晶圓製造前道工藝中有四大關鍵裝置，光刻機、刻蝕機、離子注入機和鍍膜機。光刻機是四大裝置之首，在製造裝置投資額中單項佔比最高，約為23%到30%。

而光刻工藝也是晶片製造中難度最大、耗時最長的環節。晶片在生產過程中一般需要進行20到30次光刻，所耗費的時間約佔整個生產流程的40%到60%。

在積體電路的製造中，光刻步驟，簡單來說就是將“母版”也就是掩膜上的電路圖轉移到晶圓上的過程。

這個原理類似底片曝光，先在晶圓上塗上光刻膠這種感光材料，再讓光源透過“母版”投射在晶圓上，光刻膠上就顯影留下了圖形。

看起來好像很簡單的樣子，但是我們知道現在的超大規模積體電路上，動不動就整合上億乃至上百億的器件。這麼多的器件呈現在指甲蓋大小的晶片上，肉眼肯定看不清的，咱肉眼解析度不足啊。

聰明的朋友到這裡肯定一下就明白了，要做這麼精細的事，那這個光刻機的解析度肯定就非常關鍵。

事實就是如此！光刻機搞來搞去，最重要的目標之一就是要提高解析度。光刻機的解析度越高，我們就能在一張同樣面積大小的晶片上整合越多的電晶體。而一顆晶片上整合的電晶體越多，計算能力也就越強。

所以，這裡也能看出來，光刻機能決定晶片的尺寸，同時也決定了一顆晶片的計算能跑多快。

要實現這一目標，需要搞多少事情呢？那可是老鼻子複雜了。

舉個例子，現在光刻機行業的扛把子阿斯麥（ASML）的一臺光刻機就包含了10萬個零部件，其中90%以上的零部件來自荷蘭境外，需要40個標準集裝箱才能裝得下。而製造出這麼一臺光刻機，需要上游5000多家供應商一起幹活。

