集成電路在制作過程中需要經(jīng)歷材料制備、掩膜、光刻、刻蝕、清洗、摻雜、機械研磨等多個工序，其中以光刻工序最為關(guān)鍵，因為它是整個集成電路產(chǎn)業(yè)制造工藝先進(jìn)程度的重要指標(biāo)。而光刻工序用到的設(shè)備--光刻機則是集成電路制造中最精密復(fù)雜、難度最高、價格最昂貴的設(shè)備，用于在芯片制造過程中的掩膜圖形到硅襯底圖形之間的轉(zhuǎn)移。
光刻機的發(fā)展經(jīng)過了一個漫長的過程，1960年代的接觸式光刻機、接近式光刻機，到1970年代的投影式光刻機，1980年代的步進(jìn)式光刻機，到步進(jìn)式掃描光刻機，到浸入式光刻機和現(xiàn)在的EUV光刻機，設(shè)備性能不斷提高，推動集成電路按照摩爾定律往前發(fā)展。
EUV作為下一代技術(shù)的代表，不需要多重曝光，一次就能曝出想要的精細(xì)圖形，沒有超純水和晶圓接觸，在產(chǎn)品生產(chǎn)周期、OPC的復(fù)雜程度、工藝控制、良率等方面的優(yōu)勢明顯。但是也需要繼續(xù)優(yōu)化。特別是EUV的曝光方式，降低EUV掩膜版的缺陷，以及晶圓產(chǎn)率方面還有很大發(fā)大空間。EUV光刻機對7nm及以下的工藝節(jié)點非常重要，臺積電、三星兩大代工巨頭均已在最新產(chǎn)品中引入7納米EUV技術(shù)。
EUV光刻機壟斷者ASML
目前，光刻機領(lǐng)域的龍頭老大是荷蘭ASML，并已經(jīng)占據(jù)了高達(dá)80%的市場份額，壟斷了高端光刻機市場。ASML公司日前發(fā)布2018年Q3季度財報，當(dāng)季營收27.8億歐元，凈利潤6.8億歐元，出貨了5臺EUV光刻機，全年預(yù)計出貨18臺，明年將增長到30臺，而且明年下半年會推出新一代的NXE:3400C型光刻機，生產(chǎn)能力從現(xiàn)在的每小時125晶圓提升到155片晶圓以上，意味著產(chǎn)能提升24%。
在現(xiàn)有的EUV之外，ASML與IMEC比利時微電子中心還達(dá)成了新的合作協(xié)議，雙方將共同研發(fā)新一代EUV光刻機，NA數(shù)值孔徑從現(xiàn)有的0.33提高到0.5，可以進(jìn)一步提升光刻工藝的微縮水平，制造出更小的晶體管。
NA數(shù)值孔徑對光刻機有什么意義？，決定光刻機分辨率的公式如下：
光刻機分辨率=k1*λ/NA
其中k1是常數(shù)，不同的光刻機k1不同，λ指的是光源波長，NA是物鏡的數(shù)值孔徑，所以光刻機的分辨率就取決于光源波長及物鏡的數(shù)值孔徑，波長越短越好，NA越大越好，這樣光刻機分辨率就越高，制程工藝越先進(jìn)。
現(xiàn)在的EUV光刻機使用的是波長13.5nm的極紫外光，而普通的DUV光刻機使用的是193nm的深紫外光，所以升級到EUV光刻機可以大幅提升半導(dǎo)體工藝水平，實現(xiàn)7nm及以下工藝。
但是改變波長之后再進(jìn)一步提升EUV光刻機的分辨率就要從NA指標(biāo)上下手了，目前的光刻機使用的還是NA=0.33的物鏡系統(tǒng)，下一代的目標(biāo)就是NA=0.5及以上的光學(xué)系統(tǒng)了。
如今ASML與IMEC合作的就是高NA的EUV工藝了，雙方將成立一個聯(lián)合實驗室，在EXE：5000型光刻機上使用NA=0.55的光學(xué)系統(tǒng)，更高的NA有助于將EVU光源投射到更廣闊的晶圓上從而提高半導(dǎo)體工藝分辨率，減少晶體管尺寸。
如今這項研究才剛剛開始，所以新一代EUV光刻工藝問世時間還早，此前ASML投資20億美元入股蔡司公司，目標(biāo)就是合作研發(fā)NA=0.5的物鏡系統(tǒng)，之前公布的量產(chǎn)時間是2024年，這個時間點上半導(dǎo)體公司的制程工藝應(yīng)該可以到3nm節(jié)點了。
國內(nèi)2019年迎首臺EUV光刻機
光刻機是中國在半導(dǎo)體設(shè)備制造上最大的短板，處于技術(shù)領(lǐng)先的上海微電子裝備有限公司已量產(chǎn)的光刻機中，性能最好的是能用來加工90nm芯片的光刻機，與國外的技術(shù)差距說是鴻溝都不為過。正是因此，國內(nèi)晶圓廠所需的高端光刻機完全依賴進(jìn)口。
在國內(nèi)，一直流傳著一種聲音，即受西方《瓦森納協(xié)議》的限制，中國只能買到 ASML 的中低端產(chǎn)品，出價再高，也無法購得 ASML 的高端設(shè)備。這一說法受到ASML 中國區(qū)總裁金泳璇的否認(rèn)。金泳璇在接手媒體采訪時澄清：ASML 對大陸晶圓廠與國際客戶一視同仁，只要客戶下單， EUV 要進(jìn)口到中國完全沒有任何問題。在交期方面，所有客戶也都完全一致，從下單到正式交貨，均為21個月。
而這一說法在中芯國際向ASML訂購的一臺最新型EUV極紫外線光刻機之后，貌似經(jīng)過了證實。這一中國大陸首臺 EUV 光刻機，將在2019年交付。