因為缺芯、臺積電和地緣政治等多種因素的影響，大家對半導體產(chǎn)業(yè)的關注度火速提升。這也讓ASML這些原本在背后默默支持半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的企業(yè)被“趕”到了臺前。作為全球領先的半導體設備供應商，這家來自荷蘭的企業(yè)提供了全球芯片生產(chǎn)都繞不開的關鍵設備——光刻機。尤其是在EUV光刻機方面，市場的關注度更是空前。這一方面是因為這個設備是芯片制造工藝走向7nm以下的關鍵；另一方面，這個設備的售價高達上億美金，且只有ASML一家能做。因此其吸引了全球那么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制造的“皇冠”。
以EUV光刻機為例，ASML技術開發(fā)副總裁Tony Yen在今年三月接受媒體采訪的時候曾經(jīng)表示，EUV光刻機由超過10萬個精密零部件組成；相關報道也指出，EUV光刻機重量達180噸，體積十分龐大，需要0.125萬千瓦的電力，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個集裝箱、20輛卡車和三架波音747飛機。
這樣一個龐然大物，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(chǎn)能，從其部件構成上看，正如其名字“光刻機”所定義的一樣，“光”就成為了EUV光刻機中的重要一環(huán)。要明白這一切，就首先得從光刻機的工作原理談起。
EUV 光刻機的內部工作原理（來源：ASML）
從一條公式談起
正如ASML所說，光刻的本質其實是一個投影系統(tǒng)。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復雜的晶體管。在光刻技術不斷朝著“更小”邁進的征程上。在光刻領域，有一個公式和“摩爾定律”一樣引導著行業(yè)的發(fā)展。而與摩爾定律不同的是，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每個辦公室的瑞利判據(jù)（Rayleigh criterion）公式。
瑞利判據(jù)公式（source：ASML）
如上圖所示，在瑞利公式中，K1是一個常數(shù)，取決于與芯片制造工藝有關的許多因素。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(shù)值孔徑，描述了它們能夠收集光的角度范圍；CD 代表線寬，即可實現(xiàn)的最小特征尺寸，大家所談的幾納米芯片，就是為了把這個CD值做得更小。
從公式可以看到，為了讓CD變得更小，除了將K1和λ變小以外，把NA變大也是降低CD的一個選擇。據(jù)筆者了解，目前K1的值已經(jīng)接近極限。為此行業(yè)把降低λ和提高NA作為繼續(xù)延續(xù)摩爾定律的重要發(fā)力方向。
EUV產(chǎn)品路線圖
在NA方面，根據(jù)報道，現(xiàn)在ASML正在探尋從0.33往0.55推進。據(jù)semiwiki在今年三月的報道，ASML的High-NA光刻機現(xiàn)在已經(jīng)從書面走向現(xiàn)實，且已經(jīng)走到了構建模塊和框架階段。根據(jù)他們預測，預計首批High-NA設備（0.55NA）將于2022年下半年交付。其中EXE：5000系統(tǒng)可能與EXE：5200系統(tǒng)一起研發(fā)，原因是EXE：5200系統(tǒng)將于2025/2026年成為第一批High-NA生產(chǎn)系統(tǒng)。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(chǎn)品發(fā)布時間規(guī)劃（source：semiwiki）
來到λ方面，為了降低其數(shù)值，如下圖所示，光刻機的光源在過去多年的發(fā)展從包括g-line和i-line在內的高壓汞燈開始，歷經(jīng)KrF和ArF，并在最近幾年進入到了EUV時代。對于未來，有人甚至認為光刻機的光源有望從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，為了進一步降低λ，產(chǎn)業(yè)界在光刻機演進的過程中，還引入了浸潤式光刻系統(tǒng)，讓DUV在推進芯片微縮過程中發(fā)揮了更多的作用。由此也可以體現(xiàn)出工程師的力量。
光刻機光源的演變（Source：ASML）
從上面的描述看來，要讓CD繼續(xù)縮小，唯有繼續(xù)降低λ這條路是最容易繼續(xù)走通的。但我們回看過去多年里的光源發(fā)展歷程。這個看起來相對簡單的路，其實也不是一路坦途。尤其是在現(xiàn)在火遍全球的EUV光刻方面，真可以稱得上是供應鏈共同努力的結晶。
EUV成為答案
日本知名分析師湯之上隆在2007年的時候曾以“EUV的量產(chǎn)機是不是不能實現(xiàn)呢？”為題，對當時正在面臨開發(fā)困境的EUV進行相關調查。他提供的結果顯示，在問了18名光刻相關人員后，有10位給出的回答是EUV光刻機不能實現(xiàn)。誠然，對這么一個擁有如此高度復雜性的設備來說，EUV光刻無疑是一個極高難度的挑戰(zhàn)。尤其是在光源和鏡頭方面，帶來的挑戰(zhàn)更是前所未有。
