EUV光刻機的案例
2021年臺積電和三星需多少臺EUV光刻機？
基于上述假設，從2020年-2023年，臺積電一年內（想要）引入的EUV光刻機數量如下圖所示。
▲臺積電所需的EUV數量估算
首先，到2020年，當5nm大規模生產及3nm試產啟動時，據計算將需要35臺新EUV光刻機，計算結果與圖3中的實際值幾乎相同。
到2021年，5nm生產規模將擴大，3nm風險生產將啟動，經計算所需的新EUV光刻機數量達54臺；到2022年，當3nm大規模生產、2nm試產啟動，需要的新EUV光刻機數量被計算為57臺。
此外，到2023年，當3nm生產規模擴大、2nm開始風險生產時，所需新EUV光刻機數達到58臺。到2024年2nm大規模生產啟動及2025年生產規模擴大時，所需新EUV光刻機數被計算為62臺。
三星晶圓廠EUV需求如何？
三星副董事長李在镕于2020年10月13日訪問ASML，并要求ASML在2020年交付9臺EUV光刻機、在2021年后每年交付20臺EUV光刻機。
此外，根據專家提供的信息，三星副董事長李在镕在10月13日訪問ASML期間要求的“2020年9臺EUV光刻機”中，至少有4臺將在2020年抵達三星，其余5臺預計將在2021年初被引入。此外。
展開 EUV光刻機里的低調王者
作為全球領先的半導體設備供應商，這家來自荷蘭的企業提供了全球芯片生產都繞不開的關鍵設備——光刻機。尤其是在EUV光刻機方面，市場的關注度更是空前。這一方面是因為這個設備是芯片制造工藝走向7nm以下的關鍵；另一方面，這個設備的售價高達上億美金，且只有ASML一家能做。因此其吸引了全球那么多的目光也情有可原。
正如很多分析人士所說，EUV光刻機真可以稱得上是芯片制造的“皇冠”。
以EUV光刻機為例，ASML技術開發副總裁Tony Yen在今年三月接受媒體采訪的時候曾經表示，EUV光刻機由超過10萬個精密零部件組成；相關報道也指出，EUV光刻機重量達180噸，體積十分龐大，需要0.125萬千瓦的電力，來維持250瓦的功率；紐約時報在之前一篇介紹ASML的文章中更是強調，EUV光刻機的運送需要使用40個集裝箱、20輛卡車和三架波音747飛機。
這樣一個龐然大物，不但需要在晶圓上做一些精度極高的工作，而且還需要保持更高的產能，從其部件構成上看，正如其名字“光刻機”所定義的一樣，“光”就成為了EUV光刻機中的重要一環。要明白這一切，就首先得從光刻機的工作原理談起。
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因為缺芯，“每天都在掙扎”
在荷蘭南部靠近比利時邊境的小鎮費爾德霍芬（Veldhoven），坐落著世界上唯一一家能夠生產極紫外光刻機（EUV）的企業——阿斯麥（ASML）。在為數據中心、汽車和iPhone提供算力的先進半導體制造中，EUV光刻是最昂貴的一步。
“阿斯麥在極紫外光刻機制造方面處于壟斷地位，我們今天使用的每一塊先進處理器都需要用到EUV光刻機。”美國塔夫茨大學（Tufts University）弗萊徹學院助理教授克里斯?米勒表示，每一臺EUV光刻機都是有史以來最復雜的設備之一，這種機器重達180噸。
EUV是極紫外光（Extreme Ultraviolet）的縮寫，這是一種波長極短的光，阿斯麥生產的設備可以大量產生這種光，用于在硅片上雕刻小而復雜的電路。極紫外光是由二氧化碳激光去轟擊每秒噴出5萬次的液態錫滴（molten tin）而產生，這種光通過一個直徑為0.65米的橢球反光鏡送進光刻機內。一部分極紫外光微粒被照射到硅片表面，進而雕刻出決定每個芯片功能的微小圖案。
為什么選擇極紫光
光刻機的分辨率是光刻機能夠清晰投影最小圖像的能力，這一關鍵指標決定了這臺光刻機可以用于何種工藝節點。R=k1*λ/NA代表了與其相關的多個參數，其中R為分辨率，k1為光刻工藝系數，λ為波長，NA為數值孔徑。
很明顯，要想壓縮分辨率有三種方法，減小光刻工藝系數，減小波長或是增加數值孔徑。k1系數取決于芯片制造工藝的多種因素，ASML通過控制光線擊中光罩的方式和FlexPupil自由照明器光瞳整形技術，使得k1接近于0.3。
