因為(wei) 缺芯、台積電和地緣政治等多種因素的影響，大家對半導體(ti) 產(chan) 業(ye) 的關(guan) 注度火速提升。這也讓ASML這些原本在背後默默支持半導體(ti) 產(chan) 業(ye) 發展的企業(ye) 被“趕”到了台前。作為(wei) 全球領先的半導體(ti) 設備供應商，這家來自荷蘭(lan) 的企業(ye) 提供了全球芯片生產(chan) 都繞不開的關(guan) 鍵設備——光刻機。尤其是在EUV光刻機方麵，市場的關(guan) 注度更是空前。這一方麵是因為(wei) 這個(ge) 設備是芯片製造工藝走向7nm以下的關(guan) 鍵；另一方麵，這個(ge) 設備的售價(jia) 高達上億(yi) 美金，且隻有ASML一家能做。因此其吸引了全球那麽(me) 多的目光也情有可原。

正如很多分析人士所說，EUV光刻機真可以稱得上是芯片製造的“皇冠”。

以EUV光刻機為(wei) 例，ASML技術開發副總裁Tony Yen在今年三月接受媒體(ti) 采訪的時候曾經表示，EUV光刻機由超過10萬(wan) 個(ge) 精密零部件組成；相關(guan) 報道也指出，EUV光刻機重量達180噸，體(ti) 積十分龐大，需要0.125萬(wan) 千瓦的電力，來維持250瓦的功率；紐約時報在之前一篇介紹ASML的文章中更是強調，EUV光刻機的運送需要使用40個(ge) 集裝箱、20輛卡車和三架波音747飛機。

這樣一個(ge) 龐然大物，不但需要在晶圓上做一些精度極高的工作，而且還需要保持更高的產(chan) 能，從(cong) 其部件構成上看，正如其名字“光刻機”所定義(yi) 的一樣，“光”就成為(wei) 了EUV光刻機中的重要一環。要明白這一切，就首先得從(cong) 光刻機的工作原理談起。

EUV 光刻機的內(nei) 部工作原理（來源：ASML）

從(cong) 一條公式談起

正如ASML所說，光刻的本質其實是一個(ge) 投影係統。光線被投射通過掩模版，成像在晶圓上，最終在晶圓上一層一層建立起複雜的晶體(ti) 管。在光刻技術不斷朝著“更小”邁進的征程上。在光刻領域，有一個(ge) 公式和“摩爾定律”一樣引導著行業(ye) 的發展。而與(yu) 摩爾定律不同的是，這一物理公式所揭示出的光學原理似乎更加難以逾越。那就是幾乎懸掛在ASML每個(ge) 辦公室的瑞利判據（Rayleigh criterion）公式。

瑞利判據公式（source：ASML）

如上圖所示，在瑞利公式中，K1是一個(ge) 常數，取決(jue) 於(yu) 與(yu) 芯片製造工藝有關(guan) 的許多因素。按照ASML的說法，其物理極限值是 0.25。λ則代表光刻機使用光源的波長；NA則是光學器件的數值孔徑，描述了它們(men) 能夠收集光的角度範圍；CD 代表線寬，即可實現的最小特征尺寸，大家所談的幾納米芯片，就是為(wei) 了把這個(ge) CD值做得更小。

從(cong) 公式可以看到，為(wei) 了讓CD變得更小，除了將K1和λ變小以外，把NA變大也是降低CD的一個(ge) 選擇。據筆者了解，目前K1的值已經接近極限。為(wei) 此行業(ye) 把降低λ和提高NA作為(wei) 繼續延續摩爾定律的重要發力方向。

