1.5萬字光刻機超詳解：半導體產業中的珠穆朗瑪

作者：賈銘

來源：秦朔朋友圈（ID：qspyq2015）

2月24日，據路透社報道，全球唯一的商用極紫外（EUV）光刻機制造商阿斯麥（ASML）取得了一項關鍵技術突破：成功研發出穩定輸出1000瓦（1kW）功率的極紫外光源系統。據預測，到2030年，這項技術將使單臺光刻機每小時可處理約330片晶圓，較目前的220片顯著提升50%。

EUV光刻機對芯片生產至關重要。美國政府與荷蘭方面合作，阻止該設備輸華，這促使中國加快國家層面的自主研發攻關。

完整的集成電路/半導體產業鏈大致可以分為設計、制造、封裝測試、輔助材料等幾個主要環節或子鏈。

芯片設計方面，中國實際上已經躋身全球第一梯隊，比如國內芯片廠商的設計能力已經達到5nm甚至更低。設計軟件方面，歐美的EDA（Electronic Design Automation）生態最好，國產EDA在性能和對先進工藝的支持上還不如國際頭部廠商，但也可以勉強滿足自己的需求。

制造方面，我們主要關注的是晶圓、光刻機和刻蝕機。刻蝕機盡管距離國際領先水平有一定差距，但我們已經可以基本國產化。而高純度晶圓和光刻機，很多核心的專利技術還是受到美、歐、日等國家鉗制。雖然國內某芯片大廠的芯片產能已經是全球第五，但制造設備、原材料和輔助材料還是依賴進口。

封裝測試方面，封測在芯片整個產業鏈相對簡單（注意只是“相對”），設備更新比較慢，也是國內優先發展的方向，目前國內在封測領域處于世界領先地位，完全不弱于任何國家。國內有市占率全球第三的封測大廠。

輔助材料方面，高端光刻膠、掩膜版、涂膠顯影材料和設備等也依賴美、日、韓三家。比如，有數據顯示，國內適用于6英寸晶圓的g/i線光刻膠自給率為20%，適用于8英寸晶圓的KrF光刻膠自給率小于5%，適用于12英寸晶圓的ArF光刻膠目前基本靠進口。

本文無意于拆解整個半導體產業鏈，主要想粗略介紹一下光刻機。因為前道芯片制造用的光刻機，是整個集成電路產業鏈最復雜的設備，被稱為“工業皇冠上的明珠”，僅光刻機一類設備，即可自成產業鏈。

以下為正文：

1946年2月14日，美國賓夕法尼亞大學研制了全球第一臺基于電子管的計算機，占地170平方米，重達30噸，有17468個電子三極管、7200個電子二極管、70000個電阻、10000個電容器、1500個繼電器、6000多個開關。

晶體管是作為電子管的取代品而出現的。

晶體管使用硅、鍺、氮化鎵和碳化硅等半導體材料制成，可以簡單理解為一種利用電信號控制開合的微型開關，其開關速度非常快，超過1000億次/秒。

硅、鍺等本身是絕緣體，但當加入某些材料并施加電場時，就會變得導電。比如，將四價硅摻雜加入少量三價硼和五價磷做出PN結（晶體管工作的基本結構），再加上金屬氧化物做個控制門，就能做成某類晶體管。

海量晶體管密集排列，按特定設計互相連接，就是芯片。比如，12寸晶圓的直徑是約300毫米，面積是70659平方毫米。先進芯片的晶體管密度能達到1平方毫米1億個，整個芯片有上百億個晶體管。

摩爾定律的本質目標就是在單位面積的芯片上容納更多的晶體管，從而實現更強大的運算性能。

芯片的整個制造流程可以分解為晶圓制造、集成電路設計、芯片制造和芯片封測四個環節。

沙子被提純成高純度硅，冷卻后成為硅錠，然后切片、清洗、拋光成硅晶圓（wafer）。在晶圓上沉積（半）導體或隔離材料薄膜（光刻膠），然后通過特定波長的光照射，將掩膜版上的集成電路圖形轉移到硅片的光刻膠層，然后再通過刻蝕把圖形轉移到襯底上，做出裸芯片（die）——這個過程被稱為“光刻”。再對die進行加蓋、加引腳、封裝、測試——這幾步的難度相對較低。

實際上整個光刻過程，總共需要經歷沉積、旋轉涂膠、軟烘、對準與曝光、后烘、顯影、堅膜烘焙、顯影檢測等8道工序。

具體來說，第一步需要進行清洗、脫水和硅片表面成底膜處理，以便增強硅片和光刻膠之間的粘附性（氣相成底膜技術）。成底膜處理后，通過旋轉涂膠的方法涂上光刻膠材料。涂膠后進行軟烘，用以去除光刻膠中的溶劑。將掩膜版和硅片精確對準，然后進行曝光處理。曝光后需要對硅片再次烘焙，這樣做可以使之后的化學反應更加充分，從而提高顯影后的圖形尺寸和分辨率。

通過旋轉、噴霧、浸潤等方式，利用化學顯影劑溶解光刻膠上的可溶解區（一般是曝光環節中被光照射過的區域），將電路圖形留在硅片表面，即顯影——這一步非常關鍵。

顯影后通過熱烘揮發掉存留的光刻膠溶劑，提高光刻膠對硅片表面的粘附性（堅膜烘焙）。檢查顯影后的電路圖是否完美無缺。檢測合格后繼續進行刻蝕、離子注入、去膠等步驟，并視需要重復光刻步驟，最終建立芯片的“摩天大樓”。

芯片制造屬于半導體制造的前道工藝，對應的半導體制造設備（前道設備）主要有光刻機、刻蝕機、薄膜沉積設備、離子注入機、CMP設備、清洗機、前道檢測設備和氧化退火設備，覆蓋從光片到晶圓的成百上千道工序，直接決定了芯片制造工藝的質量。芯片封裝和測試是后道工藝，對應的后道設備主要分為測試設備和封裝設備。

