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(wàn)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（非常恐怖的激光能量）,。
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(wàn)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(shuí)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,。