EUV產(chan) 品路線圖

在NA方麵，根據報道，現在ASML正在探尋從(cong) 0.33往0.55推進。據semiwiki在今年三月的報道，ASML的High-NA光刻機現在已經從(cong) 書(shu) 麵走向現實，且已經走到了構建模塊和框架階段。根據他們(men) 預測，預計首批High-NA設備（0.55NA）將於(yu) 2022年下半年交付。其中EXE：5000係統可能與(yu) EXE：5200係統一起研發，原因是EXE：5200係統將於(yu) 2025/2026年成為(wei) 第一批High-NA生產(chan) 係統。英特爾早前也表示，公司將在2025年用上High-NA光刻機，由此可以看到semiwiki的報道是合理的。

ASML的產(chan) 品發布時間規劃（source：semiwiki）

來到λ方麵，為(wei) 了降低其數值，如下圖所示，光刻機的光源在過去多年的發展從(cong) 包括g-line和i-line在內(nei) 的高壓汞燈開始，曆經KrF和ArF，並在最近幾年進入到了EUV時代。對於(yu) 未來，有人甚至認為(wei) 光刻機的光源有望從(cong) 13.5nm波長的EUV進入到波長介乎0.01nm到10nm之間的X光。

值得一提的是，為(wei) 了進一步降低λ，產(chan) 業(ye) 界在光刻機演進的過程中，還引入了浸潤式光刻係統，讓DUV在推進芯片微縮過程中發揮了更多的作用。由此也可以體(ti) 現出工程師的力量。

光刻機光源的演變（Source：ASML）

從(cong) 上麵的描述看來，要讓CD繼續縮小，唯有繼續降低λ這條路是最容易繼續走通的。但我們(men) 回看過去多年裏的光源發展曆程。這個(ge) 看起來相對簡單的路，其實也不是一路坦途。尤其是在現在火遍全球的EUV光刻方麵，真可以稱得上是供應鏈共同努力的結晶。

EUV成為(wei) 答案

日本知名分析師湯之上隆在2007年的時候曾以“EUV的量產(chan) 機是不是不能實現呢？”為(wei) 題，對當時正在麵臨(lin) 開發困境的EUV進行相關(guan) 調查。他提供的結果顯示，在問了18名光刻相關(guan) 人員後，有10位給出的回答是EUV光刻機不能實現。誠然，對這麽(me) 一個(ge) 擁有如此高度複雜性的設備來說，EUV光刻無疑是一個(ge) 極高難度的挑戰。尤其是在光源和鏡頭方麵，帶來的挑戰更是前所未有。

從(cong) 原理上看，光刻機的工作原理，就是讓光穿過光掩模，然後通過一係列透鏡將其縮小，最終落在覆蓋有光刻膠的基板上。由於(yu) 光掩模，光刻膠的某些部分被光照射，使其變硬。在製造過程中，未曝光的部分在稱為(wei) 蝕刻的過程中被化學洗掉。這樣做時，存在於(yu) 抗蝕劑下方的材料也被去除。因此，在去除抗蝕劑的剩餘(yu) 部分後，光掩模圖案就出現在矽片中（或在施加抗蝕劑之前已沉積在矽片上的材料中）“雕刻”出來。

光刻機的基本原理

正如上文所說，為(wei) 了實現更小的“特征”，光刻機的光源曆經了幾代的演變，並最終進入到了EUV時代。但其實這並不是一帆風順的。據相關(guan) 介紹，在後DUV時代，有三個(ge) 潛在的候選者，分別是EUV、電子束和離子束光刻。在發展幾年後，又多了157 納米的深紫外光刻選項。不過行業(ye) 參與(yu) 者最後發現，ASML才是最終答案。因為(wei) 為(wei) 了獲得更高的分辨率，你必須將離子和電子拉得更近，但這些粒子相互排斥。那就意味著您必須在提高分辨率時降低電流。但這種設計帶來的反麵後果是會(hui) 阻礙吞吐量。這在電子束和離子束上的。