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在ASML官網的進一步聲明發布之前，網友紛紛猜測中芯國際本次購買的是DUV光刻機還是EUV光刻機？那么兩者有什么區別呢？
簡單來說，DUV是深紫外線（Deep Ultraviolet Lithography），EUV是極深紫外線（Extreme Ultraviolet Lithography）。
兩種不同的光源讓光刻機獲得了不同的曝光能力，從而獲得不一樣的工藝制程范圍。
所有的DUV光刻機，用的光源都是193nm波長的ArF excimer laser，之前的一代DUV，用的光源是248nm波長的KrF excimer laser。另外，EUV光刻機的光源，是13.3nm的laser pulsed tin plasma。
DUV光刻機最多只能做到25nm，英特爾曾憑借雙工作臺的模式做到了10nm，但是卻無法達到10nm以下，
后來胡正明教授（梁孟松的老師）發明了FinFET工藝之后，極盡所能的壓榨了這臺機器的潛能，讓它走到了7nm制程。
但是即使采用了FinFET工藝，芯片再想往5nm、3nm先進工藝繼續延伸，那就不得不使用EUV光刻機了。因此，DUV光刻機和EUV光刻機的價格差別也很大。
要是想制造工藝尺寸更小的芯片，
換光源是比較直接且立竿見影的辦法。
展開 
ASML、IMEC聯合研發第二代EUV光刻機 3nm工藝的救星？
隨著三星宣布7nm EUV工藝的量產，2018年EUV光刻工藝終于商業化了，這是EUV工藝研發三十年來的一個里程碑。不過EUV工藝要想大規模量產還有很多技術挑戰，目前的光源功率以及晶圓產能輸出還沒有達到理想狀態，EUV工藝還有很長的路要走。
在現有的EUV之外，ASML與IMEC比利時微電子中心還達成了新的合作協議，雙方將共同研發新一代EUV光刻機，NA數值孔徑從現有的0.33提高到0.5，可以進一步提升光刻工藝的微縮水平，制造出更小的晶體管。
NA數值孔徑對光刻機有什么意義？這個問題我們在之前的超能課堂：單價1.2億美元的光刻機，全球只有一家公司生產一文中做過簡單解釋，決定光刻機分辨率的公式如下：
光刻機分辨率=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，所以光刻機的分辨率就取決于光源波長及物鏡的數值孔徑，波長越短越好，NA越大越好，這樣光刻機分辨率就越高，制程工藝越先進。
現在的EUV光刻機使用的是波長13.5nm的極紫外光，而普通的DUV光刻機使用的是193nm的深紫外光，所以升級到EUV光刻機可以大幅提升半導體工藝水平，實現7nm及以下工藝。
但是改變波長之后再進一步提升EUV光刻機的分辨率就要從NA指標上下手了，目前的光刻機使用的還是NA=0.33的物鏡系統，下一代的目標就是NA=0.5及以上的光學系統了。
如今ASML與IMEC合作的就是高NA的EUV工藝了，雙方將成立一個聯合實驗室，在EXE：5000型光刻機上使用NA=0.55的光學系統，更高的NA有助于將EVU光源投射到更廣闊的晶圓上從而提高半導體工藝分辨率，減少晶體管尺寸。
展開 新EUV光刻機為什么是“電力黑洞”
解決這一問題最簡便的方法就是增大光源功率，目前ASML公司的EUV的極紫外光光刻機的輸出功率是 250 瓦，要達到這樣的輸出功率，需要0.125萬千瓦的電力輸入才能維持——相當于2777塊3090ti顯卡全功率運行。就是這樣的“電力黑洞”，僅維持極紫外光源這一項工作，一天就要消耗近3萬度電。
此外，超高功率的極紫外激光光源在工作時會產生大量熱量，為了維持光源穩定，也需要優秀且完備的冷卻、散熱系統來保證設備正常工作。
為了維持光線在光刻機內的留存率，光刻機內需要保持真空狀態，來避免本就“脆弱”的極紫外光線被空氣吸收。
據悉，目前臺積電擁有80 臺EUV 設備，且正在安裝更新下一代。照此估算，臺積電一年僅這80臺EUV光刻機的耗電量將高達8億千瓦時。而這也僅僅只是臺積電晶圓制造的上百個環節當中最為耗電的其中一個部分。