實際上，光刻機可以分為前道光刻機和后道光刻機。

前道光刻機用于芯片的制造，曝光工藝極其復雜，后道光刻機主要用于封裝測試，實現高性能的先進封裝，技術難度相對較小。

從晶圓制造廠資本開支來看，集成電路制造設備投資一般占集成電路制造領域資本性支出的70%～80%，且隨著工藝制程的提升，設備投資占比也將相應提高。典型的集成電路制造設備投資中，氧化爐、涂膠顯影機、光刻機、刻蝕機、薄膜沉積設備、離子注入設備、測試設備、拋光設備、清洗設備等前道工藝設備投資額占比較高（80%），后道工藝的封裝測試設備投資額占比為20%。

其中，光刻機占前道設備投資的23%左右，是整個半導體產業鏈最昂貴的單體設備。如果考慮到光刻工藝步驟中的光刻膠、光刻氣體、掩膜版、涂膠顯影設備等諸多配套設施和材料投資，整個光刻工藝占芯片成本的30%左右。隨著芯片技術的發展，重復步驟數增多，先進芯片需要進行20～30次光刻，光刻工藝的耗時可以占到整個晶圓制造時間的40%～50%。

目前，全球的光刻機市場被荷蘭阿斯麥（ASML）、日本佳能（Canon）和尼康（Nikon）三大巨頭壟斷。

ASML是絕對的龍頭，市占率超過60%，在當前最主流的DUV浸入式光刻機市場占據了最大的份額，同時獨家壟斷了頂級的EUV光刻機市場。尼康在中高端光刻機也有一定市占，佳能則集中在低端區域。2024年，ASML、Nikon、Canon的光刻機出貨達683臺，銷售金額約264億美元。EUV、ArFi、ArF三個高端機型共出貨212臺，其中ASML占比90%以上(201臺）。

光刻機是半導體設備中最昂貴、最關鍵但也是國產化率最低的環節。

按照光源劃分，市面上主流的光刻機可分為g-line、i-line、KrF、ArF、EUV五種，其中g-line逐漸走向邊緣。國產光刻機主要集中在90nm制程的單工件臺干式DUV（KrF、ArF）光刻機，且主要用于芯片的后道封測。

光刻產業鏈的高度復雜性主要體現在兩點——

一是作為光刻核心設備的光刻機組件復雜，包括光源系統、照明系統、物鏡系統、浸入式系統、雙工件臺等在內的組件技術全球只有極少數幾家公司能夠掌握。ASML也不是一家就能造EUV，需要多家頂尖企業相互配合才可以完成。

二是與光刻機配套的光刻膠、光刻氣體、掩膜版等半導體材料和涂膠顯影設備等同樣要求很高的技術含量。比如，寬譜g/i/h線光刻膠基本完成國產替代，但高端KrF、ArF和EUV光刻膠基本被美國和日本的企業壟斷，韓國企業占一點比重，中國大陸基本依靠進口。

01

瑞利準則：光刻的基礎物理原理

光刻的過程是特定波長的光線穿過光掩膜版再通過透鏡，將掩膜版上的集成電路圖形成像到晶圓表面。我們知道，光在均勻介質中直線傳播，所以理想的成像系統，點光源通過透鏡后所成的像依然是一個完美的點。

但實際的光學系統中的透鏡具有一定的孔徑，光穿過透鏡后會發生衍射，因此所成的像并不是一個點，而是一個“艾里斑”，能夠區分兩個光斑的最小距離，就是分辨率。分辨率在芯片制造中體現為投影光學系統在晶圓上可實現的最小線寬。

由于芯片越做越小，芯片上集成的晶體管越來越多，元件線路越來越密集，因此，光刻機需要達到更高的分辨率。光刻分辨率是光刻曝光系統最重要的技術指標，由光源波長、數值孔徑、光刻工藝因子決定，即瑞利準則（也稱為瑞利第一公式）。

瑞利準則指衍射極限系統中的分辨率極限。可以用以下公式表示：

CD=k1?λ/NA

其中，CD（Critical Dimension）表示集成電路制程中的特征尺寸，即分辨率，λ為光源波長，NA（Numerical Aperture）是光學器件的數值孔徑。k1為光刻工藝和材料相關的常數因子。

阿斯麥（ASML）認為，單次曝光中k1的物理極限為0.25。但通過組合使用計算光刻、多重圖形等分辨率增強技術，光刻工藝因子已突破其理論極限0.25。數值孔徑的計算公式為：

NA=n*sinα

指透鏡與晶圓之間介質的折射率（n）和半孔徑角（α）的正弦乘積。孔徑角（2α）是指透鏡光軸上的物體點與物鏡前透鏡的有效直徑所形成的角度，它定義了可以收集多少光。在其他條件一定的情況下，更大的透鏡直徑允許更大的入射角，從而增加數值孔徑。因此，光刻機的透鏡最好在工藝能力允許的前提下盡可能做大一些。

孔徑角與透鏡的有效直徑成正比，但與焦深（DoF）成反比。在光刻中，在透鏡的焦點周圍會有一個范圍，在這個范圍內的光刻膠能夠清晰地曝光，如果超出這個范圍，曝光的圖像就會模糊，導致圖案轉移不均勻。

DoF是指在保持曝光成像質量的前提下，晶圓表面可以上下移動的距離，可以通俗理解為光刻的深度。焦深越大，層間誤差越小。

焦深的計算公式（也稱為瑞利第二公式）為：

顯然，焦深也限制了NA的無限擴大。因此，在光源波長一定的情況下，可以通過增大數值孔徑減小分辨率，但需要和DoF折中考慮。

02

技術演進：追尋光刻的最優參數

瑞利準則決定光刻機的技術路線有三個主要的突破方向：縮短光源波長，增大數值孔徑，降低工藝因子。

對這三方面技術的突破，對應了光刻機的迭代。

（一）縮短光源波長

光源波長方面，主要經歷了g-line，i-line，KrF，ArF，（F2），EUV五種，波長由436nm縮短至13.5nm，對應的芯片制程從800nm縮短至3nm。

