一文读懂半导体业的印钞机——EUV光刻机

1965年，戈登·摩尔提出摩尔定律。当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。

这个不断触碰半导体工艺极限的定律，也经常伴随着“死亡”和“新生”两方面的话题。其中就有人认为一种名为极紫外光刻(EUV 光刻)的技术能够拯救摩尔定律。

而让小编惊掉下巴的则是它的价格——高达一亿美金。凭什么这么贵呢?

要想弄懂EUV光刻机是什么意思，就得先说光刻机。

素有半导体制造业皇冠上的明珠之称的光刻机，是芯片制造的核心设备之一，按照用途可以分为好几种：有用于生产芯片的光刻机;有用于封装的光刻机;还有用于LED制造领域的投影光刻机。用于生产芯片的光刻机技术含量极高、价格极高。涉及系统集成、精密光学、精密运动、精密物料传输、高精度微环境控制等多项先进技术，是所有半导体制造设备中技术含量最高的设备，这也是中国在半导体设备制造上最大的短板，国内晶圆厂所需的高端光刻机完全依赖进口。

光刻机的工作原理则与胶片相机类似，当你拍照的时候，按下相机快门的一瞬间，光线通过镜头折射入相机，投射到胶卷上，产生曝光。之后只需将胶卷在显影液里浸泡一下，山川楼宇就被同比缩小印在了胶卷上。

同样，光刻机可以把设计师设计的芯片图案缩小之后刻在半导体材料上，经过后期加工，就得到了芯片。当然，光刻机的精度达到了纳米级。

如果你对光刻机感兴趣，可以看一下专业资料的光刻机原理解释，如下：

光刻机通过一系列的光源能量、形状控制手段，将光束透射过画着线路图的掩模，经物镜补偿各种光学误差，将线路图成比例缩小后映射到硅片上，然后使用化学方法显影，得到刻在硅片上的电路图。 不同光刻机的成像比例不同，有5:1，也有 4:1。

激光器：光源，光刻机核心设备之一。

光束矫正器：矫正光束入射方向，让激光束尽量平行。

能量控制器：控制最终照射到硅片上的能量，曝光不足或过足都会严重影响成像质量。

光束形状设置：设置光束为圆型、环型等不同形状，不同的光束状态有不同的光学特性。

遮光器：在不需要曝光的时候，阻止光束照射到硅片。

能量探测器：检测光束最终入射能量是否符合曝光要求，并反馈给能量控制器进行调整。

掩模版：一块在内部刻着线路设计图的玻璃板，贵的要数十万美元。

掩膜台：承载掩模版运动的设备，运动控制精度达到纳米级。

物镜：物镜由 20 多块镜片组成，主要作用是把掩膜版上的电路图按比例缩小，再被激光映射的硅片上，并且物镜还要补偿各种光学误差。技术难度就在于物镜的设计难度大，精度的要求高。

量台、曝光台： 承载硅片的工作台， 一般的光刻机需要先测量，再曝光，只需一个工作台，ASML 的双工作台光刻机则可以实现一片硅片曝光同时另一片硅片进行测量和对准工作，能有效提升工作效率。

内部封闭框架、减振器：将工作台与外部环境隔离，保持水平，减少外界振动干扰，并维持稳定的温度、压力。

光刻机发展史

根据所使用的光源的改进，光刻机经历了 5 代产品的发展，每次光源的改进都显着提升了光刻机所能实现的最小工艺节点。此外双工作台、沉浸式光刻等新型光刻技术的创新与发展也在不断提升光刻机的工艺制程水平，以及生产的效率和良率。

最初的两代光刻机采用汞灯产生的 436nm g-line 和 365nm i-line 作为光刻光源，可以满足0.8-0.35 微米制程芯片的生产。最早的光刻机采用接触式光刻，即掩模贴在硅片上进行光刻，容易产生污染，且掩模寿命较短。此后的接近式光刻机对接触式光刻机进行了改良， 通过气垫在掩模和硅片间产生细小空隙，掩模与硅片不再直接接触，但受气垫影响，成像的精度不高。