光刻之外
電力消耗依舊不少
除了光刻曝光，刻蝕、離子注入、氣相沉積等流程也是極其耗電的。
晶圓光刻曝光后，還需刻蝕、離子注入等階段來雕刻集成電路。我們以干法刻蝕舉例。干法刻蝕就是利用等離子體進行薄膜刻蝕的一項技術，具有各向異性。通過電場將離子流加速，轟擊半導體材料表面來移走特定的硅原子。刻蝕后再將各種離子（如P與N離子）通過電場加速轟擊刻蝕好的溝道內，來形成P-N結等電路結構。
目前芯片內部結構極其復雜，電路之間聯系緊密，間距極小。一塊芯片從開始制造到形成集成電路，像刻蝕、離子注入等流程要重復上百次，電力的大量消耗也在所難免。
今明兩年，臺積電將在中國臺灣規劃建設11座晶圓廠，其中大部分為生產2-3nm先進制程的晶圓廠。EUV光刻機必不可少，外加大量配套的刻蝕機等其他設備，因此臺積電耗電量還會進一步大幅增長。
展開 ASML今年將推新一代EUV光刻機，產能為每小時170片
但在“下一代”EUV曝光技術出來之后，則讓2納米，甚至1.4納米成為可能。
ASML預估，在2021年底之前將裝配NAV為0.55的EUV曝光設備的原型系統，大規模生產系統的出貨計劃于2024年開始。
EUV光刻技術發展態勢
光刻（lithography）為集成電路微細化的最關鍵技術。當前在16/14nm節點乃至10及7nm節點，芯片制造商普遍還在使用193nm ArF浸潤式光刻機+多重成像技術，但采用多重成像技術后將增加曝光次數，導致成本顯著上升及良率、產出下降等問題。根據相關企業的規劃，在7/5nm節點，芯片生產將導入極紫外（EUV）光刻技術，EUV光刻使用13.5nm波長的極紫外光，能夠形成更為精細的曝光圖像。芯片廠商計劃將EUV光刻應用到最困難的光刻工序，即金屬1層以及過孔生成工序，而其他大部分工序則仍將延用193nm ArF浸潤式光刻機+多重成像來制作。據EUV光刻機生產商阿斯麥（ASML）稱，相比浸潤式光刻+三重成像技術，EUV光刻技術能夠將金屬層的制作成本降低9%，過孔的制作成本降低28%。
EUV光刻的關鍵技術包括EUV光源和高數值孔徑（NA）鏡頭，前者關乎光刻機的吞吐量（Throughput），后者關乎光刻機的分辨率（Resolution）和套刻誤差(Overlay)能力等。
展開 30臺EUV光刻機一天耗電90萬度
先進制程最「燒電」，臺積電EUV光刻機一天耗電90萬度
芯片制造每一個都需要經過3000多道工序才能完成，而這其中需要用到大量的半導體設備，并一直維持「恒溫」、「高壓」等各種復雜環境，這一切都需要「電」，「制程」越先進，用的電就越多。
在眾多設備中，光刻機的耗電量尤為巨大。光刻機通過光線曝光，將掩膜板上的精密圖形印制在硅片之上。這就需要發電進行照明，并且，這對光的要求很高。
EUV光刻機重量達180噸，體積十分龐大，需要0.125萬千瓦的電力，來維持250瓦的功率。據悉臺積電僅EUV光刻機便有30臺，30×0.125便是3.75萬千瓦，那么，30臺EUV光刻機一天耗電就是90萬千瓦，就是90萬度電。
而且，為了防止溫度過高，還需要設置龐大的水冷系統。
而且，制造芯片對環境的要求極為苛刻，為了常年維持適宜的生產環境，臺積電不得不耗費大量的電力。
據悉，芯片制造需要常年保持22度的恒溫。而且，還要保持超凈的環境，這就需要將水與空氣進行多級的過濾。如此一來，都有大量的電在不知不覺中被消耗。
展開 這場EUV光刻機爭奪戰，已經悄然打響
六、解決光刻難題從非核心開始起步
我國發展半導體產業，光刻技術是繞不開的課題，以國內目前薄弱的基礎，短期內攻克EUV設備并不現實。對此，莫大康指出，高性能光刻技術對中國企業來說成本高昂，但是其戰略意義不容忽視。中國要推進完整的光刻工業體系的發展，只能采取從低到高的策略，比如193nm深紫外ArF干式光刻機、浸沒式光刻機，以及周邊設備材料等，EUV是整套體系中最困難的一塊。