從原理上看，光刻機的工作原理，就是讓光穿過光掩模，然后通過一系列透鏡將其縮小，最終落在覆蓋有光刻膠的基板上。由于光掩模，光刻膠的某些部分被光照射，使其變硬。在制造過程中，未曝光的部分在稱為蝕刻的過程中被化學洗掉。這樣做時，存在于抗蝕劑下方的材料也被去除。因此，在去除抗蝕劑的剩余部分后，光掩模圖案就出現(xiàn)在硅片中（或在施加抗蝕劑之前已沉積在硅片上的材料中）“雕刻”出來。
光刻機的基本原理
正如上文所說，為了實現(xiàn)更小的“特征”，光刻機的光源歷經(jīng)了幾代的演變，并最終進入到了EUV時代。但其實這并不是一帆風順的。據(jù)相關介紹，在后DUV時代，有三個潛在的候選者，分別是EUV、電子束和離子束光刻。在發(fā)展幾年后，又多了157 納米的深紫外光刻選項。不過行業(yè)參與者最后發(fā)現(xiàn)，ASML才是最終答案。因為為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面后果是會阻礙吞吐量。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(qū)能量最高的部分。它的波長范圍為 100納米到10納米，介于 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(chǎn)。這就使得其產(chǎn)生了兩個明顯的挑戰(zhàn)：
首先，EUV 光很難以受控方式產(chǎn)生。只有多重電離原子內殼中的激發(fā)電子才能發(fā)射 EUV。你只會在熾熱、致密的等離子體（例如太陽的最外層區(qū)域）中找到這些電子，而制造這些電子是一項相當艱巨的工作?；蛘邔⒆杂呻娮油ㄟ^同步加速器發(fā)射產(chǎn)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吸收。這意味著光從產(chǎn)生的那一刻到撞擊硅片的那一刻，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，需要使用高度復雜的曲面反射鏡。傳統(tǒng)的光掩模也會吸收過多的光，因此它也需要具有反射性。
換而言之，對EUV光刻機而言，光源和鏡頭部分會是最大的兩個挑戰(zhàn)所在。再加上其他系統(tǒng)，這勢必是一個浩瀚的設計工程，光靠ASML一家是完成不了。為此，荷蘭巨頭和業(yè)界多家廠商合作。如蔡司、Cymer和通快，就是ASML EUV光刻機背后鮮被提及的巨頭。
鏡頭后面的“大家”
如前所述，由于EUV光的特性，在EUV光刻機中，一個反射的鏡頭是非常重要的，也是非常復雜的，這主要因為現(xiàn)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，于是業(yè)界探討用這種方式制作相當高效的 EUV 反射鏡來縮小和聚焦圖像。而由鉬（部分反射 EUV 光）和硅（對 EUV 大部分透明）交替納米層制成的反射鏡就成為了大家努力的方向。
不過，這樣的EUV 反射鏡的制作極其復雜，因為它們的表面需要幾乎完美光滑和干凈，每個納米層都需要具有精確定義的厚度。讓每個原子都需要在正確的位置，否則可能會丟失光或圖像可能會變形。蔡司毫無疑問又成為了大家求助的對象。
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精密光學儀器加工廠，并于1847年生產(chǎn)出了他的第一臺顯微鏡。1866年起，在恩斯特·阿貝和奧托·肖特的協(xié)助下，蔡司的工廠逐漸在顯微鏡領域有了較大的發(fā)展，并開始生產(chǎn)光學玻璃。1888年，蔡司開始涉足攝影業(yè)。同年，在恩斯特·阿貝的主持下蔡司基金會成立。1891年蔡司基金會成為蔡司工廠的唯一所有人。
回看過去一百多年的發(fā)展，蔡司始終都把光學相關器件當做公司的主攻方向，而半導體則是他們從二十世紀六十年代開始切入的賽道。自1968年第一次為為 AEG Telefunken 生產(chǎn)了第一個用于電路板打印機（當今晶圓步進機和掃描設備的前身）的鏡頭以來，公司在這個市場上一直穩(wěn)扎穩(wěn)打。
1977年，蔡司推出了分辨率為1微米的S-Planar 10/0.28透鏡，并將其用于美國公司David Mann（后來的GCA）制造的全球第一臺晶圓步進機上；1982年，蔡司生產(chǎn)了第一個工作波長為 365 納米（i 線）的光學系統(tǒng)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）是半導體市場的重大突破；1998年推出的Starlith 900 則是世界上第一個批量生產(chǎn)的 193 納米波長光刻光學器件，這是第一個可以實現(xiàn)100 納米以下分辨率的系統(tǒng)；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(xiàn)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(chǎn)的；2012年，全球第一套EUV光學系統(tǒng)量產(chǎn)，蔡司又幫助半導體產(chǎn)業(yè)進入了一個新階段。
全球第一套EUV光學系統(tǒng)
