2018年5月，中芯國(guó)際（SMIC）訂購(gòu)了一套極紫外光刻（EUV）設(shè)備，該設(shè)備來自荷蘭芯片設(shè)備制造商ASML，價(jià)值1.2億美元。長(zhǎng)江存儲(chǔ)的首臺(tái)光刻機(jī)同樣來自ASML，為193nm浸潤(rùn)式光刻機(jī)，售價(jià)7200萬美元，用于14 nm-20 nm工藝。
12月3日晚，荷蘭光刻機(jī)巨頭ASML的元器件供應(yīng)商——Prodrive突發(fā)大火，ASML預(yù)計(jì)這場(chǎng)火災(zāi)可能會(huì)影響到2019年年初的出貨計(jì)劃。2019年5月24日，中芯國(guó)際（SMIC）發(fā)公告稱將其美國(guó)預(yù)托證券股份從紐約證券交易所退市，大家都目光關(guān)注到它的14nm量產(chǎn)進(jìn)程。隨著中國(guó)半導(dǎo)體制造的崛起與壯大，光刻機(jī)作為核心設(shè)備貫穿近幾年大眾的熱點(diǎn)，多次被引發(fā)討論。
2018年全球光刻機(jī)出貨逾600臺(tái)，較2017年的460臺(tái)增幅達(dá)30%。其中，ASML、Nikon、Canon三巨頭半導(dǎo)體用光刻機(jī)在2018年出貨374臺(tái)，較2017年的294臺(tái)增加80臺(tái)，增長(zhǎng)27.21%。2018年ASML、Nikon、Canon三巨頭光刻機(jī)總營(yíng)收118.92億歐元，較2017年增長(zhǎng)25.21%。從EUV、ArF immersion、ArF機(jī)型的出貨來看，全年共出貨134臺(tái)。其中ASML出貨120臺(tái)，占有9成的市場(chǎng)。
ASML
2018年ASML光刻機(jī)出貨224臺(tái)，營(yíng)收達(dá)82.76億歐元，較2017年成長(zhǎng)35.74%。其中EUV光刻機(jī)營(yíng)收達(dá)18.86億歐元，較2017年增加7.85億歐元。
Nikon
2018年度（非財(cái)年），Nikon光刻機(jī)出貨106臺(tái)，營(yíng)收達(dá)20.66億歐元，較2017年成長(zhǎng)25.29%。2018年度，Nikon半導(dǎo)體用光刻機(jī)出貨36臺(tái)，比2017年度增加9臺(tái)，增長(zhǎng)33.33%。其中ArFimmersion光刻機(jī)出貨5臺(tái)，較2017年度減少1臺(tái)；ArF光刻機(jī)出貨9臺(tái)，較2017年度增加1臺(tái)；KrF光刻機(jī)出貨5臺(tái)，較2017年度增加3臺(tái)；i-line光刻機(jī)出貨17臺(tái)，較2017年度增加6臺(tái)。2018年度，Nikon半導(dǎo)體用光刻機(jī)出貨36臺(tái)中，其中全新機(jī)臺(tái)出貨19臺(tái)，翻新機(jī)臺(tái)出貨17臺(tái)。值得一提的是，2018年度，Nikon面板（FPD）用光刻機(jī)出貨70臺(tái)。
Canon
2018年Canon光刻機(jī)出貨183臺(tái)，營(yíng)收達(dá)15.5億歐元，較2017年微增1.6%。2018年Canon半導(dǎo)體用光刻機(jī)出貨達(dá)114臺(tái)，較2017年增加44臺(tái)，增長(zhǎng)62.85%。但是主要是i-line、KrF兩個(gè)低端機(jī)臺(tái)出貨。2018年全年面板（FPD）用光刻機(jī)出貨69臺(tái)。
02
光刻機(jī)的發(fā)展
1、前EUV時(shí)代
光刻機(jī)分為紫外光源（UV）、深紫外光源(DUV)、極紫外光源（EUV）。按照發(fā)展軌跡，最早的光刻機(jī)光源即為汞燈產(chǎn)生的紫外光源（UV）。之后行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)采用準(zhǔn)分子激光的深紫外光源（DUV），將波長(zhǎng)進(jìn)一步縮小到ArF的193 nm。由于遇到了技術(shù)發(fā)展障礙，ArF加浸入技術(shù)成為主流。