一代和二代光刻機的光源來自高壓汞燈，對應制程主要集中在0.8μm-0.25μm，即800-251nm（注：1μm=1000nm）。

高壓汞燈是一種氣體放電的電光源，橄欖型燈泡內密封有一個放電管、兩個金屬電極，并充有汞和氬氣。汞燈工作時，初始啟動時是低壓汞蒸氣和氬氣放電，放電產生的熱量使得汞蒸氣升壓，電弧收縮，高壓汞蒸氣產生電離激發，汞原子最外層的電子、原子和離子間產生碰撞而發光。高壓汞燈光線的主要輻射范圍為254-579nm譜線。365nm和436nm光源分別是高壓汞燈中能量最高，波長最短的兩個譜線。使用濾波器可以把紫外光i-line（365nm）或g-line（436nm）分離出來，作為第一、二代光刻機的光源。

三代和四代光刻機的光源主要是KrF（248nm）和ArF（193nm）準分子激光器，對應制程在65nm-350nm。

準分子激光技術始于上世紀60年代，光源工作介質一般為稀有氣體及鹵素氣體，并充入惰性氣體作為緩沖劑，工作氣體受到放電激勵，在激發態形成短暫存在的“準分子”，準分子產生輻射躍遷，形成紫外激光輸出。不同的介質氣體產生Kr2/Ar2/XeF/KrF/ArF/XeCl等激光輻射。

氟化氪（KrF）、氟化氬（ArF）準分子激光器由于在輸出能量、波長、線寬、穩定性等方面的優勢，成為最重要的紫外和深紫外波段的激光光源，被用于光刻領域。

目前使用最廣泛的深紫外光刻機（Deep Ultraviolet Lithography，DUV）一般采用ArF光源，加入浸入式技術的光刻機被稱為ArFi光刻機（多出的這個i代表加入了浸入式技術），加入浸入式技術并通過多重曝光技術最高可以實現7nm制程。

第五代也是最新一代光刻機的光源為EUV（13.5nm），極紫外光（Extreme Ultraviolet Lithography，EUV）本質不是激光，而是等離子體輻射光源（LPP），但其產生過程需要使用高功率激光器轟擊金屬錫（Sn）。

EUV光刻機對應制程為1-7nm，ASML是目前全球唯一的EUV光刻機供應商。

目前已知有4種方案可以獲得EUV光源，分別是激光激發等離子體技術（LPP）、氣體放電等離子技術（DPP）、激光輔助放電技術（LDP）、穩態微聚束技術（SSMB）。

全球只有ASML子公司Cymer和日本Gigaphoton兩家企業可以生產EUV光源（但這兩家企業也需要其它企業提供核心部件），使用的都是主流的LPP技術。LPP技術是使用20kW以上的高功率二氧化碳（CO2）激光器在真空腔內連續兩次精準轟擊從發生器中以每秒5萬次的頻率被噴射出來直徑20μm的高純度Sn靶。

第一次轟擊使用低強度的預脈沖撞擊圓形錫滴使其膨脹，變成薄餅型。由于薄餅錫受光面積大，光強增大。然后第二次高強度的主脈沖以全功率撞擊薄餅錫，錫原子被電離，產生高溫、高密度的等離子體云，就在這團等離子體冷卻衰變的極短瞬間，錫離子會釋放出波長為13.5納米的極紫外光子。收集鏡捕獲等離子體發出的EUV輻射（13.5nm），將其集中起來傳遞至曝光系統。

現存商用型EUV光刻機的極紫外光源在600w左右，但是由于轉化效率低，最終只有2%～4%最終轉化為有用的13.5nm EUV光，其余能量即為廢熱。

如果要提升功率，則需要在單位時間內提升高純度Sn的噴射速度和激光命中次數。文章開頭提到的ASML此次的技術創新，實際上就是實現了在Sn滴噴射頻率倍增（10萬次）的情況下，通過重構激光脈沖策略保證命中準確率，進而提高EUV光源功率。這實際上是一個非常復雜的系統性工程，涉及在極高頻率下保持錫滴大小、位置和速度的極度均一、熱管理、錫碎片的清理以及光學元件的保護等等。

從瑞利準則可以推斷，縮短光源波長是提高分辨率最直接的方法，但光源發展到ArF（193nm）時，光源迭代速度放緩，ASML、Canon、Nikon等巨頭開始將目光轉向提高數值孔徑，并出現了F2（光源演進）與ArF+immersion（增大NA）的路線之爭。

（二）增大數值孔徑

數值孔徑方面，當物鏡直徑面臨瓶頸時，采用非球面元件、浸沒式裝置、引入反射元件減小折射角度，也可以進一步增大數值孔徑（NA）。

光刻技術經過了接觸式、接近式、投影式三次迭代。20世紀60年代的接觸式光刻技術適用于小規模集成電路（分辨率在亞微米級），單次曝光整個襯底，且接觸式光刻的掩膜版與晶圓表面直接接觸，很容易產生劃痕，降低晶圓良率和掩膜版的使用壽命。

為解決上述問題，20世紀70年代產生了接近式光刻技術，晶圓和掩膜版之間留有間隙且以氮氣填充。雖然解決了劃痕的問題，但光由玻璃介質進入氣體介質，會發生衍射。衍射效應改變了光的角度，限制了分辨率極限（2μm）。

另外，對于接觸式和接近式光刻技術，掩膜版圖形和晶圓尺寸是1:1的關系，限制了線寬。

20世紀70年代中后期，出現了投影式光刻技術。投影式光刻可以借助物鏡投影成像，縮小投影尺寸，進一步提高分辨率。

但投影式光刻依然面臨衍射效應，線寬越低，受衍射效應影響越大。因此，需要增大投影物鏡直徑來提升入射角（α），從而擴大數值孔徑（NA）來接受更多的光。但當線寬小于65nm時，物鏡直徑已經增大到導致物鏡內聚焦的光角度越來越大，再經過折射效應（n），射出投影物鏡的光角度接近水平，無法在晶圓表面成像。引入非球面結構后，在不改變物鏡口徑的情況下改變了折射角度，將NA提升至0.9，接近（干式光刻的）物理極限。