光刻機的工作過程是這樣的：鐳射器作為光源發出光束，光束穿過掩膜及鏡片，經由物鏡補償光學誤差，將線路圖曝光在帶有感光塗層的矽晶圓上，然後顯影。

一臺光刻機的主要部件包含測量臺、曝光臺、鐳射器、光束矯正器、能量控制器等11個模組。

測量臺與曝光臺，這是承載矽片的工作臺。一般的光刻機只有一個工作臺，要先進行測量再搞曝光。阿斯麥的光刻機搞的是雙工作臺，測量和曝光可以同時進行。

鐳射器，是光刻機的光源，這也是光刻機核心的裝置之一。原因就在於光刻機的工藝能力首先就取決於光源的波長。

我們前面提到過光刻機的解析度代表光刻機能清晰投影最小影象的能力。

現在，來看如下的公式：

光刻解析度=K1xλ/NA，其中K1是工藝係數因子；NA是投影光刻物鏡數值孔徑，這是光學鏡頭的一個重要指標；λ 就是鐳射器輸入的光源波長了。

從這個公式我們就可以看出，要想提高解析度，這光源的波長是越短越好。

光束矯正器，用來矯正光束射入方向，讓鐳射束儘量平行。

能量控制器，用來控制最終照射到矽片上的能量，曝光不足或過度都會嚴重影響成像質量。

光束形狀設定，用以設定光束為圓型、環型等不同形狀，不同的光束狀態有不同的光學特性。

遮光器，在不需要曝光的時候，阻止光束照射到矽片。

能量探測器，檢測光束最終入射能量是否符合曝光要求，並反饋給能量控制器進行調整。

掩膜臺，是承載掩膜版運動的裝置，運動控制精度為nm級。

物鏡，把掩膜版上的電路圖按比例縮小，再被鐳射對映的矽片上，補償各種光學誤差。

封閉框架、減震器，用於將工作臺與外部環境隔離，保持水平，減少外界振動干擾，並維持穩定的溫度、壓力。

根據所用光源和曝光方式的改進，光刻機經歷了5代產品，讓光源波長從早年的436nm縮小到了現在的13.5nm。

1958年，快捷半導體的諾伊斯和拉斯特製造出第一臺光刻照相機，用於矽基晶體三極體的製造。

1961年，美國GCA公司製造出了第一臺光刻機。

60年代光刻技術傳入了日本，那個時期，光刻機的複雜程度和照相機差不多。於是，60年代末尼康和佳能開始製造光刻機。

到1984年阿斯麥從飛利浦獨立出來的時候，光刻機還是尼康的天下，市場份額一度超過50%，阿斯麥小弟的市場份額常年就是在10%左右打轉。

最早光刻機的光源是汞燈產生的紫外線，從1980年開始採用g-line光源，波長為436nm，可以做800到250nm的晶片。

由於摩爾定律的驅動，積體電路技術發展很快，晶片上整合的電路數量越來越多。到90年代，g-line光源就開始有點扛不動了。

於是，從90年代開始，光刻機正式開始了光源波長的競爭。

1990年之後，業界開始採用i-line光源，波長縮小到365nm，雖然對應的製程還是800到250nm，但在小尺寸的良率上有了提升，並且光刻步驟有了減少。

上面兩種，都是UV即紫外光，所以這種光刻機也叫UV 光刻機。

1997年開始了DUV，即深紫外光之路。

最初使用KrF光源，波長為248nm，可以做180nm到130nm的晶片。現在佳能最先進的KrF光刻機可以做到90nm製程。

2001年之後，業界又開始使用ArF光源，波長為193nm，對應的製程為130nm到65nm。

這個時候光源的波長已經能做到193nm，但是下一個節點157nm波長的光源遲遲沒做出來。大家著急啊，摩爾定律不等人啊！

終於，臺積電的研發副經理林本堅腦中的小燈泡點亮了，他提出，咱是不是能利用液體的折射縮短光的波長？

在傳統的光刻技術中，鏡頭與光刻膠之間的介質是空氣。林本堅提出的這種方法就是將空氣介質換成液體，利用光透過液體介質後波長縮短來提高解析度。

這個方法後來被稱為“浸沒式光刻”，採用這種方式能夠做出等效134nm到157nm的波長。

當時的光刻機龍頭老大尼康聽到這個主意，搖了搖頭，不行！咱不能搞“溼的”，還是埋頭苦幹搞“乾的”。究其原因，就是因為尼康當時為了搞157nm光源已經付出了鉅額的研發費用。這要是突然轉方向，那以前花的錢豈不是就打水漂了！不行，不行！

而此時的小弟阿斯麥對“溼刻療法”顯然更有興趣，畢竟它就是光腳的不怕穿鞋的，反正只有10%的市場份額，我就唆一把！

2004年，阿斯麥和臺積電共同研發的浸沒式光刻機誕生，由於這種光刻機是在成熟的193nm技術上改進的，所以裝置的穩定性明顯優於同期尼康大佬推出的157nm“幹刻”光刻機。

而且這種“溼刻法”可以在原有的193nm裝置上進行改造，這就大大降低了客戶的使用成本。

這種浸沒式光刻機也將晶片製程節點進一步提高，通常可以做45nm到7nm的晶片了，頂尖高階的能做到5nm。我們通常將這類的光刻機稱為ArFi光刻機。

於是乎，阿斯麥的市場份額隨之獲得了大幅提升，從原來的10%小弟到2009年一躍達到了70%，可謂是從N線蹭蹭蹭就成為一線頂流。

到了2007年，浸入式光刻機已經成為45nm以下晶片製程的主流選擇。不過，這種光刻機還是使用的DUV即深紫外光源，所以都屬於DUV光刻機。

尼康在此關鍵節點上由於錯誤的判斷，短短几年時間就痛失了行業領先地位。

不過多年的老大也不是白當的，技術底蘊還是有的。尼康後來當然也隨大流搞了浸沒式光刻機，最新的液浸式掃描光刻機NSR-S635E，能幹到5nm製程，可以與阿斯麥的高階DUV光刻機NXT2000i一較高下。