第三代光刻机采用 248nm 的 KrF(氟化氪)准分子激光作为光源，将最小工艺节点提升至350-180nm 水平，在光刻工艺上也采用了扫描投影式光刻，即现在光刻机通用的，光源通过掩模， 经光学镜头调整和补偿后， 以扫描的方式在硅片上实现曝光。

第四代 ArF 光刻机：最具代表性的光刻机产品。第四代光刻机的光源采用了 193nm 的 ArF(氟化氩)准分子激光，将最小制程一举提升至 65nm 的水平。第四代光刻机是目前使用最广的光刻机，也是最具有代表性的一代光刻机。由于能够取代 ArF 实现更低制程的光刻机迟迟无法研发成功，光刻机生产商在 ArF 光刻机上进行了大量的工艺创新，来满足更小制程和更高效率的生产需要。

第五代 EUV 光刻机，千呼万唤始出来。1-4 代光刻机使用的光源都属于深紫外光， 第五代 EUV光刻机使用的则是波长 13.5nm 的极紫外光。早在上世纪九十年代，极紫外光刻机的概念就已经被提出，ASML 也从 1999 年开始 EUV 光刻机的研发工作，原计划在 2004 年推出产品。但直到2010年ASML才研发出第一台 EUV 原型机，2016年才实现下游客户的供货，比预计时间晚了十几年。

目前，光刻机领域的龙头老大是荷兰ASML，并已经占据了高达80%的市场份额，垄断了高端光刻机市场——最先进的EUV光刻机售价曾高达1亿美元一台，且全球仅仅ASML能够生产。Intel、台积电、三星都是它的股东，重金供养ASML，并且有技术人员驻厂，Intel、三星的14nm光刻机都是买自ASML，格罗方德、联电以及中芯国际等晶圆厂的光刻机主要也是来自ASML。

EUV另类特性

EUV除了售价高，技术复杂外，其耗电能力也是一绝。

据媒体报道，全台湾过去5年用电的增长量，约有1/3都是由台积电贡献的。而随着新一代的可生产5nm工艺的EUV 微影技术的导入，用电量还将会暴增，可达目前主流制程的1.48倍。

业内人士表示，EUV光刻机就是用极端的耗电来出大力做奇迹。

这背后主要因为它的几大特性。

1，极紫外光能被很多材料吸收，包括空气。

所以，要使用极紫外光，必须消耗电力把整个环境都抽成真空。

2，极紫外光能被透镜吸收。

因为这个特性，将极紫外光集中到一起只能靠反射了。用硅与钼制成的镀膜反射镜，可以用来集中极紫外光。但是极紫外光每被反射一次，能量就会损失三成。极紫外光从光源出发，经过十几次反射，到达晶圆的时候，只剩下不到2%的光线了。韩国企业海力士曾经说过，极紫外光EUV 的能源转换效率只有 0.02% 左右。

除此之外，要得到这样高功率的极紫外光，需要极大的激光器。这样大的激光器，工作时候会产生很大的热量，需要一套优良的散热冷却系统，才能保证机器正常工作，而这又需要消耗大量电力。

目前ASML公司的EUV的极紫外光光刻机的输出功率是 250 瓦，要达到这样的输出功率，需要0.125万千瓦的电力输入才能维持。也就是说，一台输出功率为250W的EUV光刻机工作一天，光是光源这一项，就会消耗3万度电!

不仅如此，这还是一门祖传手艺。

ASML的镜片是蔡司技术打底。镜片材质做到均匀，需几十年到上百年技术积淀。有业内人士感慨：“同样一个镜片，不同工人去磨，光洁度相差十倍。”而在德国，抛光镜片的工人，祖孙三代在同一家公司的同一个职位。

目前来看，国内研发光刻机相关的企业有上海微电子装备有限公司、中国电子科技集团公司第四十五研究所、合肥芯硕半导体有限公司、先腾光电科技有限公司、无锡影速半导体科技有限公司，其中上海微装发展最为领先，是中国唯一一家生产高端前道光刻机整机的公司，从某种意义上可以说其代表着国产光刻机技术水平。而上海微装目前可生产加工90nm工艺制程的光刻机，这是目前国产光刻机最高水平，而ASML如今已量产7nm工艺制程 EUV光刻机，两者差距不得不说非常大。