一台荷兰阿斯迈光刻机内部的紫外光源 | www.asml.com
光刻的原理和过程一样平常是如许的：起首制备出芯片电路图的掩膜版，然后在硅片上旋涂上光刻胶，使用紫外光源通过掩膜版照射到光刻胶上。颠末对准曝光后，紫外光照射到地区的光刻胶会由于化学效应而发生变性，再通过显影作用将曝光的光刻胶去除，下一步接纳干法刻蚀将芯片电路图通报到硅晶圆上。
光刻工艺直接决定了芯片中晶体管的尺寸和性能，是芯片生产中最为关键的过程。光刻机中的曝光光源决定了光刻工艺加工器件的线宽等特性尺寸，当前市场主流接纳深紫外(DUV，193 nm)光源，最先辈的是接纳极紫外(EUV，13.5 nm)光源的的EUV光刻机。
当代光刻工艺一样平常包罗硅晶圆的洗濯烘干，光刻胶的旋涂烤胶，对准曝光，显影，刻蚀以及检测等多重工序。由于当代芯片的复杂性，生产过程每每必要颠末几十次的光刻，耗时占据了芯片生产环节的一半，光刻本钱也到达了生产本钱的三分之一。
阿斯麦，皇冠上的珍珠
听完光刻原理和过程，你大概以为这也没什么啊，一台光刻机怎么能比造原子弹还难啊？
要知道随着科技的发展，当代高端手机芯片中的晶体管到达上百亿个，华为5nm制程的麒麟1020芯片密度高达每平方毫米1.7亿个。如许的加工精度决定着光刻机是半导体制造过程中技能含量最高的装备，涉及到从紫外光源、光学镜头、细密活动和情况控制等多项天下各国顶级科技成绩的运用。
光刻机被称为当代半导体行业皇冠上的明珠，如今单台EUV光刻机配件多达10万个，代价高达1.2亿美元。当宿世界上光刻机市场的老大是荷兰的阿斯麦ASML，占据了环球高端光刻机市场份额的89%，剩下的被日本的尼康和佳能所瓜分。而7纳米以下的EUV光刻机市场则被阿斯麦完全把持，把尼康和佳能等竞争对手踢进场外。
环视天下，能造原子弹的国家已经许多，但高端的EUV光刻机，如今能制造的只有荷兰的阿斯麦公司。一方面，一台EUV光刻机10万配件，集结了环球顶级技能，不是一个国家的技能储备气力可以或许独立实现的。另一方面，光刻机究竟只是生产工具，不像原子弹如许的国之重器，可以不计本钱靠举国之力举行制造，光刻机只是芯片制造中的一个环节，还必要上卑鄙财产链的支持，能造出来不特别，紧张的是还能靠它赢利。
那小同伴们的题目又来了，为什么环球半导体财产的发展主力会合在美日韩以及中国台湾，为何环球最大的光刻机装备提供商，竟然不是来自天下科技霸主美利坚，而是荷兰这个风车之国？
阿斯麦早期创业元老之一，工程师杰拉德·安东尼斯在车床上加工光刻机的部件 | www.chiphistory.org
实在，阿斯麦的前身属于闻名的电子厂商飞利浦，1984年才开始独立运营。在阿斯麦早期发展时，就面对着要和崛起的日本芯片厂商尼康和佳能的猛烈竞争，但阿斯麦把握住了国际风云的变革，专注于光刻机焦点技能的研发，通过与西欧大学以及研究机构的互助，打造上卑鄙长处链条，奠基了坚固的技能底子，用了30年时间创建起了极高的技能壁垒。
对于荷兰阿斯麦来讲，与台积电互助研制浸润式光刻装备机，就是它的诺曼底登岸之战。
它捉住了这个技能发展关键迁移转变点，从而实现高端光刻机的技能突破，得到芯片制造市场的主导职位。
2002年左右，传统193 nm深紫外光刻机推进到芯片的65nm水平常，碰到了亘古未有的瓶颈。日本的微影双雄尼康和佳能选择的技能门路是：继承低落曝光波长，开辟波长更短的157 nm深紫外光刻机。
这时，台积电的一名工程师林本坚提出：以水为介质可以制造浸润式光刻机，在镜头与晶圆曝光地区之间的清闲布满高折射率的水，水对193 nm紫外光的折射率为1.44，从而实如今水中等效波长为134 nm，从而一举实现 45nm以下制程。
浸润式光刻机，这个想法是创造性的，但在技能上怎样实现照旧个大题目。
其时，阿斯麦的重要竞争对手尼康和佳能，对浸润式光刻机远景并不看好，不停主攻更短波长的深紫外光源。而阿斯麦则赌上了企业发展的运气，与台积电团结攻关，颠末三年的尽力投入研发，浸润式光刻机终获乐成，从而改写了将来半导体十余年的发展蓝图，将芯片加工的技能节点从65 nm连续降落。光刻关键技能的庞大突破，直接拉动阿斯麦的市场占据率由25%攀升至80%，把尼康和佳能打的满地找牙。
真正让阿斯麦称霸光刻机范畴的战争，是极紫外EUV光刻机技能的开辟。