據(jù)蔡司集團發(fā)布的截止到2020年9月30日的2019/2020財年的年報，公司半導體制造技術部門在統(tǒng)計周期內產(chǎn)生了18.33億歐元的收入，同比（16.34億歐元）增加了12%。半導體制造技術部門的所有戰(zhàn)略業(yè)務部門都為這一新的收入記錄做出了貢獻，每一個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光刻系統(tǒng)的高需求也在繼續(xù)。DUV光刻系統(tǒng)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 億美元的現(xiàn)金收購了蔡司負責相關光學系統(tǒng)子公司 24.9% 的股份，同時還為聯(lián)合研發(fā)項目一次性出資約 2.44 億美元，并在未來六年（從2016年算起）內再花費 6 億美元用于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談到，EUV的光源是無法自然產(chǎn)生的，且其擁有各種各樣的特性。為此如何產(chǎn)生光源，就成為橫亙在開發(fā)者面前的又一個難題。在21世紀初，Xtreme Technologies等企業(yè)所推動的，基于放電等離子體的光源似乎是最有希望的。但不久之后，激光生產(chǎn)的等離子體光源（LPP：laser-produced plasma）嶄露頭角，并最終成為日本、歐洲和美國的團體都在努力的方向。
從原理上看，這種方法是使用一個非常高功率（超過30kW平均脈沖功率的激光數(shù)，其脈沖峰值功率可高達幾兆瓦）的激光脈沖，打在不斷滴下的錫珠，然后轉化成為一個發(fā)光的等離子體，發(fā)射出波長為13.5 nm的EUV光。這些光通過聚焦后，通過反射透鏡首先傳輸?shù)焦饪萄谀Ｉ?，然后照射到晶圓基片上。
上述的每一個步驟，都需要非常復雜的技術。例如在光源部分，就需要具體聚焦在激光脈沖是如何產(chǎn)生以及如何放大的。
首先，我們需要產(chǎn)生短脈沖激光光束作為種子光，然后讓它經(jīng)過多級放大。實際上會有兩個脈沖——預脈沖和主脈沖。預脈沖首先擊中錫珠，使它變成正確的形狀；然后主脈沖將壓扁的錫珠轉化為等離子體，從而發(fā)射出珍貴的EUV光。
這里的難點在于放大階段會不斷增加它的功率，但必須確保兩個光束在錫珠上有正確的光學性能，尤其是正確的聚焦。每束脈沖激光都由非常微小的、緊湊的光粒子組成，緊緊地拋向錫珠。為了正確地擊中它們的目標，它們必須在正確的瞬間到達，不能過早或過晚；否則，沖擊力將無法壓平錫珠。在最壞的情況下，第二道激光脈沖射出的子彈沒有擊中目標，EUV就會失敗。強調一下，以上過程要做到每秒鐘進行五萬次，為了讓激光束以極大的功率穩(wěn)定傳輸，系統(tǒng)的復雜性可想而知。
一家鮮為人知的廠商——德國通快（TRUMPF）正是背后的一個重要玩家。
據(jù)介紹，他們在EUV光刻激光發(fā)生系統(tǒng)上投入了超過15年。針對EUV光刻機，TRUMPF開發(fā)了一種激光器，可產(chǎn)生40千瓦的脈沖輻射，重復率為50千赫。該激光器有兩個播種器和四個放大級，體積非常大，必須放置在EUV機器下面的一個獨立樓層。
CO2激光器中的受激混合氣體發(fā)出獨特的紅光——這就是 EUV光最初的來源
相關資料顯示，如上圖所示，EUV激光系統(tǒng)由大約45萬個零件組成，重約17噸。為了確保這些零件正確組裝，僅檢查標準就多達1000多條，這還不包括模塊和子模塊額外的預檢標準。而從種子光發(fā)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，尤其是系統(tǒng)中包含的400多個光學元器件。由此也看到通快在這方面的實力。
在通快的幫助下，總部位于圣地亞哥的Cymer成為了EUV光源系統(tǒng)最后的贏家。
維基百科的資料顯示，Cymer 由 Robert Akins 博士和 Richard Sandstrom 博士于 1986 年創(chuàng)立，他們于 1970 年代中期在加州大學圣地亞哥分校的實驗室課堂上相識。1986 年，個人計算機市場為 Akins 和 Sandstrom 將他們獨特的激光知識應用于半導體光刻技術打開了大門。1988 年，Cymer 推出了用于高級研發(fā)應用的第一個光源，以支持半導體光刻技術的發(fā)展。1990年，第二代光源出貨，公司發(fā)展迅速，1988年至1994年共出貨78套光源系統(tǒng)。
2009 年 6 月，Cymer 將世界上第一個完全集成的 LPP EUV 光刻光源運送到荷蘭 Veldhoven 的 ASML ，以集成到其 EUV 光刻機中。2012 年 10 月，荷蘭半導體設備制造商ASML宣布將收購 Cymer，作為其 EUV 設備戰(zhàn)略的一部分。
至此，一場EUV光刻機的攻堅戰(zhàn)告一段落。
寫在最后
從EUV光刻機的發(fā)展，我們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。我們從中也意識到，任何一個龐大復雜的系統(tǒng)，都需要多個領域頂尖的供應商攜手合作，才能完成，光是靠其中的一兩家公司，是不可能讓科技繼續(xù)往前推進。
由此，我們也看到了全球供應鏈協(xié)作的重要性。
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