一文讀懂半導(dǎo)體業(yè)的印鈔機——EUV光刻機

1965年，戈登·摩爾提出摩爾定律。當價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。

這個不斷觸碰半導(dǎo)體工藝極限的定律，也經(jīng)常伴隨著“死亡”和“新生”兩方面的話題。其中就有人認為一種名為極紫外光刻(EUV 光刻)的技術(shù)能夠拯救摩爾定律。

而讓小編驚掉下巴的則是它的價格——高達一億美金。憑什么這么貴呢?

要想弄懂EUV光刻機是什么意思，就得先說光刻機。

素有半導(dǎo)體制造業(yè)皇冠上的明珠之稱的光刻機，是芯片制造的核心設(shè)備之一，按照用途可以分為好幾種：有用于生產(chǎn)芯片的光刻機;有用于封裝的光刻機;還有用于LED制造領(lǐng)域的投影光刻機。用于生產(chǎn)芯片的光刻機技術(shù)含量極高、價格極高。涉及系統(tǒng)集成、精密光學(xué)、精密運動、精密物料傳輸、高精度微環(huán)境控制等多項先進技術(shù)，是所有半導(dǎo)體制造設(shè)備中技術(shù)含量最高的設(shè)備，這也是中國在半導(dǎo)體設(shè)備制造上最大的短板，國內(nèi)晶圓廠所需的高端光刻機完全依賴進口。

光刻機的工作原理則與膠片相機類似，當你拍照的時候，按下相機快門的一瞬間，光線通過鏡頭折射入相機，投射到膠卷上，產(chǎn)生曝光。之后只需將膠卷在顯影液里浸泡一下，山川樓宇就被同比縮小印在了膠卷上。

同樣，光刻機可以把設(shè)計師設(shè)計的芯片圖案縮小之后刻在半導(dǎo)體材料上，經(jīng)過后期加工，就得到了芯片。當然，光刻機的精度達到了納米級。

如果你對光刻機感興趣，可以看一下專業(yè)資料的光刻機原理解釋，如下：

光刻機通過一系列的光源能量、形狀控制手段，將光束透射過畫著線路圖的掩模，經(jīng)物鏡補償各種光學(xué)誤差，將線路圖成比例縮小后映射到硅片上，然后使用化學(xué)方法顯影，得到刻在硅片上的電路圖。 不同光刻機的成像比例不同，有5:1，也有 4:1。

激光器：光源，光刻機核心設(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，曝光不足或過足都會嚴重影響成像質(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：在不需要曝光的時候，阻止光束照射到硅片。

能量探測器：檢測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行調(diào)整。

掩模版：一塊在內(nèi)部刻著線路設(shè)計圖的玻璃板，貴的要數(shù)十萬美元。

掩膜臺：承載掩模版運動的設(shè)備，運動控制精度達到納米級。

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，并且物鏡還要補償各種光學(xué)誤差。技術(shù)難度就在于物鏡的設(shè)計難度大，精度的要求高。

量臺、曝光臺： 承載硅片的工作臺， 一般的光刻機需要先測量，再曝光，只需一個工作臺，ASML 的雙工作臺光刻機則可以實現(xiàn)一片硅片曝光同時另一片硅片進行測量和對準工作，能有效提升工作效率。

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

光刻機發(fā)展史

根據(jù)所使用的光源的改進，光刻機經(jīng)歷了 5 代產(chǎn)品的發(fā)展，每次光源的改進都顯著提升了光刻機所能實現(xiàn)的最小工藝節(jié)點。此外雙工作臺、沉浸式光刻等新型光刻技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展也在不斷提升光刻機的工藝制程水平，以及生產(chǎn)的效率和良率。

最初的兩代光刻機采用汞燈產(chǎn)生的 436nm g-line 和 365nm i-line 作為光刻光源，可以滿足0.8-0.35 微米制程芯片的生產(chǎn)。最早的光刻機采用接觸式光刻，即掩模貼在硅片上進行光刻，容易產(chǎn)生污染，且掩模壽命較短。此后的接近式光刻機對接觸式光刻機進行了改良， 通過氣墊在掩模和硅片間產(chǎn)生細小空隙，掩模與硅片不再直接接觸，但受氣墊影響，成像的精度不高。

第三代光刻機采用 248nm 的 KrF(氟化氪)準分子激光作為光源，將最小工藝節(jié)點提升至350-180nm 水平，在光刻工藝上也采用了掃描投影式光刻，即現(xiàn)在光刻機通用的，光源通過掩模， 經(jīng)光學(xué)鏡頭調(diào)整和補償后， 以掃描的方式在硅片上實現(xiàn)曝光。

