什么是光刻机？一台上亿的ASML光刻机工作原理分享

不久前，一台价值1.06亿元的设备经空运从荷兰飞抵厦门，由于该设备价值高，而且对保存和运输有着很高的要求——必须保持在23℃恒温状态下。为了避免影响设备的精度，在运输中也对稳定性有极高的要求。因此，机场海关以机坪查验的方式对该货物实行全程机边监管，待货物装入特制温控气垫车，移至海关的机坪视频监控探头之下，完成紧急查验后当晚就得到放行。

那么到底是什么设备能获得机场海关如此严阵以待，而且能有单台破亿的价格呢？

什么是***？

***是芯片制造的核心设备之一，按照用途可以分为好几种：有用于生产芯片的***；有用于封装的***；还有用于LED制造领域的投影***。用于生产芯片的***是中国在半导体设备制造上最大的短板，国内晶圆厂所需的高端***完全依赖进口，本次厦门企业从荷兰进口的***就是用于芯片生产的设备。

在高端***上，除了龙头老大ASML，尼康和佳能也曾做过***，而且尼康还曾经得到过Intel的订单。但是近些年，尼康在ASML面前被打的毫无还手之力，高端***市场基本被ASML占据——即便是尼康最新的Ar-F immersion 630卖价还不到ASML Ar-F immersion 1980D平均售价的一半，也无法挽回败局。

原因何在？一方面是Intel新CEO上台后，不再延续与尼康的620D合同，这使得尼康失去了一个大客户。另一方面，也和尼康自身技术实力不足有关，尼康的***相对于ASML有不少瑕疵，在操作系统上设计的架构有缺陷，而且尼康的***的实际性能和尼康官方宣传的有不小差距，这使得台积电、Intel、三星、格罗方德等晶圆大厂不可能为了省一点钱去卖有瑕疵的产品。

目前，尼康的高端***基本被ASML吊打，主流半导体产线中只有少数低阶老机龄的***还是尼康或者佳能，其他基本都是ASML的天下。某种程度上，尼康的***也只能用卖的超级便宜来抢市场了。那么，卖的到底有多便宜呢？

用数据来说话，ASML的 EUV NXE 3350B 单价超过1亿美元，ArF Immersion售价大约在7000万美元左右。相比之下，尼康***的单价只相当于ASML价格的三分之一。

***工作原理

上图是一张ASML***介绍图。下面，简单介绍一下图中各设备的作用。

测量台、曝光台：是承载硅片的工作台。

激光器：也就是光源，***核心设备之一。

光束矫正器：矫正光束入射方向，让激光束尽量平行。

能量控制器：控制最终照射到硅片上的能量，曝光不足或过足都会严重影响成像质量。

光束形状设置：设置光束为圆型、环型等不同形状，不同的光束状态有不同的光学特性。

遮光器：在不需要曝光的时候，阻止光束照射到硅片。

能量探测器：检测光束最终入射能量是否符合曝光要求，并反馈给能量控制器进行调整。

掩模版：一块在内部刻着线路设计图的玻璃板，贵的要数十万美元。

掩膜台：承载掩模版运动的设备，运动控制精度是nm级的。

物镜：物镜用来补偿光学误差，并将线路图等比例缩小。

硅片：用硅晶制成的圆片。硅片有多种尺寸，尺寸越大，产率越高。题外话，由于硅片是圆的，所以需要在硅片上剪一个缺口来确认硅片的坐标系，根据缺口的形状不同分为两种，分别叫flat、 notch。

内部封闭框架、减振器：将工作台与外部环境隔离，保持水平，减少外界振动干扰，并维持稳定的温度、压力。

在加工芯片的过程中，***通过一系列的光源能量、形状控制手段，将光束透射过画着线路图的掩模，经物镜补偿各种光学误差，将线路图成比例缩小后映射到硅片上，然后使用化学方法显影，得到刻在硅片上的电路图。一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、激光刻蚀等工序。经过一次光刻的芯片可以继续涂胶、曝光。越复杂的芯片，线路图的层数越多，也需要更精密的曝光控制过程。

EUV：半导体业的终极武器

台积电、英特尔都寄望，这台史上最昂贵的「工具机」，会在2017年开始试产的七奈米制程大发神威，成为主力机种。

全球每年生产上百亿片的手机晶片、记忆体，数十年来都仰赖程序繁琐，但原理与冲洗照片类似的曝光显影制程生产。

其中以投射出电路图案的微影机台最关键、也最昂贵。过去十多年，全球最先进的微影机，都采用波长一九三奈米的深紫外光，然而英特尔、台积电量产的最先进电晶体，大小已细小到仅有数十个奈米。这形同用同一支笔，要写的字却愈来愈小，最后笔尖比要写的字还粗的窘境。