此時，Nikon選擇著重攻克波長更短的F2（157nm）光源，但透鏡材料僅能用氟化鈣（CaF2），光刻膠也需要重新研制，研發成本和產業換代應用的成本都很高。ASML則采用臺積電（研發副總林本堅）的建議：放棄突破157nm，退回到技術成熟的ArF（193nm）光源，在投影物鏡和晶圓間加純水，從而增大介質折射率，由于水對193nm光的折射率高達1.44（空氣=1），那么波長可縮短為193/1.44=134nm＜F2（157nm），NA值達到1.07。此后又進一步引入反射鏡，采用折反式光學系統，配合浸沒式，將NA提升到1.35（極限值）。

所以，增大NA的技術路徑發展趨勢為（干式）球面鏡、非球面鏡、（浸沒式）非球面鏡、折返式。

浸入式技術原理雖然看起來簡單易懂，但從理論構思到工業應用，需要攻克氣泡消除、水漬控制、水溫溫控、光刻膠設計等技術難關，需要深厚的流體動力學技術積累，對顆粒、溶解氧、溫度、離子等進行控制，保證水質、溫度和壓力。

Nikon光刻機主要集中于DUV光刻機（干式和浸入式），也是全球除了ASML以外唯一能生產浸入式光刻機的廠商。

當然，按照數值孔徑的計算公式（NA=n*sinα），理論上通過研究新的光學材料和浸沒液可以通過改變折射率和入射角進一步提高NA，但深紫外光和極紫外光的波長太短且光子能量很高，很容易被光學材料和浸入液吸收，可用作透鏡的材料有限，當前的方案主要有熔融石英（Fused silica）和氟化鈣（CaF2），熔融石英技術成熟且熱膨脹系數低，是DUV的首選，CaF2加工難度大、成本高，但會在鏡頭特定位置添加CaF2校正系統色差。

（三）降低工藝因子

ASML原來認為單次曝光中k1的物理極限為0.25。但通過組合使用計算光刻、離軸照明、相移掩膜等分辨率增強技術（RET），k1已突破0.25。

衍射效應導致成像模糊，如果想要得到清晰的電路，就需要對光路上的組成部分做修改，因此，掩膜版圖形與芯片上最終成型的晶體管、器件、互聯線路圖形并非一一對應。比如，光刻一個簡單的“十”字，掩膜版的圖形可能復雜到像人類大腦的剖面圖。沒有強大的計算光刻能力，很難實現這樣復雜的掩模版設計。

通過改進光源系統和掩膜圖形，盡可能消除圖像失真，進而提高分辨率的過程，就是計算光刻。

常見的計算光刻技術包括光學鄰近效應修正（OPC）、亞分辨率輔助（SRAF）、光源－掩膜協同優化技術（SMO）、多重圖形技術（MPT）、反演光刻技術（ILT）等，涉及電磁物理、光化學、計算幾何、迭代優化和分布式計算等復雜計算。

在2023年開發者大會上（GPU Technology Conference,GTC）上，英偉達（NVIDIA）、臺積電（TSMC）、阿斯麥和新思科技（Synopsys）聯合宣布，完成全新的人工智能（AI）加速計算光刻技術軟件庫cuLitho。cuLitho的核心是一組并行算法，計算光刻工藝的所有部分都可以并行運行。已知軟件庫中有多項用于實現不同功能的技術，如cuDOP用于衍射光學，cuCompGeo用于計算幾何，cuOASIS用于優化，cuHierarchy用于AI。

英偉達稱，基于GPU的cuLitho計算光刻技術，其性能比當前光刻技術工藝提高了40倍以上，原來需要4萬個CPU系統才能完成的工作，現在僅需用500個GPU（NVIDIA DGX H100）系統即可完成，使用cuLitho的晶圓廠每天的光掩模產量可增加3-5倍，而耗電量可以比當前配置降低9倍。

從長遠來看，cuLitho將帶來更好的設計規則、更高的密度和產量，以及AI驅動的光刻技術，不僅使晶圓廠能夠提高產量、減少碳足跡，還能為2nm及更高工藝的High-NA EUV光刻工藝奠定基礎。

有意思的是，芯片是人工智能的算力底座，如今，AI技術又被應用在芯片設計中，反過來促進了算力水平的提升。

除計算光刻外，離軸照明技術（OAI）通過采用特殊光源將正入射光轉換為斜入射光，使得同等數值孔徑可以容納更多的高階光，從而曝光更小尺寸結構以提高分辨率。當兩個光源進行成像時會在重合部分產生干涉效應，使光強增大，導致兩個光源不能有效地區分開，相移掩膜技術（PSM）通過改變掩膜結構對其中一個光源進行180度相移，兩處光源產生的光會產生相位相消，光強相消，可以區分開兩個光源，從而提高分辨率。

上述三個方向的技術演進，一直支撐著光刻機的代際迭代。

目前占據市場主流的依然是DUV光刻機，浸入式DUV光刻機的單次曝光主要生產28nm及以上制程的芯片，ArFi+雙重曝光可以生產22/20/16/14nm，多重曝光可以生產7nm甚至5nm制程。但當制程微縮至10nm及以下時，多重曝光大幅增加了光刻、刻蝕、沉積等工藝的復雜度，也帶來良率損失的風險，使得晶圓光刻成本增加2-3倍。實際上，在22nm節點之后，DUV已經很難再實現優化，只能重新開發新的極紫外光源（13.5nm）。而隨著EUV光刻機的出現，芯片制程最小可以達到3nm。