但，問題也隨之而生。

如下圖所示，在電磁波譜中，極紫外光是紫外區能量最高的部分。它的波長範圍為(wei) 100納米到10納米，介於(yu) X 射線輻射（

電磁波譜

綜上所述，在地球上，EUV 完全由人工來源生產(chan) 。這就使得其產(chan) 生了兩(liang) 個(ge) 明顯的挑戰：

首先，EUV 光很難以受控方式產(chan) 生。隻有多重電離原子內(nei) 殼中的激發電子才能發射 EUV。你隻會(hui) 在熾熱、致密的等離子體(ti) （例如太陽的最外層區域）中找到這些電子，而製造這些電子是一項相當艱巨的工作。或者將自由電子通過同步加速器發射產(chan) 生EUV光——這是一種巨大且極其昂貴的設備。

其次，EUV 光很容易被空氣和其他氣體(ti) 吸收。這意味著光從(cong) 產(chan) 生的那一刻到撞擊矽片的那一刻，都必須穿過高質量的真空。這也意味著不可能構建“EUV 鏡頭”。相反，需要使用高度複雜的曲麵反射鏡。傳(chuan) 統的光掩模也會(hui) 吸收過多的光，因此它也需要具有反射性。

換而言之，對EUV光刻機而言，光源和鏡頭部分會(hui) 是最大的兩(liang) 個(ge) 挑戰所在。再加上其他係統，這勢必是一個(ge) 浩瀚的設計工程，光靠ASML一家是完成不了。為(wei) 此，荷蘭(lan) 巨頭和業(ye) 界多家廠商合作。如蔡司、Cymer和通快，就是ASML EUV光刻機背後鮮被提及的巨頭。

鏡頭後麵的“大家”

如前所述，由於(yu) EUV光的特性，在EUV光刻機中，一個(ge) 反射的鏡頭是非常重要的，也是非常複雜的，這主要因為(wei) 現實世界中沒有任何材料可以在單層中反射大部分 EUV 光。然而多層則可以增強彼此的反射，於(yu) 是業(ye) 界探討用這種方式製作相當高效的 EUV 反射鏡來縮小和聚焦圖像。而由鉬（部分反射 EUV 光）和矽（對 EUV 大部分透明）交替納米層製成的反射鏡就成為(wei) 了大家努力的方向。

不過，這樣的EUV 反射鏡的製作極其複雜，因為(wei) 它們(men) 的表麵需要幾乎完美光滑和幹淨，每個(ge) 納米層都需要具有精確定義(yi) 的厚度。讓每個(ge) 原子都需要在正確的位置，否則可能會(hui) 丟(diu) 失光或圖像可能會(hui) 變形。蔡司毫無疑問又成為(wei) 了大家求助的對象。

維基百科的資料顯示，1846年，時年30歲的卡爾·蔡司在耶拿建立了一個(ge) 精密光學儀(yi) 器加工廠，並於(yu) 1847年生產(chan) 出了他的第一台顯微鏡。1866年起，在恩斯特·阿貝和奧托·肖特的協助下，蔡司的工廠逐漸在顯微鏡領域有了較大的發展，並開始生產(chan) 光學玻璃。1888年，蔡司開始涉足攝影業(ye) 。同年，在恩斯特·阿貝的主持下蔡司基金會(hui) 成立。1891年蔡司基金會(hui) 成為(wei) 蔡司工廠的唯一所有人。

回看過去一百多年的發展，蔡司始終都把光學相關(guan) 器件當做公司的主攻方向，而半導體(ti) 則是他們(men) 從(cong) 二十世紀六十年代開始切入的賽道。自1968年第一次為(wei) 為(wei) AEG Telefunken 生產(chan) 了第一個(ge) 用於(yu) 電路板打印機（當今晶圓步進機和掃描設備的前身）的鏡頭以來，公司在這個(ge) 市場上一直穩紮穩打。