要接替的「超细字笔」，技术源自美国雷根时代「星战计划」，波长仅有十三奈米的EUV；依照该技术的主要推动者英特尔规划，2005年就该上阵，量产时程却一延再延。

因为这个技术实在太难了。EUV光线的能量、破坏性极高，制程的所有零件、材料，样样挑战人类工艺的极限。例如，因为空气分子会干扰EUV光线，生产过程得在真空环境。而且，机械的动作得精确到误差仅以皮秒（兆分之一秒）计。

最关键零件之一，由德国蔡司生产的反射镜得做到史无前例的完美无瑕，瑕疵大小仅能以皮米（奈米的千分之一）计。

这是什么概念？ASML总裁暨执行长温彼得（Peter Wennink）接受《天下》独家专访时解释，如果反射镜面积有整个德国大，最高的突起处不能高于一公分高。

「满足这类（疯狂）的要求，就是我们的日常工作，」两年前由财务长接任执行长的温彼得说。

因为EUV的技术难度、需要的投资金额太高，另外两大微影设备厂──日本的Nikon和佳能，都已放弃开发。ASML俨然成为半导体业能否继续冲刺下一代先进制程，开发出更省电、运算速度更快的电晶体的最后希望。

「如果我们交不出EUV的话，摩尔定律就会从此停止，」温彼得缓缓地说。因此，三年前，才会出现让ASML声名大噪的惊天交易。

英特尔、台积电、三星等彼此竞争的三大巨头，竟联袂投资ASML41亿、8.38亿、5.03亿欧元。（台积电已于今年五月出售ASML的5％持股，获利214亿台币）

温彼得解释，当时各大厂都要求EUV的研发进度加快，他告诉这些顾客，「希望加快EUV的研发进度，我们就得加倍研发支出。」

于是，ASML研发经费倍增到现在的每年十三亿欧元的规模。多出的一倍，ASML自己出一半，三大半导体巨头合出另一半。

高端***完全依赖进口

目前，***领域的龙头老大是荷兰ASML，并已经占据了高达80%的市场份额，垄断了高端***市场。日本尼康在高端***上完全被ASML击败，即便尼康的ArF***售价仅仅不到ASML的一半也无补于事。Intel、台积电、三星用来加工14/16nm芯片的***都是买自ASML，格罗方德、联电以及中芯国际等晶圆厂的***主要也是来自ASML。

更关键的是，最先进的EUV***全球仅仅ASML能够生产，ASML在今年第三季度和第四季度出售的两台EUV***售价都超过1亿美元，落后EUV一代的ArF***平均售价也在4000万至5000万欧元左右，从高企的报价和EUV***全球仅此一家出售可以看出，***的技术门槛极高，是人类智慧集大成的产物。

相比之下，国内***厂商则显得非常寒酸，处于技术领先的上海微电子装备有限公司已量产的***中，性能最好的是能用来加工90nm芯片的***，技术差距说是鸿沟都不为过。正是因此，国内晶圆厂所需的高端***完全依赖进口，本次从荷兰空运至厦门机场的ASML***，就是用于芯片生产制造的高端***，由于是厦门的一家公司申报进口的，笔者猜测，这台设备很有可能是厦门当地政府与***联华电子合资的晶圆厂从荷兰ASML采购的。不过，由于西方瓦森纳协议的限制，中国只能买到ASML的中低产品，这一点从厦门当地企业进口的***报价仅1亿人民币就可以看出来了。

众所周知，设备是信息产业的源头：我们开发设备、设备制造芯片、芯片构成器件、器件改变世界！

等价波音737的***是个啥？

芯片制造中，设备龙头就是***，而***的源头就是ASML！现阶段，ASML已经成为***的代名词。

ASML是做什么的？生产&销售：***！

***又是用来做什么的？印制：芯！片！ （芯片被成为工业石油）

ASML是公司，***是设备。而ASML有三大客户: 三星（samsung），英特尔（intel）和台积电（TSMC）。

半导体行业有一句不成规的名言：艾司摩尔（ASML）的技术到哪里，全球半导体的制程就在哪里。

荷兰ASML，总部位于荷兰Veldhoven，欧洲人均科研经费排名第二。

在ASML的2015年Q4季度报中，ArF Immersion 共销售11台，销售额881million 欧元 乘以72%（不包括solution收入），算下来平均每台售价达到5800万欧元，约合7300万美

波音737的官网报价7000万到9000万美元，航空公司购买还有折扣（据说3-4折）！

下图是荷兰ASML公司颠覆时代的EUV***NXE 3350B示意图，单价超过6亿人民币，现货还要等！

这是卖飞机吗？卖机器都卖一个多亿，抢钱么？不，他们提供的商品是高端***用来刻蚀最精密的芯片的全球只有这一家企业能提供中端一些的***，是日本的佳能、尼康做的***对，就是做相机做的很好的厂商技术上有些相通之处以佳能、尼康雄厚的技术积累，以及在相机界的霸主地位到了***行业却只能做中低端产品所以你可以想象下ASML的高端***是有多么变态了其最贵的EUV极紫外线***，单价要1亿美元左右，相当于美帝四代战斗机F35的价格这台机器的长相如图

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