下一代光刻機又回到了提升數值孔徑的路線，標準的EUV光刻機的數值孔徑是0.33。目前ASML正在研發High-NA EUV光刻機（Twinscan NXE:5000/5200）的數值孔徑為0.55，制程可達2nm、1.8nm，在分辨率和套刻精度上的性能表現將比目前的EUV系統高70%，即將量產。

雖然業界已經在討論超數值孔徑（Hyper-NA，NA>0.7）的EUV光刻機，但技術難度和制造成本都將極高，產業化的可能性不大。

03

結構拆解：ASML的EUV光刻機

ASML是全球唯一能夠生產EUV光刻機的公司，通過對ASML的EUV光刻機進行粗略的拆解，可以直觀呈現光刻機的模塊構成進而透視其技術難點。

EUV光刻機共有約10萬個零件，重達180噸，包含晶圓輸運系統、雙工作臺、掩膜版輸運系統、系統測量與校正系統、曝光系統、浸沒系統、物鏡系統、光源系統、光柵系統、減震系統等十幾個模塊。從技術原理來看，光刻機的三大核心，分別是光源系統、物鏡系統、雙工作臺。

值得申明的是，EUV整機的10萬個零部件由分布在全球的5000多家供應商提供，其中約90%的關鍵設備來自外國而非荷蘭本土，ASML實質上只負責光刻機設計與模塊集成。

（一）光源系統

深紫外光是準分子光源，由激光器產生，極紫外光本質是等離子體輻射光源，不能由準分子激光器產生。ASML采用的是主流的激光激發等離子體（LPP）技術，即由高能激光兩次精準轟擊Sn靶激發高強度的等離子體，收集并捕獲等離子體發出的13.5nm EUV輻射，將其集中起來傳遞至曝光系統。

所以，EUV光源系統由光的產生、光的收集和傳輸、光譜的純化與均勻化三大單元組成。

第一個技術難點是制造高功率光源。

極紫外光刻需要光源功率至少達到250w，倒推激光器的激發功率要達到20kW以上。目前能提供EUV光源的僅有ASML子公司Cymer和日本Gigaphoton，二者均使用基于電調制種子源加多級功率放大器的納秒脈沖光纖激光器（Master Oscillator Power-Amplifier,MOPA）和預脈沖相結合的方案轟擊Sn靶。Cymer使用通快激光放大器，Gigaphoton使用三菱電機生產的放大器，結構和原理類似。

與傳統的固體和氣體激光器相比，光纖激光器的轉換效率更高，結構簡單，光束質量高（有助于降低衍射效應），體積小，散熱效果更好，使用壽命更長等特點。

第二個技術難點在于光的收集和均化。

首先，EUV的波長為13.5nm，很容易被包括鏡頭玻璃在內的材料吸收，所以需要使用反射鏡來代替透鏡。普通打磨鏡面的反射率不夠高，必須使用布拉格反射器（Bragg Reflector），它是一種復式鏡面設計，可以將多層的反射集中成單一反射。其次，空氣也會吸收EUV并影響折射率，所以光路通過的腔體必須是真空狀態。最后，保證分辨率還需要對光進行均勻化。ASML采用的是FlexRay照明器，由能量均衡組件、光束分割組件、微反射鏡陣列和傅里葉變換鏡組組成，本質上是一個微光機電系統（Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems,MOEMS），核心器件是一組（64×64個）場鏡和光瞳鏡，均為可轉動的微反射鏡陣列（MMA），通過改變每一個反射鏡的角位置改變照明光瞳，最后出來的光就被均勻化了。照明系統共約1.5萬個組件，重1.5噸。

第三個技術難點在于光源的穩定傳輸。

使激光束以極大功率穩定傳輸的照明系統非常復雜。以通快（TRUMPF）的激光器為例，核心組件有高功率種子模塊、由4—5個諧振腔組成的高功率放大鏈路、光束傳輸系統和光學平臺。放大器將幾瓦的CO2激光脈沖連續放大10000倍以上，達到40kW。從種子光發生器到Sn靶的整個照明系統有500多米的光路，對所有零部件的要求都非常苛刻。

另外，EUV在照明系統中的每一次反射都會損失約三成能量，經過反射鏡陣列，最后到達晶圓的光線大概只能剩下2%左右。反射過程中被吸收的能量也必須用大功率散熱系統進行冷卻。光源的穩定性和聚光元件的保護也是巨大的挑戰，因為用于激發的激光器本身存在抖動，激光與等離子體作用時產生的污染將會對光源聚光元件造成影響和破壞。

（二）物鏡系統

EUV從光源系統發出后，首先進入照明系統，優化光束，接著光穿過掩模版，再經過投影物鏡，將掩模版上圖案聚焦成像在晶圓表面的光刻膠上。在早期的低分辨率光刻機中，物鏡結構有全反射型、全折射型、折反射型、透射型等多種結構。由于EUV波長短、穿透性強，DUV所用的透射式系統無法使極紫外線偏折，故而物鏡系統中只能使用全反射的投影系統。全反射系統設計要求光束相互避讓，誤差容忍度低，對光學元件加工的要求極高，其性能的高低直接決定了光刻機的分辨率和套刻精度。

2010年，ZEISS研發出全球第一套EUV光學系統，2012年量產。最新一代EUV光刻機投影物鏡約有2萬個組件，重2噸。ZEISS是ASML光刻機所用透鏡、反射鏡、照明器、收集器和其他關鍵光學元件的全球唯一供應商。

第一個技術難點是原子級的平整度。

EUV光刻機的反射鏡最大直徑1.2米，面形精度峰谷值0.12納米，表面粗糙度20皮米（0.02納米），這意味著如果把鏡片放大到德國那么大，表面粗糙度也只有0.2毫米。