浸入技術(shù)是指讓鏡頭和硅片之間的空間浸泡于液體之中。由于液體的折射率大于1，使得激光的實(shí)際波長(zhǎng)會(huì)大幅度縮小。目前主流采用的純凈水的折射率為1.44，所以ArF加浸入技術(shù)實(shí)際等效的波長(zhǎng)為193 nm/1.44=134 nm，從而實(shí)現(xiàn)更高的分辨率。
由于157 nm波長(zhǎng)的光線不能穿透純凈水，無法和浸入技術(shù)結(jié)合。因此，準(zhǔn)分子激光光源只發(fā)展到了ArF。通過浸沒式光刻和雙重光刻等工藝，第四代 ArF 光刻機(jī)最高可以實(shí)現(xiàn) 22nm 制程的芯片生產(chǎn)，但是在摩爾定律的推動(dòng)下，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)對(duì)于芯片制程的需求已經(jīng)發(fā)展到 14nm、 10nm、甚至7nm， ArF 光刻機(jī)已無法滿足這一需求，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)將希望寄予第五代 EUV 光刻機(jī)。
2、EUV時(shí)代
為了提供波長(zhǎng)更短的光源，極紫外光源（EUV）為業(yè)界采用。目前主要采用的辦法是將二氧化碳激光照射在錫等靶材上，激發(fā)出13.5 nm的光子，作為光刻機(jī)光源。目前僅有由荷蘭飛利浦公司發(fā)展而來的ASML（阿斯麥）一家可提供可供量產(chǎn)用的EUV光刻機(jī)，因此ASML對(duì)于EUV光刻機(jī)的供貨重要性不言而喻，同時(shí)一臺(tái)EUV光刻機(jī)也是價(jià)值不菲。
ASML作為芯片加工設(shè)備光刻機(jī)的第一強(qiáng)者，目前占據(jù)全球大部分市場(chǎng)份額，只有日本的兩家光刻機(jī)公司（尼康和佳能）稍有競(jìng)爭(zhēng)的潛能，但也只是占據(jù)很小的市場(chǎng)份額。即便是科技最發(fā)達(dá)的美國(guó)，目前也不能獨(dú)自完整生產(chǎn)出光刻機(jī)，只能參與控股ASML。
03
光刻機(jī)的構(gòu)造解析
光刻機(jī)的構(gòu)造，一般分為：照明系統(tǒng)（光源+產(chǎn)生均勻光的光路），Stage系統(tǒng)（包括Reticle Stage和Wafer Stage)，鏡頭組（這個(gè)是光刻機(jī)的核心），搬送系統(tǒng)（Wafer Handler+ Reticle Handler)，Alignment系統(tǒng)（WGA,LSA, FIA)。另外半導(dǎo)體光刻機(jī)的工作溫度必須保持在23度，要保證wafer在恒溫和無particle的環(huán)境，必須要有恒溫和控制particle、ESD的工作chamber。
光刻機(jī)性能指標(biāo)：
光刻機(jī)的主要性能指標(biāo)有：支持基片的尺寸范圍，分辨率、對(duì)準(zhǔn)精度、曝光方式、光源波長(zhǎng)、光強(qiáng)均勻性、生產(chǎn)效率等。
光刻機(jī)的原理就是用光來投射到reticle上產(chǎn)生衍射，然后鏡頭收集到光匯聚到wafer上，形成圖形，所以光是產(chǎn)生圖形的必要條件。光刻機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)準(zhǔn)分子激光器掃描步進(jìn)投影光刻機(jī)最關(guān)鍵的三項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)是：光刻分辨率（Resolution）、套刻精度（Overlay）和產(chǎn)能（Productivity）。
光刻分辨率的計(jì)算公式為：CD=K1?λ/NA
