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2018年5月，中芯國際（SMIC）訂購了一套極紫外光刻（EUV）設備，該設備來自荷蘭芯片設備制造商ASML，價值1.2億美元。長江存儲的首臺光刻機同樣來自ASML，為193nm浸潤式光刻機，售價7200萬美元，用于14 nm-20 nm工藝。

12月3日晚，荷蘭光刻機巨頭ASML的元器件供應商——Prodrive突發(fā)大火，ASML預計這場火災可能會影響到2019年年初的出貨計劃。2019年5月24日，中芯國際（SMIC）發(fā)公告稱將其美國預托證券股份從紐約證券交易所退市，大家都目光關注到它的14nm量產(chǎn)進程。隨著中國半導體制造的崛起與壯大，光刻機作為核心設備貫穿近幾年大眾的熱點，多次被引發(fā)討論。

2018年全球光刻機出貨逾600臺，較2017年的460臺增幅達30%。其中，ASML、Nikon、Canon三巨頭半導體用光刻機在2018年出貨374臺，較2017年的294臺增加80臺，增長27.21%。2018年ASML、Nikon、Canon三巨頭光刻機總營收118.92億歐元，較2017年增長25.21%。從EUV、ArF immersion、ArF機型的出貨來看，全年共出貨134臺。其中ASML出貨120臺，占有9成的市場。

ASML

2018年ASML光刻機出貨224臺，營收達82.76億歐元，較2017年成長35.74%。其中EUV光刻機營收達18.86億歐元，較2017年增加7.85億歐元。

Nikon

2018年度（非財年），Nikon光刻機出貨106臺，營收達20.66億歐元，較2017年成長25.29%。2018年度，Nikon半導體用光刻機出貨36臺，比2017年度增加9臺，增長33.33%。其中ArFimmersion光刻機出貨5臺，較2017年度減少1臺；ArF光刻機出貨9臺，較2017年度增加1臺；KrF光刻機出貨5臺，較2017年度增加3臺；i-line光刻機出貨17臺，較2017年度增加6臺。2018年度，Nikon半導體用光刻機出貨36臺中，其中全新機臺出貨19臺，翻新機臺出貨17臺。值得一提的是，2018年度，Nikon面板（FPD）用光刻機出貨70臺。

Canon

2018年Canon光刻機出貨183臺，營收達15.5億歐元，較2017年微增1.6%。2018年Canon半導體用光刻機出貨達114臺，較2017年增加44臺，增長62.85%。但是主要是i-line、KrF兩個低端機臺出貨。2018年全年面板（FPD）用光刻機出貨69臺。

02

光刻機的發(fā)展

1、前EUV時代

光刻機分為紫外光源（UV）、深紫外光源(DUV)、極紫外光源（EUV）。按照發(fā)展軌跡，最早的光刻機光源即為汞燈產(chǎn)生的紫外光源（UV）。之后行業(yè)領域內(nèi)采用準分子激光的深紫外光源（DUV），將波長進一步縮小到ArF的193 nm。由于遇到了技術發(fā)展障礙，ArF加浸入技術成為主流。

浸入技術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，使得激光的實際波長會大幅度縮小。目前主流采用的純凈水的折射率為1.44，所以ArF加浸入技術實際等效的波長為193 nm/1.44=134 nm，從而實現(xiàn)更高的分辨率。

由于157 nm波長的光線不能穿透純凈水，無法和浸入技術結合。因此，準分子激光光源只發(fā)展到了ArF。通過浸沒式光刻和雙重光刻等工藝，第四代 ArF 光刻機最高可以實現(xiàn) 22nm 制程的芯片生產(chǎn)，但是在摩爾定律的推動下，半導體產(chǎn)業(yè)對于芯片制程的需求已經(jīng)發(fā)展到 14nm、 10nm、甚至7nm， ArF 光刻機已無法滿足這一需求，半導體產(chǎn)業(yè)將希望寄予第五代 EUV 光刻機。