1977年，蔡司推出了分辨率為(wei) 1微米的S-Planar 10/0.28透鏡，並將其用於(yu) 美國公司David Mann（後來的GCA）製造的全球第一台晶圓步進機上；1982年，蔡司生產(chan) 了第一個(ge) 工作波長為(wei) 365 納米（i 線）的光學係統S-Planar 10/0.32 ，這是進入納米世界的第一步（結構尺寸：800 納米）；1993年，蔡司推出的S-Planar 5/0.6 透鏡（工作波長：365 納米）是半導體(ti) 市場的重大突破；1998年推出的Starlith 900 則是世界上第一個(ge) 批量生產(chan) 的 193 納米波長光刻光學器件，這是第一個(ge) 可以實現100 納米以下分辨率的係統；2007年推出的Starlith 1900i 是第一款達到 38 納米極限分辨率的浸沒式光學器件，現在，全世界很大一部分高性能微芯片都是使用這種技術生產(chan) 的；2012年，全球第一套EUV光學係統量產(chan) ，蔡司又幫助半導體(ti) 產(chan) 業(ye) 進入了一個(ge) 新階段。

全球第一套EUV光學係統

據蔡司集團發布的截止到2020年9月30日的2019/2020財年的年報，公司半導體(ti) 製造技術部門在統計周期內(nei) 產(chan) 生了18.33億(yi) 歐元的收入，同比（16.34億(yi) 歐元）增加了12%。半導體(ti) 製造技術部門的所有戰略業(ye) 務部門都為(wei) 這一新的收入記錄做出了貢獻，每一個(ge) 部門的收入都比上一年有所增加。其中客戶對深紫外（DUV）和EUV光刻係統的高需求也在繼續。DUV光刻係統則是該領域的主要收入驅動因素。

值得一提的是，ASML在2016年宣布以約 11 億(yi) 美元的現金收購了蔡司負責相關(guan) 光學係統子公司 24.9% 的股份，同時還為(wei) 聯合研發項目一次性出資約 2.44 億(yi) 美元，並在未來六年（從(cong) 2016年算起）內(nei) 再花費 6 億(yi) 美元用於(yu) 資本設備和其他需求。

由此可以看到蔡司在EUV光刻機中的重要性。

光源領域的強者

在上文的介紹中我們(men) 談到，EUV的光源是無法自然產(chan) 生的，且其擁有各種各樣的特性。為(wei) 此如何產(chan) 生光源，就成為(wei) 橫亙(gen) 在開發者麵前的又一個(ge) 難題。在21世紀初，Xtreme Technologies等企業(ye) 所推動的，基於(yu) 放電等離子體(ti) 的光源似乎是最有希望的。但不久之後，激光生產(chan) 的等離子體(ti) 光源（LPP：laser-produced plasma）嶄露頭角，並最終成為(wei) 日本、歐洲和美國的團體(ti) 都在努力的方向。

從(cong) 原理上看，這種方法是使用一個(ge) 非常高功率（超過30kW平均脈衝(chong) 功率的激光數，其脈衝(chong) 峰值功率可高達幾兆瓦）的激光脈衝(chong) ，打在不斷滴下的錫珠，然後轉化成為(wei) 一個(ge) 發光的等離子體(ti) ，發射出波長為(wei) 13.5 nm的EUV光。這些光通過聚焦後，通過反射透鏡首先傳(chuan) 輸到光刻掩模上，然後照射到晶圓基片上。

上述的每一個(ge) 步驟，都需要非常複雜的技術。例如在光源部分，就需要具體(ti) 聚焦在激光脈衝(chong) 是如何產(chan) 生以及如何放大的。

首先，我們(men) 需要產(chan) 生短脈衝(chong) 激光光束作為(wei) 種子光，然後讓它經過多級放大。實際上會(hui) 有兩(liang) 個(ge) 脈衝(chong) ——預脈衝(chong) 和主脈衝(chong) 。預脈衝(chong) 首先擊中錫珠，使它變成正確的形狀；然後主脈衝(chong) 將壓扁的錫珠轉化為(wei) 等離子體(ti) ，從(cong) 而發射出珍貴的EUV光。