依靠浸沒式光刻機阿斯麥成為一線頂流，但真正讓阿斯麥成為霸主的是它的13.5nm波長EUV（極紫外光）光刻機的研發。這一技術，將晶片製程推進到了3nm。

其實早在90年代，EUV光刻機就已經被提出，但這個技術難度實在是太高了，已經不是一家公司單幹能搞得定的。

於是，1997年英特爾說服了美國能源部，共同發起成立了EUV LCC聯盟。這個聯盟裡彙集了眾多頂級大咖，比如美國三大國家實驗室、摩托羅拉、AMD等等，當然還包括數百位頂尖科學家。

當時美國政府擔心最前沿的技術落入外國公司之手，反對阿斯麥和尼康加入。阿斯麥為了技術也是豁得出去，做出了一系列讓步和承諾才被組織接納，能夠享受組織的研究成果。這裡你品，你慢慢品。

但尼康就沒這幸運了，始終被拒之門外。另一方面，由於研究EUV光刻機需要鉅額的研發成本，尼康和佳能也表示，咱不跟了！

阿斯麥這邊呢，既然已經擠進了EUV聯盟，那就是鐵了頭一定要搞出來。研發成本巨大，沒事兒，投！

不過，摸了摸自己的口袋，決心很大但鋼鏰很少。

但很快，它就想到了辦法。

一方面，阿斯麥向政府化緣，獲得了一些研發經費的補貼。另一方面，2012年阿斯麥推出了“客戶聯合計劃”向下遊客戶化緣。

這個計劃提出，客戶可以透過注入資金的方式成為我的股東，以此享有優先訂貨權。

客戶們掰著手指頭算了算，好像EUV光刻機也只有你能搞出來，而且這玩意不是能批次生產的貨，早拿到能早點推進自家的晶片製程。

於是，客戶們紛紛爭先恐後地上了阿斯麥的船。靠著這個“釣魚”計劃，阿斯麥迅速以23%的股權籌集到來自英特爾、臺積電、三星投資總計約39億歐元的資金。而且，這些客戶還向阿斯麥提供了13.8億歐元的資金用於EUV的研發。可見，有核心技術，就是這麼拽啊。

當然，隨著近幾年阿斯麥的股價水漲船高，這幾家客戶也陸續出售了它的股票，狠賺了一把。

如今阿斯麥的大股東是美國的資本國際集團佔15.2%，美國的貝萊德集團佔6.52%，以及英國的吉福德集團佔4.35%。

2010年，站在全球科技的肩膀上，阿斯麥終於研發出第一臺EUV光刻機。

2016年，阿斯麥向一家亞洲晶片製造商的研究機構運送了第一臺原型EUV光刻樣機，NXE:3100，這算是EUV商用的起點吧。

2019年，歷時 20 年研發的 EUV 光刻機終於應用於生產線上了。它不僅僅能搞出更小的製程，更關鍵的它能夠大幅度縮減7nm和5nm製程的工藝步驟。

這一年阿斯麥一共向客戶交付了26臺極紫外光光刻機，其中有9臺是最新型號，即NXE:3400C。這批貨臺積電拿走了一半，剩下的由三星和英特爾等公司瓜分。

那麼一臺EUV光刻機需要多少錢才能買到呢？答案是1.2億歐元。

現在我們來看看EUV光刻機的主要技術難點都有哪些。

第一，光源，我們前面已經說了EUV採用的是13.5nm的極紫外光。

這極紫外光，需要以每秒五萬次的頻率，用20KW的鐳射來打擊20微米的錫滴，使液態錫汽化為等離子體，從而產生。

而且，這裡的錫滴因為實在是太小了，要轟兩次。第一次把錫滴打扁，第二次才能轟成等離子體。

光源難度這麼高的東西，阿斯麥顯然不是單幹出來的。

2013年阿斯麥收購了全球領先的準分子鐳射器廠商Cymer，加速了EUV光源技術的發展，為光源技術提供了保障。

難點二：13.5nm波長的光線非常容易被各種材料吸收，所以必須保證整個操作環境為“無塵狀態”。也就是說，為了保障這個無塵環境，通風裝置必須每小時淨化30萬立方米的空氣。這就是鉅額的電費在燃燒。

