光刻機(jī)方面的技術(shù)積累和人才儲(chǔ)備相對(duì)不足，雖無(wú)法制造高端光刻機(jī)，但可以制造一些低、中端的光刻機(jī)。

2008年起，我國(guó)開(kāi)始重視光刻機(jī)的研發(fā)。為推動(dòng)我國(guó)集成電路制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，國(guó)家決定實(shí)施科技重大專項(xiàng)“極大規(guī)模集成電路制造裝備及成套工藝”項(xiàng)目（又稱“02專項(xiàng)”）。在該項(xiàng)目下，我國(guó)研究團(tuán)隊(duì)一路攻堅(jiān)克難，國(guó)產(chǎn)首套90納米高端光刻機(jī)已經(jīng)研制成功。

2019年4月，武漢光電國(guó)家研究中心甘棕松團(tuán)隊(duì)通過(guò)2束激光，在自研的光刻膠上，突破光束衍射極限的限制，并使用遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)的辦法，光刻出最小9納米線寬的線段。該成果一舉實(shí)現(xiàn)光刻機(jī)材料、軟件和零部件的三大國(guó)產(chǎn)化。

2020年6月，上海微電子設(shè)備有限公司透露將在2021—2022年交付首臺(tái)國(guó)產(chǎn)28納米工藝浸沒(méi)式光刻機(jī)。這意味著國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)工藝從以前的90納米一舉突破到28納米。

雖然國(guó)產(chǎn)28納米光刻機(jī)與已面世的5納米頂尖制程存在較大差距，但常見(jiàn)的射頻芯片、藍(lán)牙芯片、功放芯片、路由器上的芯片、各種電器的驅(qū)動(dòng)芯片等非核心邏輯芯片，仍采用28~90納米工藝。

在光刻工藝進(jìn)入28納米以下制程之后的較長(zhǎng)一段時(shí)間里，16納米和14納米制程的成本一度高于28納米，與摩爾定律的運(yùn)行規(guī)律相反，這也使得28納米制程工藝極具性價(jià)比。在實(shí)際應(yīng)用中，28納米光刻機(jī)不僅能用來(lái)生產(chǎn)28納米芯片，更有望通過(guò)多重曝光的方式生產(chǎn)14納米、10納米、7納米芯片。盡管我國(guó)自主光刻機(jī)與外國(guó)先進(jìn)水平仍有不小代差，但未來(lái)可期。

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