想必大家对“光刻机”这个词一点也不陌生，但是却没有一个目睹过它的庐山真面目，说一句“得光刻机者，得天下”一点也不过分。

01 什么是光刻机

众所周知，光刻机是我国卡脖子的技术设备中难度系数最高的，经常就有人说：造光刻机还能有造原子 弹难？后来还真有人认真分析过，最后得出了一个令人心态爆炸的结论，那就是光刻机真的比原子 弹还难搞。

那光刻机究竟是什么呢？

光刻机（Mask Aligner）又名：掩模对准曝光机，曝光系统，光刻系统等，是制造芯片的核心装备。它采用类似照片冲印的技术，把掩膜版上的精细图形通过光线的曝光印制到硅片上。

看到这，想必大多数觉得，不就是个照片冲印嘛，现在一个小照相馆也能做到，但是就这个看似小照相馆也能手到擒来的技术，却卡住了我国的科技进步。

以ASML典型的沉浸式步进扫描光刻机为例，它首先是激光器发光，经过矫正、能量控制器、光束成型装置等之后进入光掩膜台，上面放的就设计公司做好的光掩膜，之后经过物镜投射到曝光台，这里放的就是8寸或者12英寸晶圆，上面涂抹了光刻胶，具有光敏感性，紫外光就会在晶圆上蚀刻出电路。

激光器负责光源产生，而光源对制程工艺是决定性影响的，随着半导体工业节点的不断提升，光刻机缩激光波长也在不断的缩小，从436nm、365nm的近紫外（NUV）激光进入到246nm、193nm的深紫外（DUV）激光，现在DUV光刻机是目前大量应用的光刻机，波长是193nm，光源是ArF（氟化氩）准分子激光器，从45nm到10/7nm工艺都可以使用这种光刻机，但是到了7nm这个节点已经的DUV光刻的极限，所以Intel、三星和台积电都会在7nm这个节点引入极紫外光（EUV）光刻技术。

而使用极紫外光（EUV）作为光源的光刻机就是EUV光刻机，但EUV光刻机的光源不是有激光器发射的，而是由准分子激光激发的锡或氙等离子体发射。EUV光刻机的工作机制：EUV 多层和吸收体（紫色）构成用于成像线的掩模图案，底部：从掩模图案反射的 EUV 辐射（红色）在抗蚀剂（黄色）和基板（棕色）中被吸收，产生光电子和二次电子（蓝色）。

02 攻壳机究竟有多难呢？

光刻机到底有多难搞，曾经就有以为美国的工程师表示，一个零件就需要调整数十年之久，据业内人士的说法，光刻机的零件几乎都是定制，90%使用了世界最先进的加工技术，甚至一些接口都要工程师用高精度机械进行打磨，尺寸调整次数可能高达百万次以上。

就拿目前最新的EUV光刻机来说，当初参与研发EUV光刻技术的国家就有将近40个，欧美发达国家几乎一个不落。

于1996年左右，美国就开始了电子束和软X射线光刻技术的研究，当时主要的研究机构就是美国的国家实验室、AT&T以及部分相关大学，就在这些主体机构开始后的一年，美国的一众科技龙头企业也前仆后继的进入EUV光刻这潭浑水中，这一年英特尔联合AMD、摩托罗拉、美光、Infineon和IBM成立EUV光刻技术研发联盟。

直到1999年，EUV光刻技术才在全球开始崭露头角，也正是这一年，EUV光刻技术被国际半导体技术发展线路图（ITRS）确定为下一代光刻首选技术，这也就意味着，此刻谁掌握了EUV光刻技术，谁就拿到了未来几十年里的“芯片强国”门票。

EUV光刻机的基础就是光源，而就在这个基础上面已经让无数的高智商研究员一夜青丝变白发。

首先因为EUV几乎能被所有物质所吸收，所以曝光必须在真空环境中进行，因此原来采用193nm光源的浸液光刻机的曝光系统完全不用上。

其次因为传统透镜折射光线的方案容易吸收EUV的能量，从而导致其无法用于光刻，所以之前蔡司所积累的透镜磨制技术彻底被淘汰了，只能采用特殊镀膜的反射镜来改变和汇聚EUV，因此也导致开发的成本和难度又上升到了一个新的高度。

EUV的光源除了之前说的激光等离子光源，还有一种就是放电等离子体（DPP）光源，放电等离子体光源是通过给放电气体加上高电压，使气体等离子化产生EUV辐射，但目前所面临的问题是，无论哪一种光源，它们的转换效率都无法达到商业化生产的标准，因此如果无法完美地解决转换效率这个问题，那么整个EUV的研究都无法大踏步前进。

经过多年的研发，终于在2009年的时候，美国Cymer公司研发的EUV光源率达到了100W，接近了商业化生产的标准，自从Cymer一举超越其他研发机构和公司，成为了ASML的光源模组供应商。

03 光刻机的无冕之王——ASML

任何人说到光刻机都有一个绕不开的角色，这就是荷兰的ASML，其实在上世纪六七十年代刚开始研发光刻机的时候，美国是走在所有人前面的，那个时候也没有ASML，而且早期的光刻机并不算高科技，一般情况下，半导体公司都是自己直接设计工装和工具，比如英特尔最初是把16毫米摄像机的镜头拆了用，只有 GCA、K&S 和 Kasper 等几家公司会做一些相关的设备。

直到1978年，GCA推出了世界上第一台商用步进光刻机DSW4800（direct step to wafer），这台光刻机使用了g线汞灯和蔡司光学零部件，以10：1的比例将晶片线路成像到10毫米的区域中，当时该机器售价为45万美元，第一台机器以37万美元的价格售卖给了德州仪器的研发部门。

然而到了1997年，英特尔组织起了一个名为EUV LLC的联盟，这个联盟中除了美国能源部以外，还有摩托罗拉、AMD、IBM等等一系列组织机构，但由于联盟中的光刻机企业SVG·Ultratech已经衰落，所以英特尔邀请了ASML和Nikon加入EUV LLC联盟中，ASML也正是因为这次加入EUV LLC彻底崛起了。

04 总结

晶片虽小，但内有乾坤，其制造难度亦是非常人所思，而这个制造过程中所需要的光刻机，更是难中之难，晶片和光刻机的关系，就像身体与大脑的关系，正是这匪夷所思的难度，造就了荷兰ASML一家独大的局面。

随着芯片尺寸的越来越小，对光刻机的精度要求也越来越高，如三星、台积电、英特尔等芯片制造业的龙头企业纷纷入股ASML，以优先拿到光刻机的采购权。

文章来源：

1. 《光刻机工艺的原理及设备》-Trymax

2. 《EUV光刻技术隐秘往事：近40个国家入局，研发难度超原子 弹》-魔铁的世界

3. 《半导体解密：ASML光刻机为什么能一家独大？台积电总能买到最高的光刻机？ASML有后手吗？》-T客邦（36Kr）