難點三：極紫外光從發出到晶圓需要經過十幾次反射，每次反射都會損失大約30%的能量，掐指一算，這點光到晶圓的時候就剩不到2%了。

所以，必須在光源採用極大的功率，目前阿斯麥EUV光刻機的輸出功率是250瓦，幹一天活光是光源的部分差不多就要3萬度電。普通家庭一個月就用300度電，你感覺一下這個燒電怪。

此外，這麼大功率肯定就要冷卻系統，不然分分鐘火葬場的節奏。這又得繼續燒電。

難點四：EUV光刻機為了能夠精確達到10nm以下的線寬以及1奈米以內的套刻精度，整套的反射鏡都必須非常平整。

阿斯麥的反射鏡是由德國蔡司生產的，整個反射鏡都要經過上百萬次的打磨，鏡面上瑕疵的大小僅能在皮米以內，即奈米的千分之一。

這是一個什麼喪心病狂的概念，相當於整個雲南省這麼大面積的地方，最高凸起不能超過1釐米。可以說，蔡司的這套反射鏡當時目前全人類最光滑的東西了，沒有之一！

為了與蔡司更好地合作，2017年阿斯麥以10歐元收購了蔡司24.9%的股權。

目前阿斯麥已經和蔡司合作，搞出來數值孔徑為0.33的EUV光刻鏡頭。併為了推進3nm以下製程，積極在研發下一代0.55高數值孔徑光學系統。該系統與多重成像技術相比，預計能降低一半的成本，週期時間縮短3到6倍，套刻和聚焦效能也將更加優秀。

阿斯麥能搞出來EUV，除了各種全球化合作研發之外，與它看到好技術就買買買也高度相關。

2001年，用1億美元收購了矽谷集團， 獲得了投影掩罩瞄準技術和掃描技 術。

2007年，以2.7 億美元現金收購了半導體設計和晶圓製造技術供應商Brion Technologies，推出計算光刻和YieldStar計量裝置。

計算光刻技術能夠讓半導體制造商模擬已實現的積體電路圖案，並校正掩模圖案以最佳化製造工藝和成品率。

2013年，阿斯麥花了25 億美元收購美國的光源生產商Cymer。

2016年，用31億美元收購了半導體制程裝置的影象驗證系統領導廠商漢科微（HMI）。

這讓阿斯麥的光刻機產品中加入了多光束檢測裝置，這是一套能夠驗證先進工藝生產出來的晶片質量的系統，可以最佳化整體光刻方案，極大程度提升晶片製造的產能。

當然，除了合作研發、入股和收購，阿斯麥自己也會投入鉅額的研發力量以維持自身的霸主地位。

以2019年為例，阿斯麥的研發費用高達19.6億歐元，佔營收比重的16.6%。

早年的競爭對手在這一點上已經耗不起了，尼康和佳能的研發費用現在基本就是佔營收比重的不到10%。

目前，阿斯麥、尼康和佳能三家公司的光刻機佔據了99%的市場份額。

阿斯麥佔比在60%以上，其中EUV光刻機佔比100%，高階市場佔比84%。尼康在高階光刻機市場還有一席之地，但佳能已經完全無力再戰，退出了高階市場的競爭，將業務重心放在了中低端市場。

這一章，我們介紹了光刻機。

下一章，我們將重點介紹中國目前的光刻機研發情況。