第四代 ArF 光刻機：最具代表性的光刻機產(chǎn)品。第四代光刻機的光源采用了 193nm 的 ArF(氟化氬)準分子激光，將最小制程一舉提升至 65nm 的水平。第四代光刻機是目前使用最廣的光刻機，也是最具有代表性的一代光刻機。由于能夠取代 ArF 實現(xiàn)更低制程的光刻機遲遲無法研發(fā)成功，光刻機生產(chǎn)商在 ArF 光刻機上進行了大量的工藝創(chuàng)新，來滿足更小制程和更高效率的生產(chǎn)需要。

第五代 EUV 光刻機，千呼萬喚始出來。1-4 代光刻機使用的光源都屬于深紫外光， 第五代 EUV光刻機使用的則是波長 13.5nm 的極紫外光。早在上世紀九十年代，極紫外光刻機的概念就已經(jīng)被提出，ASML 也從 1999 年開始 EUV 光刻機的研發(fā)工作，原計劃在 2004 年推出產(chǎn)品。但直到2010年ASML才研發(fā)出第一臺 EUV 原型機，2016年才實現(xiàn)下游客戶的供貨，比預(yù)計時間晚了十幾年。

目前，光刻機領(lǐng)域的龍頭老大是荷蘭ASML，并已經(jīng)占據(jù)了高達80%的市場份額，壟斷了高端光刻機市場——最先進的EUV光刻機售價曾高達1億美元一臺，且全球僅僅ASML能夠生產(chǎn)。Intel、臺積電、三星都是它的股東，重金供養(yǎng)ASML，并且有技術(shù)人員駐廠，Intel、三星的14nm光刻機都是買自ASML，格羅方德、聯(lián)電以及中芯國際等晶圓廠的光刻機主要也是來自ASML。

EUV另類特性

EUV除了售價高，技術(shù)復(fù)雜外，其耗電能力也是一絕。

據(jù)媒體報道，全臺灣過去5年用電的增長量，約有1/3都是由臺積電貢獻的。而隨著新一代的可生產(chǎn)5nm工藝的EUV 微影技術(shù)的導(dǎo)入，用電量還將會暴增，可達目前主流制程的1.48倍。

業(yè)內(nèi)人士表示，EUV光刻機就是用極端的耗電來出大力做奇跡。

這背后主要因為它的幾大特性。

1，極紫外光能被很多材料吸收，包括空氣。

所以，要使用極紫外光，必須消耗電力把整個環(huán)境都抽成真空。

2，極紫外光能被透鏡吸收。

因為這個特性，將極紫外光集中到一起只能靠反射了。用硅與鉬制成的鍍膜反射鏡，可以用來集中極紫外光。但是極紫外光每被反射一次，能量就會損失三成。極紫外光從光源出發(fā)，經(jīng)過十幾次反射，到達晶圓的時候，只剩下不到2%的光線了。韓國企業(yè)海力士曾經(jīng)說過，極紫外光EUV 的能源轉(zhuǎn)換效率只有 0.02% 左右。

除此之外，要得到這樣高功率的極紫外光，需要極大的激光器。這樣大的激光器，工作時候會產(chǎn)生很大的熱量，需要一套優(yōu)良的散熱冷卻系統(tǒng)，才能保證機器正常工作，而這又需要消耗大量電力。

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。也就是說，一臺輸出功率為250W的EUV光刻機工作一天，光是光源這一項，就會消耗3萬度電!

不僅如此，這還是一門祖?zhèn)魇炙嚒?/p>

ASML的鏡片是蔡司技術(shù)打底。鏡片材質(zhì)做到均勻，需幾十年到上百年技術(shù)積淀。有業(yè)內(nèi)人士感慨：“同樣一個鏡片，不同工人去磨，光潔度相差十倍。”而在德國，拋光鏡片的工人，祖孫三代在同一家公司的同一個職位。

目前來看，國內(nèi)研發(fā)光刻機相關(guān)的企業(yè)有上海微電子裝備有限公司、中國電子科技集團公司第四十五研究所、合肥芯碩半導(dǎo)體有限公司、先騰光電科技有限公司、無錫影速半導(dǎo)體科技有限公司，其中上海微裝發(fā)展最為領(lǐng)先，是中國唯一一家生產(chǎn)高端前道光刻機整機的公司，從某種意義上可以說其代表著國產(chǎn)光刻機技術(shù)水平。而上海微裝目前可生產(chǎn)加工90nm工藝制程的光刻機，這是目前國產(chǎn)光刻機最高水平，而ASML如今已量產(chǎn)7nm工藝制程 EUV光刻機，兩者差距不得不說非常大。