第二個技術難點是多層鍍膜工藝。

由于EUV能量很高，會引起反射鏡表面的化學反應和損傷。所以，反射鏡需要高度純凈的材料和多層表面鍍膜，EUV物鏡的鍍膜由鉬和硅的交替納米層制作，最高達100層，且多層膜厚度誤差在0.025納米（原子級別）。鍍膜工藝由蔡司（ZEISS）與弗朗霍夫應用光學與精密工程研究所（Fraunhofer IOF）共同研發。

第三個技術難點是真空潔凈度要求。

由于絕對的平整度要求，任何環境中的微小顆粒都會對工藝質量造成極大破壞，所以整套系統要求極高的真空潔凈度，蔡司（ZEISS）位于奧伯科亨（Oberkochen）的總部實驗室能達到該要求。

第四個技術難點是浸入式技術。

EUV目前主要采用局部浸入式，即在投影物鏡最后一個透鏡的下表面與光刻膠之間充滿高折射率的液體（純水），并保證水隨著光刻機在晶圓表面做掃描運動，其好處是對系統的改造小，工件臺與干式系統相同，并可以保留原有的對準系統和調平調焦系統。不過，仍需要克服浸潤液氣泡、鏡頭表面腐蝕、套刻精度受限等技術難題。目前只有ASML和尼康兩家公司掌握浸入式技術。

此前EUV光刻機的上市時間不斷被延后，主要有兩大方面的原因，一是所需的光源功率遲遲無法達到250w的工作功率需求；二是光學透鏡、反射鏡系統對于光學精度的要求極高，生產難度極大。物鏡的制作不僅需要采用精度最高的打磨機和最細的鏡頭磨料，還需要頂級的“技術工人”。在光學鏡頭的生產工序中，僅光學表面成形拋光技術（Computer Controlled Optical Surface,CCOS）就有小磨頭拋光、應力盤拋光、磁流變拋光、離子束拋光等高難度的超精密工序。高端光刻機整機價格超過3億美元，鏡頭的價值接近0.6億，成本占比相當大。

上述兩方面的原因甚至使得ASML難以獨立支撐龐大的研發費用支出，不得不在2012年向三星、臺積電、英特爾聯合體出售23%的股權，融資支持EUV光刻機的研發，并約定上述三家擁有優先供貨權。

此后，ASML收購了全球領先的準分子激光器供應商Cymer，并以10億歐元現金入股光學系統供應商ZEISS，加速EUV光源和光學系統的研發進程，這兩次并購也是促成EUV光刻機研發成功的重要原因。

（三）雙工件臺

工件臺是承載晶圓的平臺，也被稱為承片臺，由吸盤模塊、驅動模塊、導向模塊、位置測量模塊和運動控制模塊組成。承片臺上有真空吸盤用于固定硅片，宏動模塊是承載微動模塊的運動裝置，主要完成長行程運動，微動模塊實現納米精度的運動，共同完成硅片的定位和傳輸，超精密位移測量系統負責實時高精度位置測量和反饋。

早期的工件臺為單工件臺形式，單個工件臺串聯執行上下片、測量、對準和曝光等工序，產出效率較低。而2000年，ASML的雙工件臺（TWINSCAN）推向市場，采用“直線電機+氣浮導軌+激光干涉儀”的方案。

雙工件臺的基本運行原理是兩個工件臺聯動運行，當位于曝光工位的工件臺做曝光時，位于測量工位的工件臺提前完成上片、對準、三維形貌測量等工序，之后兩個工件臺互換位置，如此循環。雙工件臺比單工件臺的效率提升3倍以上，也更能適應浸入式光刻的需求，避免了物鏡系統與硅片間的水膜影響硅片測量的準確性，提升了光刻精度。

2008年，新一代NXT平臺采用了創新型材料，并使用磁懸浮平面電機和平面光柵測量技術，生產效率再提高30%。

深紫外ArFi光刻機和EUV光刻機使用的都是新一代的NXE雙工件臺。

第一個技術難點是高加速度。

目前投產的EUV光刻機（NXE:3600D），12寸晶圓的光刻生產速度為170片/小時以上，下一代NXE:3600E和NXE:4000F的吞吐量都將擴容到220片/每小時，這意味著承片臺需要以高達7g的加速度高速移動。7g的加速度意味著從0km/h加速到100km/h只要約0.4秒，而F1賽車需要2.5秒。

第二個技術難點是精確對準。

EUV的套刻精度（芯片制造需要層層疊加，每次重疊的誤差稱為套刻精度）要求是2nm以下。晶圓從傳送模組到承片臺的機械誤差高達數千nm。投影物鏡和晶圓表面的高低差累計也可達到500-1000nm。所以，每次曝光前，雙工件臺必須與計算光刻軟件結合，對每片晶圓做精密量測，截取到晶圓每一個區塊納米等級的微小誤差，在曝光階段進行實時校正。目前能夠掌握該項技術的只有ASML。

第三個技術難點是穩定運動。

EUV光刻機的運動控制模塊可以做到吸收平衡晶圓平臺所施加于機座的反作用力，使整座機臺完全靜止。位置測量模塊采用平面光柵技術，兩個工件臺上分別布置4個光柵編碼器，具有4個面內測量信息和4個面外垂向測量信息，利用8個位移測量信息得到六自由度位移，精度可以做到0.06nm。

總之，EUV光刻機幾乎逼近目前物理學、材料學以及精密制造的極限。所以EUV不僅是頂級精密制造的學問，更以前沿科學研究為基礎。上海微電子裝備公司（SMEE）董事長對EUV光刻機的精度有過形象的比喻：相當于兩架大飛機從起飛到降落，始終齊頭并進，一架飛機上伸出一把刀，在另一架飛機的米粒上刻字，還不能刻壞。

04

光刻機的國產化進程

實際上，中國光刻機的實驗室研制起步并不晚，早在70年代就研制出接觸式曝光系統，但產業化落地嚴重滯后。

為強化國內半導體產業鏈自主研發能力，國務院于“十二五”規劃期間推出“極大規模集成電路制造裝備及成套工藝”重大專項，簡稱“02專項”，旨在突破集成電路制造裝備、材料、工藝、封測等核心技術，形成完整的產業鏈和較強的國際競爭力。

