光刻机的制造难点是什么？ | 积跬步

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作者 | 千里

复核 | 卜乐

关于光刻机的描述有很多，几乎都和难度有关。

光刻机的制造难度非常高，被誉为"半导体工业皇冠上的明珠"，是集成电路制造行业的核心设备。它比原子弹还稀有，到目前为止，全世界仅有两个国家掌握了制造光刻机的主流技术，其制造难度属于“地狱级别”。

为什么难呢？

我们需要先简单了解芯片的制作流程。

首先做出纯度极高的圆柱体形状的单晶硅锭，将单晶硅锭横向切割，得到厚度不超过1毫米的硅片。

然后就要在硅片上做出电路，过程大致为：

1、画出线路图；

2、把线路图刻到玻璃板上，制成掩膜，相当于做出照片的底片；

3、把掩膜上的线路图用强光投射到涂了一层非常薄、非常均匀的光刻胶的硅片上，光刻胶被强光照射的部分变得可以溶解，便在硅片上曝光出线路图；

4、对硅片上的线路图多次使用刻蚀、扩散、沉积等工艺做出复杂的晶体管和电路网络。

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最后，将晶圆切割成一块块芯片内核，将芯片内核与衬底、散热片等封装到一起，就形成了一个完整的芯片。

整个流程中光刻就是当中最复杂、最关键的工艺步骤。光刻的工艺水平直接决定芯片的制程水平和性能水平。一般芯片在生产中需要进行20-30次的光刻，占芯片生产成本的1/3。

如果这么说你还没有什么概念，那么余盛的《芯片战争》中有个比喻很形象：“如果把制作芯片比作刻版画，芯片生产的过程就是在硅衬底这张“纸”上，先涂上一层名为光刻胶的“油墨”，再用光线作“笔”，在硅衬底上“拓”出需要的图案，然后用化学物质作“刻刀”，把图案雕刻出来。其中，以光线为笔拓印图案这一步被称为光刻，图案线条的粗细直接影响后续雕刻的精细程度。”

在纳米级尺寸的“画板”上进行精细作画，这就是光刻的难度所在。最新技术是1平方毫米里面有3亿个晶体管。

而光刻机的任务就是能够精确地复制几纳米到几微米的图案。精度的微小差异都可能导致芯片性能的巨大变化。一点灰尘或者震动都可能影响光刻质量。还必须24小时连续工作，全年停机时间不超过3%。

在集成电路刚开始起步的时候，相信没有人能预见到光刻技术会发展到如今这般令人望而却步的程度。

在20世纪50年代末到60年代，当集成电路技术刚刚起步时，光刻过程相对简单，使用的设备和技术也比较基础。当时的光刻工艺主要采用接触式曝光方法。

其基本原理相当直观：用一个带有所需电路图案的光掩膜直接与硅片表面的光刻胶接触。然后，紫外光透过掩膜照射在光刻胶上，由于掩膜上的图案部分遮挡了光线，因此在硅片上的光刻胶上形成了与掩膜相同的图案。

虽然接触式曝光简单，成本也低，但是掩膜因为接触容易磨损，良品率低，无法重复利用，产能受限。并且随着摩尔定律的推动，芯片的尺寸快速缩小，接触式曝光的分辨率难以跟进小尺寸，逐渐被更先进的接近式曝光取代，而后又发展到投影式曝光。

同时早期的光刻机使用汞灯作为光源，随着集成电路技术节点向纳米级发展，光源发展到使用准分子激光器产生更短波长的紫外线（UV）的光以实现更高的分辨率，再到最新的极紫外（EUV）光源。

每一代芯片制造都依赖于光刻技术的创新，而半导体先进制程的快速发展很大程度上可归因于光源波长的不断缩短。

光刻机分类及演进历程

数据来源：华经产业研究院、平安证券研究所

在上世纪九十年代，日本尼康还是光刻机巨头之一，但是ASML和台积电联手推动了浸润式光刻技术（通过在光刻机的镜头和硅片之间使用液体，使得光源波长大幅缩小，从而提高分辨率），对其实现了技术超越，逐渐崛起，成为光刻机市场的领导者。

而后ASML不断地积累优势，持续高研发投入，保持创新和技术领先，至今也无人能撼动它的地位。

如今越高端的光刻机，ASML的优势就越大，导致全球市场呈现寡头垄断格局。目前光刻机市场主要由荷兰阿斯麦（ASML）、日本佳能（Canon）和日本尼康（Nikon）三家企业占据绝大多数份额。其中，ASML的市场份额占比最高，达到82.1%，其次是Canon和Nikon。而在最先进的EUV光刻机市场ASML则是占据了100%的市场份额。

2023年12月，ASML正式向英特尔交付了首个High-NA EUV 光刻机，其主要特点是数值孔径（NA）的提升，实现了更高的分辨率和曝光质量，能够制造2纳米以下的芯片。

从2010年ASML交付第一台EUV光刻机至今，依旧还未有其他厂商能够生产EUV光刻机。而ASML又进一步拉开了差距。（完）

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