2、EUV時代

為了提供波長更短的光源，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，因此ASML對于EUV光刻機的供貨重要性不言而喻，同時一臺EUV光刻機也是價值不菲。

ASML作為芯片加工設備光刻機的第一強者，目前占據(jù)全球大部分市場份額，只有日本的兩家光刻機公司（尼康和佳能）稍有競爭的潛能，但也只是占據(jù)很小的市場份額。即便是科技最發(fā)達的美國，目前也不能獨自完整生產(chǎn)出光刻機，只能參與控股ASML。

03

光刻機的構造解析

光刻機的構造，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（這個是光刻機的核心），搬送系統(tǒng)（Wafer Handler+ Reticle Handler)，Alignment系統(tǒng)（WGA,LSA, FIA)。另外半導體光刻機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。

光刻機性能指標：

光刻機的主要性能指標有：支持基片的尺寸范圍，分辨率、對準精度、曝光方式、光源波長、光強均勻性、生產(chǎn)效率等。

光刻機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。光刻機主要技術指標準分子激光器掃描步進投影光刻機最關鍵的三項技術指標是：光刻分辨率（Resolution）、套刻精度（Overlay）和產(chǎn)能（Productivity）。

光刻分辨率的計算公式為：CD=K1?λ/NA

式中λ為準分子激光器輸出激光波長，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、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等來實現(xiàn)。

縮短激光波長將涉及到激光器、光學系統(tǒng)設計、光學材料、光學鍍膜、光路污染以及曝光抗蝕劑等系列技術問題；低工藝系數(shù)因子K1值成像，只有當掩模設計、照明條件和抗蝕劑工藝等同時達到最佳化才能實現(xiàn)，為此需要采用離軸照明、相移掩模、光學鄰近效應校正、光瞳濾波等系列技術措施；投影光刻物鏡的數(shù)值孔徑則與激光波長及光譜帶寬、成像視場、光學設計和光學加工水平等因素有關。

套刻精度與光刻分辨率密切相關。如果要達到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和掩模臺定位精度、光學對準精度、同步掃描精度等因素有關，定位精度、對準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)效率是光刻機實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的必要條件。為了提高生產(chǎn)效率，必須優(yōu)化設計激光器輸出功率、重復頻率、曝光能量控制、同步掃描等各個技術環(huán)節(jié)，并采用先進技術盡量減少換片、步進和光學對準等環(huán)節(jié)所需時間。由此可見，首先必須先要有可靠的光源系統(tǒng)，才能確保光刻機的有效運行。

04

光源系統(tǒng)的發(fā)展

早期stepper式光刻機都是用汞燈做光源，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)在最高的可以達到500kw級別了（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，曝光需要的時間越少，這樣單位時間里面產(chǎn)能越高。汞燈發(fā)出的光向各個方向擴散，我們需要把光匯聚起來，達到大光強的目的，這時候一個橢圓鏡是必須的了。

我們知道橢圓有兩個焦點，我們把光源放到一個焦點上，那么光就會聚到另外一個焦點上，那就是快門的位置。同時這個橢圓鏡還有另外一個功能，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。這些光會被產(chǎn)生熱量，所以裝汞燈的地方一定需要一個散熱的東西，功率小一點的就用風扇吹，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，別的波長的光也是要淘汰的，這時候filter就上場了，它的作用就是過濾掉不要的東西，只讓需要的波長的光通過。

激光作為光源就不需要上面的這些東西了，因為從激光器里面出來的光已經(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合格的光源。

1、最初的兩代光刻機：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)。最早的光刻機采用接觸式光刻，即掩模貼在硅片上進行光刻，容易產(chǎn)生污染，且掩模壽命較短。此后的接近式光刻機對接觸式光刻機進行了改良，通過氣墊在掩模和硅片間產(chǎn)生細小空隙，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：采用 248nm 的 KrF（氟化氪）準分子激光作為光源，將最小工藝節(jié)點提升至350-180nm 水平，在光刻工藝上也采用了掃描投影式光刻，即現(xiàn)在光刻機通用的，光源通過掩模，經(jīng)光學鏡頭調(diào)整和補償后，以掃描的方式在硅片上實現(xiàn)曝光。