“要實現強大的功能，EUV就必須克服電能消耗以及光源等因素的影響。”中國電子科技集團公司第四十五研究所集團首席專家柳濱表示，EUV雖然售價超過了一億美元，但是高額的價格并不是它最大的問題。EUV最大的問題是電能消耗。其電能消耗是傳統193nm光刻機的10倍，因為極紫外光的波長僅有13.5nm，投射到晶圓表面曝光的強度只有光進入EUV設備光路系統前的2%。在與7nm成本比較中，7nm的EUV生產效率在80片/小時的耗電成本將是14nm的傳統光刻生產效率在240片/小時的耗電成本的一倍，這還不算設備購置成本和掩膜版設計制造成本。
除了電能以及光源，光刻膠也是EUV技術另一個需要面對的問題。據專家介紹，光刻膠本身對于光的敏感度就十分高，但是對于不同波長的光源，光刻膠的敏感度也有差異，這就對EUV光刻機產生了一些要求。
展開 科普 | 荷蘭ASML的EUV芯片光刻機工作流程及關鍵技術
各個工藝節點和工藝及光刻機光源類型的關系圖
根據業界的實際情況，英特爾和臺積電一直到7nm工藝節點都依然使用浸入式ArF的光刻設備。但是對于下一代的工藝，則必須采用EUV光源的設備了。目前全球只有ASML一家能夠提供波長為13.5nm的EUV光刻設備。毫無疑問，未來5nm和3nm的工藝，必然是EUV一家的天下。事實上，三星在7nm節點上便已經采用了EUV光刻設備，而中芯國際此前也訂購了一臺EUV用于7nm工藝的研發。
在售的部分光刻機的列表及相關參數
目前光刻設備按照曝光方式分為Stepper和Scanner兩種。Stepper是傳統的一次性將整個區域進行曝光；而Scanner是鏡頭沿Y方向的一個細長空間曝光，硅片和掩模同時沿X方向移動經過曝光區動態完成整個區域的曝光。和Stepper相比，Scanner不僅圖像畸變小、一致性高，而且曝光速度也更快。所以目前主流光刻機都是Scanner，只有部分老式設備依舊是Stepper。上表中如果沒有特別注明，都是屬于Scanner類型。
展開 外媒：光刻機正在被拋棄
而ASML不能自由出貨給很多芯片廠商帶來了不便，就像EUV光刻機不能出貨到外企中國分廠，國內廠商訂購的EUV光刻機至今都沒有到貨。
再加上，ASML也對俄市場實施了暫停出貨等政策，這給其它光刻機廠商提供了一定市場發展空間，只有推出類似ASML的EUV光刻機，就能夠獲得大量的市場。
或者說，只要拿出了能夠替代EUV工藝的芯片制造技術。
所以很多國家和地區的企業紛紛自研新技術，或者自研先進的光刻機等設備，這意味著ASML的EUV光刻機也正在被拋棄。
3倍，光刻機巨頭擴產
此后三星的7nm/5nm工藝，臺積電的第二代7nm工藝和5nm工藝的量產均高度依賴于0.55數值孔徑的EUV光刻機來進行生產。
目前英特爾、臺積電、三星等頭部的晶圓制造廠商正大力投資更先進的3nm、2nm技術，以滿足高性能計算等先進芯片需求。而3/2nm工藝的實現則需要依賴于ASML新一代的高數值孔徑 (High-NA) EUV光刻機EXE:5000系列。
但是，High NA EUV光刻系統造價相比前代的EUV光刻機也更高了，達到了3億美元。
據了解，EXE:5000主要面向的是3nm工藝。而第二代的0.55 NA EUV光刻機TWINSCAN EXE:5200將會被用于2nm工藝的生產。
ASML官方表示，在2021年第四季度收到了一份TWINSCAN EXE:5000的訂單。自2018年以來，ASML已經收到四份TWINSCAN EXE:5000的訂單。
此外，今年1月19日，ASML宣布2022年一季度，其第二代High－NA光刻機TWINSCAN EXE：5200獲得了首個訂單，第二代High－NA光刻機被用于2NM制程芯片制造，有望在2024年實現交付。
結合2021年7月底，英特爾曾宣布將在2024年量產20A工藝（即2nm工藝），并透露其將率先獲得業界第一臺High－NA EUV光刻機。
展開 ASML：明年將交付55臺EUV光刻機
來源：財華社
全球極紫外光EUV光刻機的唯一生產商ASML，是當今主宰高端半導體行業命運的超級科技企業，幾乎所有大型晶片制造商如英特爾、臺積電及三星，都是這家荷蘭公司的客戶，ASML目前在光刻機市場占有率高達8成，EUV技術走在行業尖端，公司的一舉一動均有可能左右芯片業走向。