式中λ為準(zhǔn)分子激光器輸出激光波長(zhǎng)，K1為工藝系數(shù)因子，NA為投影光刻物鏡數(shù)值孔徑。從上式可以看出，提高光刻分辨率可以通過縮短激光波長(zhǎng)、降低工藝系數(shù)因子K1和提高投影光刻物鏡數(shù)值孔徑NA等來實(shí)現(xiàn)。
縮短激光波長(zhǎng)將涉及到激光器、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、光學(xué)材料、光學(xué)鍍膜、光路污染以及曝光抗蝕劑等系列技術(shù)問題；低工藝系數(shù)因子K1值成像，只有當(dāng)掩模設(shè)計(jì)、照明條件和抗蝕劑工藝等同時(shí)達(dá)到最佳化才能實(shí)現(xiàn)，為此需要采用離軸照明、相移掩模、光學(xué)鄰近效應(yīng)校正、光瞳濾波等系列技術(shù)措施；投影光刻物鏡的數(shù)值孔徑則與激光波長(zhǎng)及光譜帶寬、成像視場(chǎng)、光學(xué)設(shè)計(jì)和光學(xué)加工水平等因素有關(guān)。
套刻精度與光刻分辨率密切相關(guān)。如果要達(dá)到0.10μm的光刻分辨率，根據(jù)33%法則要求套刻精度不低于0.03μm。套刻精度主要與工件臺(tái)和掩模臺(tái)定位精度、光學(xué)對(duì)準(zhǔn)精度、同步掃描精度等因素有關(guān)，定位精度、對(duì)準(zhǔn)精度和同步掃描精度分別約為套刻精度的1/5～1/3，即0.006～0.01μm。
提高生產(chǎn)效率是光刻機(jī)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的必要條件。為了提高生產(chǎn)效率，必須優(yōu)化設(shè)計(jì)激光器輸出功率、重復(fù)頻率、曝光能量控制、同步掃描等各個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)，并采用先進(jìn)技術(shù)盡量減少換片、步進(jìn)和光學(xué)對(duì)準(zhǔn)等環(huán)節(jié)所需時(shí)間。由此可見，首先必須先要有可靠的光源系統(tǒng)，才能確保光刻機(jī)的有效運(yùn)行。
04
光源系統(tǒng)的發(fā)展
早期stepper式光刻機(jī)都是用汞燈做光源，最早有1kw，2kw到最后發(fā)展到了5kw，越來越恐怖。后來為了提高分辨率，采用了新的光源：laser，分為Krf(248nm)和Arf（193nm)，laser也是不斷在增加功率，現(xiàn)在最高的可以達(dá)到500kw級(jí)別了（非?？植赖募す饽芰浚?/span>
為什么要發(fā)展大功率的汞燈和激光呢？這是產(chǎn)能的需求，在相同的曝光量下，光源的功率越高，曝光需要的時(shí)間越少，這樣單位時(shí)間里面產(chǎn)能越高。汞燈發(fā)出的光向各個(gè)方向擴(kuò)散，我們需要把光匯聚起來，達(dá)到大光強(qiáng)的目的，這時(shí)候一個(gè)橢圓鏡是必須的了。
我們知道橢圓有兩個(gè)焦點(diǎn)，我們把光源放到一個(gè)焦點(diǎn)上，那么光就會(huì)聚到另外一個(gè)焦點(diǎn)上，那就是快門的位置。同時(shí)這個(gè)橢圓鏡還有另外一個(gè)功能，吸收不需要的光線。這種鏡子上有一層涂層，一般500nm以上的紅外光不被反射，而是被吸收。這些光會(huì)被產(chǎn)生熱量，所以裝汞燈的地方一定需要一個(gè)散熱的東西，功率小一點(diǎn)的就用風(fēng)扇吹，功率大的話就水冷了。反射出來的光也不是全部需要的，我們只需要365nm（I-line）或者436nm（G-line）的波長(zhǎng)，別的波長(zhǎng)的光也是要淘汰的，這時(shí)候filter就上場(chǎng)了，它的作用就是過濾掉不要的東西，只讓需要的波長(zhǎng)的光通過。
激光作為光源就不需要上面的這些東西了，因?yàn)閺募す馄骼锩娉鰜淼墓庖呀?jīng)是很純的了，不需要再過濾。然后通過鏡片組將光均勻化。這樣，才能源源不斷的給光刻機(jī)合格的光源。