國產光刻機的主要企業為上海微電子（SMEE），上海微電子自主研發的90nm制程SSA600/20步進掃描投影光刻機正是通過承擔“02專項”的“90nm光刻機樣機研制”項目。該光刻機于2018年3月面世，可滿足國內重要機構使用需求，不受國外限制。SSA600/20光刻機的核心零部件約占所有零部件的70%—80%，都已經實現國產化，剩下20%未國產化的部分主要是板卡等非核心零部件，如果有必要，隨時可以實現國產替代。但SSA600/20的產能和良率較ASML還有較大差距，且主要用于集成電路的后道封測。

國產光刻機還處于單工件臺干式DUV階段，光源主要是i-line、KrF和ArF。最新消息是上海微電子的28nm光刻機樣機已經交付企業測試，實際制程對應45nm左右。但樣機驗收和產業應用是兩個概念。樣機驗收只需要成功完成晶圓曝光即可。到工廠應用，至少要兩年時間才能得到足夠的良率數據，如果一切順利，將良率調優到90%以上可能還需要3—5年時間。ASML的光刻機發到臺積電，也需要兩年左右的時間安裝、調試，才能正式量產。另有消息說某知名廠商通過購買尼康的光刻機進行改造，通過多重曝光技術也實現了高制程芯片的量產，但具體細節不得而知。

光源方面，中國已經可以制造高能準分子激光器，甚至不乏一些國際市占率還不錯的優質企業，有一些光學元件、激光器件也供貨ASML，TRUMPF，Lumentum等國際企業。不過，目前國內的激光器還是在DUV光源，EUV光源研發則剛剛起步，僅有實驗室級別的DPP-EUV光源。前段時間，清華大學提出了穩態微聚束技術（SSMB）方案，也很有前景，但尚未得到產業應用。

物鏡方面，技術節點已經突破90nm，反射鏡的面形精度PV可以做到30nm（ASML EUV PV<0.12nm），表面粗糙度可以做到0.5nm（ASML EUV表面粗糙度<30pm）。物鏡的真空腔體也可以自主制造。

雙工件臺仍處于實驗室階段。產學合作研發的實驗室階段的雙工件臺的運動精度已經可以達到10nm，但還沒有正式的產業化應用。另外，目前的工件臺主要適配于干式光刻機，應用于浸入式光刻機的工件臺仍在研發。

另外，國內對整個多重曝光技術的掌握程度還比較低。多重曝光技術將原本一層光刻的圖形拆分到多個掩模上，利用光刻Litho和刻蝕Etch實現更小制程，可以在犧牲良率和產量的情況下生產更低制程的芯片，比如使用DUV光刻多重曝光可以實現7nm制程。

國內光刻機當前重點攻關的是浸入式ArFi光刻機（波長等效134nm）。如果順利突破，這就意味著國產光刻機邁進DUV光刻機的高端行列。

05

突破路徑：ASML的啟示

（一）復盤ASML的歷史

1955年，貝爾實驗室開始采用光刻技術。1961年，GCA公司制造出第一臺接觸式光刻機。20世紀80年代，尼康發布了第一臺商用步進式光刻機NSR-1010G。1984年尼康與GCA各占據30%市場份額，同年ASML剛剛成立。

ASML從一個默默無聞的小公司逐步成長為光刻機霸主的歷程發展歷史中有幾個里程碑事件。

1991年，ASML公司推出PAS 5500這一具有業界領先的生產效率和精度的光刻機。PAS 5500的模塊化設計使得同一個系統能夠生產多代先進芯片。PAS 5500也為ASML帶來幾家關鍵的客戶，包括臺積電，三星和現代，這些客戶是公司后來實現盈利的關鍵。

1997年，為了突破193nm波長，英特爾和美國能源部牽頭成立了EUV LLC聯盟，成員包括摩托羅拉、IBM以及若干美國知名研究機構，但聯盟早期成員沒有光刻機廠商，于是ASML順勢加入并共享研究成果。隨后，ASML就開始了漫長的EUV光刻機研發過程。

2001年，公司推出TWINSCAN系統和革命性的雙工作臺技術，一般的光刻機只有一個工作臺，需要先測量，再曝光，而雙工作臺技術實現測量與曝光同時進行，在對一塊晶圓曝光的同時測量對準另外一塊晶圓，一下子把生產效率提升了35%以上。

2003年，ASML與臺積電合作推出浸入式光刻機。盡管同期尼康基于F2光源（157nm）和干式微影技術的90nm產品和電子束投射（EPL）產品樣機研制成功，但相對于尼康的全新研發，ASML的產品屬于改進型成熟產品，在為半導體芯片廠商節約大量成本的同時實現工藝提升，半導體廠商只需對現有設備進行微調就能將蝕刻精度提升1-2代，并且其縮短光波的效果也優于尼康產品（多縮短25nm）。可以想象，幾乎沒有廠商愿意選擇尼康的產品，尼康在高端光刻機領域的“潰敗”由此開始。

此后，尼康痛定思痛選擇調轉方向研發浸沒式光刻系統，并推出NSR-S622D、NSR-S631E、NSR-S635E等產品，但半導體設備更新換代迅速且投資很高，新產品總是需要至少1～3年時間由前后道多家廠商通力磨合，可謂一步慢、步步慢。ASML在浸入式系統上的先行優勢使其有更充裕的時間改進設備、提高良率，產品可靠性自然領先尼康。