這裏的難點在於(yu) 放大階段會(hui) 不斷增加它的功率，但必須確保兩(liang) 個(ge) 光束在錫珠上有正確的光學性能，尤其是正確的聚焦。每束脈衝(chong) 激光都由非常微小的、緊湊的光粒子組成，緊緊地拋向錫珠。為(wei) 了正確地擊中它們(men) 的目標，它們(men) 必須在正確的瞬間到達，不能過早或過晚；否則，衝(chong) 擊力將無法壓平錫珠。在最壞的情況下，第二道激光脈衝(chong) 射出的子彈沒有擊中目標，EUV就會(hui) 失敗。強調一下，以上過程要做到每秒鍾進行五萬(wan) 次，為(wei) 了讓激光束以極大的功率穩定傳(chuan) 輸，係統的複雜性可想而知。

一家鮮為(wei) 人知的廠商——德國通快（TRUMPF）正是背後的一個(ge) 重要玩家。

據介紹，他們(men) 在EUV光刻激光發生係統上投入了超過15年。針對EUV光刻機，TRUMPF開發了一種激光器，可產(chan) 生40千瓦的脈衝(chong) 輻射，重複率為(wei) 50千赫。該激光器有兩(liang) 個(ge) 播種器和四個(ge) 放大級，體(ti) 積非常大，必須放置在EUV機器下麵的一個(ge) 獨立樓層。

CO2激光器中的受激混合氣體(ti) 發出獨特的紅光——這就是 EUV光最初的來源

相關(guan) 資料顯示，如上圖所示，EUV激光係統由大約45萬(wan) 個(ge) 零件組成，重約17噸。為(wei) 了確保這些零件正確組裝，僅(jin) 檢查標準就多達1000多條，這還不包括模塊和子模塊額外的預檢標準。而從(cong) 種子光發生器到錫珠有500多米的光路，這對所有零部件都提出了非常苛刻的要求，尤其是係統中包含的400多個(ge) 光學元器件。由此也看到通快在這方麵的實力。

在通快的幫助下，總部位於(yu) 聖地亞(ya) 哥的Cymer成為(wei) 了EUV光源係統最後的贏家。

維基百科的資料顯示，Cymer 由 Robert Akins 博士和 Richard Sandstrom 博士於(yu) 1986 年創立，他們(men) 於(yu) 1970 年代中期在加州大學聖地亞(ya) 哥分校的實驗室課堂上相識。1986 年，個(ge) 人計算機市場為(wei) Akins 和 Sandstrom 將他們(men) 獨特的激光知識應用於(yu) 半導體(ti) 光刻技術打開了大門。1988 年，Cymer 推出了用於(yu) 高級研發應用的第一個(ge) 光源，以支持半導體(ti) 光刻技術的發展。1990年，第二代光源出貨，公司發展迅速，1988年至1994年共出貨78套光源係統。

2009 年 6 月，Cymer 將世界上第一個(ge) 完全集成的 LPP EUV 光刻光源運送到荷蘭(lan) Veldhoven 的 ASML ，以集成到其 EUV 光刻機中。2012 年 10 月，荷蘭(lan) 半導體(ti) 設備製造商ASML宣布將收購 Cymer，作為(wei) 其 EUV 設備戰略的一部分。

至此，一場EUV光刻機的攻堅戰告一段落。

寫(xie) 在最後

從(cong) EUV光刻機的發展，我們(men) 可以看到在聰明的人類的推動下，很多看起來似乎不可能的任務，也變成了可能。我們(men) 從(cong) 中也意識到，任何一個(ge) 龐大複雜的係統，都需要多個(ge) 領域頂尖的供應商攜手合作，才能完成，光是靠其中的一兩(liang) 家公司，是不可能讓科技繼續往前推進。

由此，我們(men) 也看到了全球供應鏈協作的重要性。