1、最初的兩代光刻機(jī)：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(jī)采用接觸式光刻，即掩模貼在硅片上進(jìn)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(jī)對(duì)接觸式光刻機(jī)進(jìn)行了改良，通過氣墊在掩模和硅片間產(chǎn)生細(xì)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。
2、第三代光刻機(jī)：采用 248nm 的 KrF（氟化氪）準(zhǔn)分子激光作為光源，將最小工藝節(jié)點(diǎn)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(jī)通用的，光源通過掩模，經(jīng)光學(xué)鏡頭調(diào)整和補(bǔ)償后，以掃描的方式在硅片上實(shí)現(xiàn)曝光。
3、第四代 ArF 光刻機(jī)：最具代表性的光刻機(jī)產(chǎn)品。第四代光刻機(jī)的光源采用了 193nm 的 ArF（氟化氬）準(zhǔn)分子激光，將最小制程一舉提升至 65nm 的水平。第四代光刻機(jī)是目前使用最廣的光刻機(jī)，也是最具有代表性的一代光刻機(jī)。由于能夠取代 ArF 實(shí)現(xiàn)更低制程的光刻機(jī)遲遲無法研發(fā)成功，光刻機(jī)生產(chǎn)商在 ArF 光刻機(jī)上進(jìn)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。
4、第五代EUV光刻機(jī)：ASML光刻機(jī)可以使用波長(zhǎng)為13.5納米的極紫外光（EUV），實(shí)現(xiàn)14納米、10納米、和7納米制程的芯片生產(chǎn)，而通過技術(shù)升級(jí)，也可以實(shí)現(xiàn)9納米，8納米，6納米，5納米，4納米乃至3納米等制程的芯片生產(chǎn)。獲取波長(zhǎng)為13.5nm的光是實(shí)現(xiàn)EUV光刻的一個(gè)重要步驟。激光等離子體（Laser-produced Plasma）極紫外光源（LPP-EUV光源）由于其功率可拓展的特性，成為了EUV光刻最被看好的高功率光源解決方案。
EUV 光刻機(jī)面市時(shí)間表的不斷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(dá)到 250 瓦的工作功率需求，二是光學(xué)透鏡、反射鏡系統(tǒng)對(duì)于光學(xué)精度的要求極高，生產(chǎn)難度極大。這兩大原因使得 ASML及其合作伙伴難以支撐龐大的研發(fā)費(fèi)用。2012 年 ASML 的三大客戶三星、臺(tái)積電、英特爾共同向 ASML 投資 52.59 億歐元，用于支持 EUV 光刻機(jī)的研發(fā)。此后 ASML 收購(gòu)了全球領(lǐng)先的準(zhǔn)分子激光器供應(yīng)商 Cymer，并以 10 億歐元現(xiàn)金入股光學(xué)系統(tǒng)供應(yīng)商卡爾蔡司，加速EUV 光源和光學(xué)系統(tǒng)的研發(fā)進(jìn)程，這兩次并購(gòu)也是 EUV 光刻機(jī)能研發(fā)成功的重要原因。
05
EUV光源系統(tǒng)
1、EUV光源系統(tǒng)的組成
EUV光源由光的產(chǎn)生、光的收集、光譜的純化與均勻化三大單元組成。相關(guān)的工作元器件主要包括大功率CO2激光器、多層涂層鏡、負(fù)載、光收集器、掩膜版、投影光學(xué)系(Xe或Sn)形成等離子體，等離子利用多層膜反射鏡多次反射凈化能譜，獲得13.5nm的EUV光。
光的產(chǎn)生：CO2激光器，一般采用TRUMPF（原美國(guó)大通激光）或者M(jìn)itsubishi electronic研制的激光發(fā)射器。