從此，代表日本高端光刻機的尼康逐漸敗給了日后的高端光刻龍頭ASML。

2006年，ASML推出EUV光刻機的原型機。由于EUV光刻機的研發難度極大，2013年ASML才推出第一臺EUV量產產品，進一步加強行業壟斷地位。

（二）三大策略

ASML光刻機采用模塊化的設計、制造、集成和調試。各模塊系統與單元組件分別在ASML產業鏈聯盟伙伴和關鍵供應商內部完成，之后交由ASML組裝，然后再分解成若干單元，將其包裝并空運到用戶的Fab廠房，再次進行整機安裝調試。這種模式加快了ASML新產品開發速度，縮短了產品上市周期。實際上，光刻機90%的關鍵設備來自外國而非荷蘭本國，ASML作為整機公司，只負責光刻機設計與集成各模塊，需要全而精的上游產業鏈做堅實支撐。

縱覽ASML的發展歷史，ASML主要采取了幾方面的合作創新策略：

第一，通過收購/入股，深度綁定上游供應商。

2000年以來ASML歷經7次主要收購，包括美國光刻機制造商SVG，美國計算光刻軟件公司Brion，美國EUV光源制造商Cymer，獲取了上游光源、鏡頭等光刻機關鍵部件的領先技術。多次并購加速了EUV光源和光學系統的研發進程，也是EUV光刻機能研發成功的重要原因。2016年收購中國臺灣的漢微科（HMI），吸收其電子束晶圓檢測能力；2017年收購蔡司（Zeiss）24.9%的股份；2019年收購荷蘭電子束光刻廠家Mapper做技術儲備；2020年收購Berliner Glas，主要提供晶圓臺和夾具、掩膜卡盤和鏡塊。

第二，鼓勵客戶參股公司，構筑利益共同體。

2012年，公司推出“Customer Co-Investment Program”，該計劃允許其大客戶對ASML進行少數股權投資，英特爾、臺積電、三星投資總計約39億歐元取得23%的股份，并向ASML提供13.8億歐元的研發資金，同時享受EUV光刻機的優先供貨權。

第三，重視研發投入，并采取開放合作的研發模式。

技術創新是推動ASML增長的最重要因素，ASML的技術創新理念是合作開放，通過全球產業鏈分工合作，采取模塊化外包協同聯合開發策略，構建了以ASML為核心的產業鏈聯合體。公司開放式創新系統中包含了大學、研究機構、合作伙伴等，建立一個強大的知識技術共享網絡，ASML可以快速獲得行業內前沿技術的相關知識。包含了比利時的Imec、上海集成電路研發中心、荷蘭ARCNL、EUV LCC、蔡司等。

2019年，ASML與一些大學、研究機構和高科技公司參與了歐盟補貼的項目，這系列的項目圍繞著光刻、計量和工藝開發三大核心技術領域，每一項技術都在推動公司創新過程中發揮著至關重要的作用。

（三）繞路超車

其實，除了光刻機，研究人員還提出了一些潛在的替代方案。比如，納米壓印技術（NIL）。這種技術將印有電路圖案的掩模壓印在晶圓表面的抗蝕劑上，通過類似于印章的形式制造集成電路，將掩模上的精細電路圖案轉移到晶圓上，可在單個壓印件中形成復雜的二維或三維電路圖案。

由于不依賴EUV光源，這種制造技術的成本更低。現在日本已經初步將這一技術用于生產閃存芯片，未來或許有進一步擴大應用的空間。

定向自組裝（DSA）。這是一種利用材料自身的分子排列規律，誘導光刻材料在硅片上自發組成需要的圖案的方法，它比傳統光刻分辨率更高，加工速度也不受影響，但它對材料控制的要求特別高。現在比利時的Imec、美國的MIT實驗室都已經建立了實驗室產線，未來有產業化的可能。

電子束光刻（EBL）。這種技術實際上是利用高能電子束代替激光器光源，直接在晶圓上進行雕刻。它的分辨率實際上比EUV光刻還高（可以達到0.768nm），但刻蝕速度非常慢，無法滿足商業化需求，目前主要用在量子芯片等高精度、小批量的芯片生產中。

06

總結：光刻攻關需久久為功

受《瓦森納協議》等國外技術管制影響，中國幾乎無法向所有參與半導體產業鏈的國家購買尖端技術和相關設備，國產高端光刻機也就無法像ASML一樣通過全球合作、并購突破，只能依托本土光刻組件和配套設施產業鏈自主研發。

不過，EUV被ASML壟斷，但短期內DUV才是行業主流的應用產品，且國外的技術封鎖主要集中在雙工件臺的DUV，目的是提高中國的商業化應用成本。中國在干式、單工件臺的KrF、ArF光刻機制造方面已經取得了不少經驗。在技術路徑上，下一代光刻機所應用的浸沒式技術的成功已經通過ASML和尼康之爭的過程得到驗證，本土企業可以少走彎路。

但區別于其他工藝，光刻機的組件及配套設施極度復雜，毫不夸張地說，光刻機自身即可自成產業鏈。所以，光刻機的制造研發絕不是某一個企業能夠單獨完成的，必然需要很多頂尖企業相互配合。在這種情況下，指望在一兩個點上取得突破就戰勝所有其他對手是不現實的，ASML即很好的例證。

與其說ASML是一家荷蘭企業，不如說它是一家全球企業。說“集全球之力，成一家ASML”也不為過。ASML所有的機型從研發到成為主流都經歷了十多年到二十多年的時間，即使光刻機的關鍵技術取得了突破，后續還有穩定性、良率、價格、市場需求等因素，幾乎每一項因素都會決定這個機型的前途命運。

彎道超車談起來容易，但在十幾、二十年的時間里能堅持下來的企業鳳毛麟角。只要一個方面出現差錯，都有可能功虧一簣，歷史上在這方面的教訓非常多。

當然，我們也不必氣餒，只要我們在光刻機突破方面（實際上所有的技術突破都是如此），抱著實事求是的態度，踏踏實實地解決一個個問題，做好長時間攻關的戰略準備，利用好光刻機研發對產業、學界帶來的機會，內省自己的產業發展生態和科教體制機制，對光刻機的研發，實際上也是對基礎學科基礎研究能力的錘煉。

所謂“但行好事，莫問前程”，即如是。

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