新一代EUV光刻机曝光：巴士大小，造价近10亿

近日，ASML方面传出消息，新一代极紫外光刻机（EUV）已研发完成，现阶段正在进行最后一部分的安装工作。据知情人士透露，这款新型EUV设备的造价将高达1.5亿美元（约合人民币9.7亿元）。

巴士大小，造价昂贵，配置逆天

这台最新的光刻机正位于美国康涅狄格州郊区的一间大型洁净室里，工程师们正进行着最后的工作，将一块巨大铝材雕刻成框架，最终让光罩以纳米级的精度在其间移动，反射极紫外光束。这些光束利用几面镜子来回反射，以惊人精度反复修饰打磨，在硅片上蚀刻出只有几十个原子大小的特征图案。

这样一台极紫外光刻机，有望让芯片制造行业沿着摩尔定律至少再走上10年时间。

值得注意的是，这台新一代极紫外光刻机大约有一辆公共巴士那么大，造价高达1.5亿美元。整个机器中包含10万个部件和2公里长的电缆。更夸张的是，这样一台极紫外光刻机想要发货，至少需要40个集装箱、3架货机或者20辆卡车。

麻省理工学院研究新型晶体管架构的教授Jesús del Alamo认为，这是一台不可思议的机器：“这绝对是一款革命性的产品，是一项突破，将给芯片行业带来新的生命。”

据悉，造好的组件将于2021年底运往荷兰，然后在2022年初安装到新一代极紫外光刻机的第一台原型机中。新一代极紫外光刻机采用更大的数值孔径来进一步缩小芯片上的元件尺寸。这种方式允许光线以不同角度穿过光罩，从而增加图案成像的分辨率。这就需要更大的镜子和新的软硬件来精确控制组件蚀刻。

ASML当前一代极紫外光刻机可以制造出分辨率为13nm的芯片。而新一代极紫外光刻机将使用更高数值孔径来制作8nm大小的特征图案。不出意外的话，新一代极紫外光刻机将比以往任何机器所蚀刻的图案尺寸更小，让每个芯片都有数百亿个元件，这台机器在未来几年所生产的芯片应该是史上处理速度最快、效率最高的。总之，阿斯麦新一代极紫外光刻机有望延续芯片制造以及整个科技行业不断进步的理念，继续让摩尔定律保持活力。

值得注意的是，ASML早在2017年就推出世界上第一台可量产的极紫外光刻机，在芯片制造领域发挥着至关重要的作用，已经被用于制造iPhone手机芯片以及人工智能处理器等最先进的芯片。到最新一代极紫外光刻机设备已经经历了数代更替，并且全世界只有诸如台积电、三星和英特尔等少数公司能买得起这样的设备。

光刻机在芯片制作中的重要性

别看芯片小小的体积，内部其实蕴含了无穷的“能量”。芯片的制造过程极其复杂，需要在晶圆片上不断累加图案，这些图案纵向连接，可达100多层。

芯片的制造包含数百个步骤，从设计到量产可能需要四个月的时间。在晶圆厂的无尘室里，珍贵的晶圆片通过机械设备不断传送，整个过程中，空气质量和温度都受到严格控制。从芯片制造的关键工艺上来看，分为以下10大步骤。

1）沉积：造芯片的第一步，通常是将材料薄膜沉积到晶圆上。材料可以是导体、绝缘体或半导体；

2）光刻胶涂覆：进行光刻前，首先要在晶圆上涂覆光敏材料“光刻胶”或“光阻”，然后将晶圆放入光刻机；

3）曝光：在掩模版上制作需要印刷的图案蓝图。晶圆放入光刻机后，光束会通过掩模版投射到晶圆上。光刻机内的光学元件将图案缩小并聚焦到光刻胶涂层上。在光束的照射下，光刻胶发生化学反应，光罩上的图案由此印刻到光刻胶涂层；

4）计算光刻：光刻期间产生的物理、化学效应可能造成图案形变，因此需要事先对掩模版上的图案进行调整，确保最终光刻图案的准确。ASML将现有光刻数据及圆晶测试数据整合，制作算法模型，精确调整图案；

5）烘烤与显影：晶圆离开光刻机后，要进行烘烤及显影，使光刻的图案永久固定。洗去多余光刻胶，部分涂层留出空白部分；

6）刻蚀：显影完成后，使用气体等材料去除多余的空白部分，形成3D电路图案；

7）计量和检验：芯片生产过程中，始终对晶圆进行计量和检验，确保没有误差。检测结果反馈至光刻系统，进一步优化、调整设备；

8）离子注入：在去除剩余的光刻胶之前，可以用正离子或负离子轰击晶圆，对部分图案的半导体特性进行调整；

9）需要重复制程步驟：从薄膜沉积到去除光刻胶，整个流程为晶圆片覆盖上一层图案。而要在晶圆片上形成集成电路，完成芯片制作，这一流程需要不断重复，可多达100次；

10）封装芯片：最后一步，切割晶圆，获得单个芯片，封装在保护壳中。这样，成品芯片就可以用来生产电视、平板电脑或者其他数字设备了。

正如上文提到的“视需要重复制程步骤”，现代芯片的结构可多达100层，需要以纳米级的精度相互叠加，这精度又称为“套刻精度”。芯片上光刻的各层图案大小不一，这意味着，光刻各层图案需要用到不同设备。ASML的DUV深紫外线光刻机有数种不同的机种，适合最小图案的关键性光刻需求以及普通图案的正常光刻。

如今，芯片的结构可多达100层，需要以纳米级的精度相互叠加，这精度又称为“套刻精度”。芯片上光刻的各层图案大小不一，这意味着，光刻各层图案需要用到不同设备。ASML的光刻机有数种不同的机种，适合各种各样图案的关键性光刻需求以及普通图案的正常光刻。

Intel尝鲜？2023年下线首批芯片

众所周知，光刻机设备极为复杂，全球只有ASML能生产高端光刻机，而且产能还极其有限。在新一代极紫外光刻机设备出现之前，台积电几乎包揽了ASML 70％的产能，哪怕是三星也没有足够的设备扩大5nm高精尖芯片的产能，这是台积电能一直领衔三星的主要原因。

而新一代极紫外光刻机设备据悉会让Intel率先采用。Intel表示，预计将在2023年下线第一批芯片。凭借比以往任何机器所蚀刻的图案尺寸更小，让每个芯片都有数百亿个元件，这台机器在未来几年所生产的芯片应该是史上处理速度最快、效率最高的。

总而言之，从整个半导体产业技术的发展角度来看，新一代极紫外光刻机设备的出现具有划时代的意义，但对于仍处在爬坡阶段的国内芯片产业来说，由于高端先进技术受到限制等原因，在尖端技术方面与头部企业的差距或将进一步被拉大。