光的收集：極紫外光的波長(zhǎng)為 13.5nm，這種光容易被包括鏡頭玻璃內(nèi)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還不夠高，必須使用布拉格反射器（Bragg Reflector，一種復(fù)式鏡面設(shè)計(jì)，可以將多層的反射集中成單一反射）。此外，氣體也會(huì)吸收 EUV并影響折射率，所以腔體內(nèi)必須采用真空系統(tǒng)。
EUV光的收集難度極大，因此轉(zhuǎn)化效率也很低，這也是為什么EUV如此耗電的原因之一。這種光非常容易被吸收，連空氣都不透光，所以整個(gè)生產(chǎn)環(huán)境必須抽成真空；同時(shí)，也無法以玻璃透鏡折射，必須以硅與鉬制成的特殊鍍膜反射鏡，來修正光的前進(jìn)方向，而且每一次反射仍會(huì)損失 3 成能量，但一臺(tái) EUV 機(jī)臺(tái)得經(jīng)過十幾面反射鏡，將光從光源一路導(dǎo)到晶圓，最后大概只能剩下不到 2%的光線。反射鏡的制造難度非常大，精度以皮米計(jì)（萬億分之一米），如果反射鏡面積有德國(guó)那么大（大概是山東、河南兩省面積之和），最高的突起不能超過1厘米。
光的純化與均一化：激光器里面出來的光已經(jīng)是很純的了，所以基本不需要再過濾。但我們不僅需要很純的光，還需要均勻的光，這樣投射到wafer上不會(huì)造成各個(gè)地方的CD不一致。誰來?yè)?dān)當(dāng)這個(gè)重任呢？
各個(gè)廠家用的都不一樣，Nikon是一種叫fly-eye的鏡頭。這種鏡片用很多塊凸透鏡組成，光打到上面就會(huì)在各個(gè)地方產(chǎn)生匯聚的作用，這樣在relay lens的幫助下，一個(gè)平行的均勻的光產(chǎn)生了。
ASML用的是一種叫quad-rod的玻璃長(zhǎng)方體，光在里面反射很多次，最后出來的光就被均勻化了。有了均勻的光，我們就可以拿來曝光用，可是有時(shí)候我們不需要全部視場(chǎng)大小的光，可能只要曝光一個(gè)很小的區(qū)域，這時(shí)候用于擋光的機(jī)構(gòu)，Nikon叫blind， ASML叫REMA的東西就用上了，他們都是上下左右四塊擋片，用馬達(dá)帶動(dòng)，需要多大的區(qū)域只要讓馬達(dá)帶動(dòng)擋片，把不要的光遮住，這樣就可以曝光我們需要的地方了。
最后，通過一塊大的lens把光匯聚一下，就可以投射到reticle上進(jìn)行曝光了。另外，各大巨頭也對(duì)lens組進(jìn)行了創(chuàng)新，比如Nikon有一種變形照明，在光路中加入了一個(gè)可以旋轉(zhuǎn)的圓盤，圓盤上有一些用于產(chǎn)生特定圖形的東西，如小sigma，annual等等，有的時(shí)候還需要多塊fly-eye來進(jìn)行光的處理。
在ASML的光路里，又會(huì)有很多負(fù)責(zé)產(chǎn)生各種調(diào)整光路的機(jī)構(gòu)，甚至發(fā)展到最后，需要偏振光等等。越先進(jìn)，里面的鏡頭組件用的就越多。此外，通過使用OPC（Optical Proximity Correction，光學(xué)鄰近校正）軟件對(duì)pattern進(jìn)行修正，使用緊湊的模型動(dòng)態(tài)仿真(即基于模型的OPC)的結(jié)果預(yù)先計(jì)算出一個(gè)查找表，根據(jù)這個(gè)查找表來決定怎樣移動(dòng)圖案的邊緣，從而對(duì)光和圖案進(jìn)行更進(jìn)一步的處理。
2、EUV光源系統(tǒng)的工作原理
EUV產(chǎn)生工作原理：將高功率的二氧化碳激光打在直徑為30微米的錫液滴上，通過高功率激光蒸發(fā)錫滴，然后將蒸汽加熱到電子脫落的臨界溫度，留下離子，再進(jìn)一步加熱直到離子開始發(fā)射光子。
（1）錫液發(fā)生器使錫液滴落入真空室③。
（2）脈沖式高功率激光器①擊中從旁飛過的錫液滴②—每秒 50,000 次。Laser分為兩部分，前脈沖和功率放大器。前脈沖和主脈沖擊中錫液使其氣化。 （3）錫原子被電離，產(chǎn)生高強(qiáng)度的等離子體。 （4）收集鏡捕獲等離子體向所有方向發(fā)出的 EUV 輻射，匯聚形成光源。 （5）將集中起來的光源傳遞至光刻系統(tǒng)④以曝光晶片⑤。