极紫外光刻的原理是20世纪80年代由日本人提出并验证的，但怎样实现低本钱的量产，是摆在日本和西欧各国半导体业界眼前的巨浩劫题。
作为天下第一的科技霸主，美国面临其时日本芯片财产的崛起，也是不能容忍的。出于国家安全和贸易长处的思量，为了夺取美国在半导体行业上的上风，为了在下一代半导体制程上把日本芯片企业赶出局，从EUV光刻机入手，美国当局和业界专门建立了复仇者同盟，啊不，是EUV同盟。由英特尔、AMD、摩托罗拉和IBM等业界巨头，加上从属于美国能源部的桑迪亚国家实行室和劳伦斯利弗莫尔国家实行室构成，可谓阵容强盛， 共同攻克生产装备的困难。而欧洲30余国也紧跟潮水，会合了科研院所的研究气力，到场EUV光刻技能的开辟。
荷兰阿斯麦公司作为把握光刻机体系集成和团体架构的焦点企业，天然成了西欧自家的小棉袄，顺遂赶上了西欧EUV技能研究发展的风口，投资德国卡尔蔡司，收购美国Cymer光源。集成天下各国顶尖科技的EUV光刻机研发乐成，一举奠基了阿斯麦在高端EUV光刻机范畴的把持职位，EUV光刻机的细密水平已经到达给你图纸，也无可复制。
阿斯迈EUV光刻机内部工作模仿图，其精致复杂水平令人恐慌 | www.asml.com
当前，ASML成为天下上唯一拥有EUV光刻机生产本领的产商，以波长13.5 nm的极紫外光作为光源，可以实现7 nm以下制程的芯片，当前苹果和华为等旗舰手机的5nm 制程芯片都是由阿斯麦EUV光刻机生产。尼康和佳能面临技能壁垒和巨资开辟投资，只能望EUV而兴叹，起个大早，没赶上集。
1983年，其时仍旧从属飞利浦科学与工业部的阿斯麦公司工程师们，正在检测PAS2000型光刻机，阿斯麦公司是飞利浦与ASM公司合资创建的企业 | http://www.chiphistory.org
荷兰阿斯麦的乐成不是偶尔的，也是有迹可循的，起首，它30年内专注发展光刻机焦点技能，保持稳固的战略目的，不停研发新技能新产物。从浸入式光刻机到EUV光刻机的生产，阿斯麦和它的互助同伴不停挑衅摩尔定律，突破芯片加工极限。而作为曾碾压阿斯麦的竞争对手，佳能和尼康渐渐进入数码相机等来快钱的消耗电子市场，从而失去了光刻机范畴的上风。
其次，阿斯麦通过投资和入股等方式，获取光刻体系的焦点技能，而光刻机90%的其他部件都是互助和外购天下顶级技能产物，好比德国机器、蔡司镜头和美国光源。同时引入英特尔、台积电和三星等电子巨头的注资，形成了无法复制的战略长处共同体。
阿斯麦在中国台湾地域设立的技能培训中央 | http://www.bloomberg.com
阿斯麦和台积电等卑鄙公司也同样通过股份战略互助，形成长处和研发共同体，台积电用EUV检验芯片加工技能，同时台积电又把芯片加工中碰到的题目和新的要求不停反馈给ASML，从而开创技能创新和质量改进的双赢局面，台积电也成为环球首家提供5nm制程代工业务的芯片厂商。
上海微电子展示的28nm光刻机 | www.i-micronews.com
国产之路，任重道远
再来看看国内的光刻机研发状态，实在我国在60年代第一块集成电路问世之后，就开始了光刻工艺的研究，但在80年代以后，随着“造船不如买船，买船不如租船”的说法盛行，由于也缺乏相应的芯片财产链，许多自主攻关项目纷纷下马。当前，我国光刻机的重要生产厂家是上海微电子，已经实现90纳米制程量产，28 nm工艺的国产光刻机也预计在2021年交货，固然和国际领先的5 nm另有几代差距，但已经可以满意国内芯片市场的中端需求。
2019年4月，光电团队武汉国家技能研究中央团队使用两束激光在自主研发的光刻胶上突破光束衍射极限，使用远场光学乐成镌刻出一条宽9nm的线段，实现了从超分辨率成像到超扩散极限光刻的庞大创新。然而，从技能实行室乐成，到可批量化大批制造的商用装备，仍旧另有很长的路要走。特殊是必要几万个零部件要到达高精准度的高端光刻机，此中的关键高精度零部件好比镜头、光源、轴承等，现在国内财产链的制造程度还临时达不到，必要恒久团结攻关，我们的使命仍旧困难而繁重。
作者：爱较真的戴老师
编辑：朱步冲
一个AI
面包会有的，光刻机也会有的
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发表于 2020-12-24 04:06:32
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