匯豐環研最新報告訪問了ASML投資關系總監Peter Cheang，從產業鏈最上游的角度分享公司對晶片業前景看法，整體上ASML長期看好行業前景，但短期增長仍然受制芯片的短缺。
根據ASML管理層給出的第四季指引，料該季度營收介乎49億至52億歐元，較第三季52.4億歐元按季下跌1%-6%，公司將營收下跌歸咎于荷蘭Veldoven的新物流中心試行出現阻滯、光刻機制造所需的零部件缺貨等，基于上述因素均與需求無關，公司認為部分收入可能要推遲至明年才入帳。
根據ASML預測，今年營收為185至188億歐元，至2025年將增至240億至300億歐元，毛利率或達54至56%。要留意的是，公司對2025財年的營收目標，并未考慮到美國和歐洲半導體工廠產能提升的潛在優勢。
根據市調機構IDC數據，2020年半導體需求增長11%，預計今年再增長12%，已經遠高于2020至25年間預測的年復合增長率5%。不過，匯豐認為，新冠疫情繼續困擾半導體供應鏈，特別是在東盟地區，料當前的供需緊張將持續至下個季度。
盡管近期芯片短缺導致行業增長出現放緩，但ASML管理層對明年前景仍持樂觀態度，并努力提升產能以滿足強勁需求。ASML預計，2022財年將交付55部EUV光刻機組，相比下今年頭三季交付31部EUV，至2025財年DUV和EUV的出貨量將分別增至1.5倍和2倍。
展開 傳三星計劃投資557億元用于采購ASML EUV 光刻機
目前尚不清楚其合同中的產品是現有EUV光刻設備還是下一代“High NA EUV”光刻設備。不過，目前EUV光刻設備最大的問題是產量有限。據官方介紹，它“比衛星部件還復雜”，每年只能生產很有限的數量。據說去年是40臺，今年ASML估計是60臺。而目前需要且能購買到EUV光刻設備的廠商有五家：三星電子、臺積電、英特爾、SK海力士和美光。其中，臺積電約占供應量的70%，剩下四家公司爭奪剩下的30%。
三星電子于去年6月推出了全球首個采用全柵極（GAA）技術的3nm代工技術，因此該公司一直在努力確保采購更多EUV光刻設備，目標是在明年上半年進入3nm世代的第二代工藝，在2025年進入2nm工藝，在2027年進入1.4nm工藝。
正因如此，李在镕董事長去年6月訪問了ASML總部，與首席執行官Peter Bennink討論了EUV采購問題，并在同年11月訪問韓國期間與Bennink進行了進一步會談。鑒于EUV的交付周期（從下單到收貨）至少需要一年，這些會議看起來確實取得了實際成果。
實際上，半導體領域分析師也對三星電子增購EUV光刻設備的計劃持積極態度。
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中芯國際或與ASML進行新談判，EUV仍是關鍵問題
就在今年10月份，ASML傳出消息可以向中國進口光刻機。
然而，這家荷蘭公司強調了DUV光刻機，而非更先進的EUV(極端紫外線)光刻機。
有網友對此消息表示：「DUV光刻機是二等品，自然不用受限。」
DUV光刻機與EUV光刻機什么區別？
中低端與高端的區別。
EUV光刻機則是實現7nm的關鍵設備，如果中國大陸無法引入ASML的EUV光刻機，則意味著大陸將止步于7nm工藝。
目前中芯國際訂購了一臺EUV。價格貴，但不是只買一臺的唯一原因，而是買多了，現在真用不上。
有微電子博士解析，就這一臺，還是著眼于兩三代技術節點之后的產品研發（14nm ->10nm -> 7nm -> 5nm）。必須要用EUV的，是5nm以及以下，直到7nm，DUV都夠用。
「三星，英特爾和臺積電瘋搶EUV，是因為他們目前就要用。三星和臺積電都已經開始攻堅3nm了。而中芯國際，在logic device領域，確實還是第二梯隊的，下一代和下下代研發，都不是非EUV不可，DUV完全夠用。需要多沉下心來多琢磨光刻工藝。」
而更為重要的是，
ASML是全球唯一一家能夠量產EUV光刻機的廠商。
貴，而且稀有。
EUV光刻機的價格約為1.48億歐元，折合人民幣大概11.65億元左右（價格僅參考）。
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