3、第四代 ArF 光刻機：最具代表性的光刻機產(chǎn)品。第四代光刻機的光源采用了 193nm 的 ArF（氟化氬）準分子激光，將最小制程一舉提升至 65nm 的水平。第四代光刻機是目前使用最廣的光刻機，也是最具有代表性的一代光刻機。由于能夠取代 ArF 實現(xiàn)更低制程的光刻機遲遲無法研發(fā)成功，光刻機生產(chǎn)商在 ArF 光刻機上進行了大量的工藝創(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：ASML光刻機可以使用波長為13.5納米的極紫外光（EUV），實現(xiàn)14納米、10納米、和7納米制程的芯片生產(chǎn)，而通過技術升級，也可以實現(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)。獲取波長為13.5nm的光是實現(xiàn)EUV光刻的一個重要步驟。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 光刻機面市時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到 250 瓦的工作功率需求，二是光學透鏡、反射鏡系統(tǒng)對于光學精度的要求極高，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)費用。2012 年 ASML 的三大客戶三星、臺積電、英特爾共同向 ASML 投資 52.59 億歐元，用于支持 EUV 光刻機的研發(fā)。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(xiàn)金入股光學系統(tǒng)供應商卡爾蔡司，加速EUV 光源和光學系統(tǒng)的研發(fā)進程，這兩次并購也是 EUV 光刻機能研發(fā)成功的重要原因。

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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。相關的工作元器件主要包括大功率CO2激光器、多層涂層鏡、負載、光收集器、掩膜版、投影光學系(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（原美國大通激光）或者Mitsubishi electronic研制的激光發(fā)射器。

光的收集：極紫外光的波長為 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，一種復式鏡面設計，可以將多層的反射集中成單一反射）。此外，氣體也會吸收 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，所以整個生產(chǎn)環(huán)境必須抽成真空；同時，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，來修正光的前進方向，而且每一次反射仍會損失 3 成能量，但一臺 EUV 機臺得經(jīng)過十幾面反射鏡，將光從光源一路導到晶圓，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（萬億分之一米），如果反射鏡面積有德國那么大（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上不會造成各個地方的CD不一致。誰來擔當這個重任呢？

各個廠家用的都不一樣，Nikon是一種叫fly-eye的鏡頭。這種鏡片用很多塊凸透鏡組成，光打到上面就會在各個地方產(chǎn)生匯聚的作用，這樣在relay lens的幫助下，一個平行的均勻的光產(chǎn)生了。

ASML用的是一種叫quad-rod的玻璃長方體，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，可是有時候我們不需要全部視場大小的光，可能只要曝光一個很小的區(qū)域，這時候用于擋光的機構，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，用馬達帶動，需要多大的區(qū)域只要讓馬達帶動擋片，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上進行曝光了。另外，各大巨頭也對lens組進行了創(chuàng)新，比如Nikon有一種變形照明，在光路中加入了一個可以旋轉的圓盤，圓盤上有一些用于產(chǎn)生特定圖形的東西，如小sigma，annual等等，有的時候還需要多塊fly-eye來進行光的處理。

在ASML的光路里，又會有很多負責產(chǎn)生各種調(diào)整光路的機構，甚至發(fā)展到最后，需要偏振光等等。越先進，里面的鏡頭組件用的就越多。此外，通過使用OPC（Optical Proximity Correction，光學鄰近校正）軟件對pattern進行修正，使用緊湊的模型動態(tài)仿真(即基于模型的OPC)的結果預先計算出一個查找表，根據(jù)這個查找表來決定怎樣移動圖案的邊緣，從而對光和圖案進行更進一步的處理。

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。