光刻机的下一代技术（下一代光刻技术展望）

华为联合中科院研发出光刻机可能性分析

看到非官方消息，华为和中科院合作，研发出了8nm光刻机。下面分析消息的可信度和技术可能性。

一、芯片制造流程简介

先大概解释一下芯片制造过程，以便大家理解下面的技术姓内容。了解这个流程的话可以直接跳到二阅读。

这里略过和主题无关的晶圆制造和封测环节。

你可以想像一下刻图章的过程。假定我们要刻一个yin文（和阳文对应）图章（字凹陷，背景凸起，需要把字的笔画扣掉），上面两个字：“仁义”。下面的例子是为了说明芯片制造方法，真正刻图章没这么麻烦。步骤大致如下：1. 设计：在纸上设计要刻的字。2. 刻模：把字的笔画用刻刀刻掉，这张纸称为字模。3. 印章刻字表面强化处理（实际刻印章没这一步）。4. 涂漆：在印章基底材料上涂一层油漆。5. 字模复录：把字模复制在漆上（在漆上铺字模，描笔画）。6. 显字：除去被字笔画覆盖处的漆，无笔画处的漆保留。此时印章上没有漆的部分显示“仁义”二字（这里忽略镜像反转问题）。7. 刻字，即把没有漆的部分用刻刀刻掉。8. 除漆，把剩下的漆洗掉。

制造芯片的步骤和上面的刻图纸步骤一一对应（略去其他与本文内容无关的步骤，如基底抛光和多个清洗步骤等等）：1. 芯片布局/布线设计（相当于设计）。2. 制作掩模，即根据设计来制作布局图案掩模（相当于刻模）。3. 晶圆表面氧化（相当于印章刻字表面处理）4. 涂胶，即在基底材料上涂敷光刻胶（相当于涂漆）。5. 光刻，即用光线穿过掩模板照射光刻胶（相当字模复录）。 光刻机用在这一步。 6. 显影，即除去光线照射过的部分光刻胶（相当于显字）。7. 刻蚀，即除去晶圆表面的氧化膜，露出下面的高纯硅（相当于刻字）。8. 除胶，即把晶圆表面剩余的光刻胶洗掉（相当于除漆）。

光刻得到的效果是：硅晶圆表面的二氧化硅薄膜的图案和掩模完全一致，相当于把掩模上的图形转移到晶圆表面的二氧化硅上，使二氧化硅表层开有和掩模完全一致的无数天窗，为后续工序做好了准备，仿佛批量复制了和掩模图形一致的二氧化硅薄膜贴在硅晶圆表面上。

造芯片到这里还有一步：掺杂，即在不同工序中把不同金属离子注入无数天窗下面的硅基底中，使这些区域改变特性，形成需要的半导体电气性能（即形成P型或N型半导体，两种不同半导体微小区域之间形成单向导电的P/N结，连续的三个PNP或NPN区域含有两个P/N结，形成具有放大作用的三极管，这是集成电路的最基本元件）。

需要指出，超大集成电路芯片极为复杂，需要几十步工序，步骤1对某种芯片只需要一次，步骤2也只需要一次，但是需要为每道工序制作一个不同掩模。步骤3到8需要重复数十次，每道工序一次，每次使用不同掩模，而且不同工序的具体步骤可能区别很大，比如布线工序就有很多不同，但是光刻步骤总是需要的。

二、光刻机研发难点与芯片成本

光刻机零件数万，最关键的是三个部件：EUV光源，透镜组，高对准精度工作台。要是能解决这三个部件的问题，其他零部件的攻关难度可能小一些。已经清楚这些问题的可以直达三。

几个光刻机影响良率和生产效率，最终影响产品成本的关键因素：

1. EUV光源的功率。 光源功率越大生产效率越高。因为根据晶圆面积（通常用直径衡量，常见的有5、8、12英寸）和单个芯片的大小，一片晶圆可以排列上数十到数百个芯片。掩模一般只覆盖一个芯片，一道工序中晶圆上每个芯片需要曝光一次，一片晶圆排列500个芯片的话单一工序需要曝光500次。光刻胶感光敏感度一定的情况下，单一芯片一道工序彻底曝光需要的时长取决于光刻机输出功率或者光强，输出功率越高曝光所需时长越短，生产效率也提高了。

这里跳过EUV光源的视场和发光效率两个指标。

2. 镜头组光学岐变。 光线通过镜头会产生岐变，最明显的例子是超广角镜头成像时边缘岐变极为明显。多种因素可能造成岐变，如果岐变过大，经过掩模投影到光刻胶上的图形也相应产生岐变，造成良品率降低。

3. 移动工件台的定位精度。 因为单个芯片需要多次曝光，而为了曝光晶圆上的多个芯片，首先相邻芯片的间隔必须精确，其次，同一个芯片每一次曝光必须与之前的曝光位置精确对准。工件台定位精度差会造成良率下降，是决定良率的主要因素之一。

4. 工件台运动速度。 一个芯片曝光需要的总体时间是工件台移动到这个芯片的位置并定位完成的时间加上单纯曝光时间。因此移动和定位的速度越快生产效率越高。这个指标和定位精度互相矛盾。

生产线的良率和生产效最后都反映在最终的芯片成本上。

晶圆生产线上的其他设备处理一道工序的时间是按照晶圆计算的。比如单次掺杂工序，整个晶圆上的所有芯片一次处理完成。但是光刻工序是按照晶圆上的芯片数量计算的，即一片晶圆的一道曝光工序所需总体时长是单一芯片定位加曝光时长乘以晶圆上的芯片数量。因此一定产量的晶圆生产线上的光刻机比其他设备多，而且光刻机效率越低，一定产量生产线需要的光刻机越多。因此光刻胶的效率影响生产线造价和运行成本，最后 低效光刻机增加的生产线成本也使芯片的资金占用和运营成本提高。

三、消息真实姓分析

如果这个消息是编的，那么为什么不编7nm，偏偏编大家都不习惯看到的8nm？这是间接证据，不过硬。此外只能从技术角度分析了。

国产工作台似乎以前已经过关了，据说可以达到一点几nm的对准精度，8nm光刻机的话够用了，但是运动速度指标（直接关系到生产效率）不清楚，也许比国外最高水平差一些，无非是单片产品成本高一些。

EUV光源其实国产也有了，不过以前功率远远不够，结果就是需要的曝光时间太长，一个是需要配套的光刻胶更灵敏，难度很大；另一个是严重影响生产效率。不知道怎么解决的。个人认为，光源功率提高了有可能，但是达不到可用水平（比如提高后只能达到一分钟或数分钟完成一次曝光）。那么多路EUV光源并联可能是一个可行途径，但是即使这样可能仍然达不到asml的曝光效率水平。

镜头的关键是高精度，不然岐变太严重会导致掩模图形投影到芯片上时失真太大，尤其是镜头周边岐变更严重。镜头高精度加工技术可能有突破，但是如果不能达到理想水平的话影响成像光场面积（边缘因为岐变大不能用）和产品良率。

把焦距拉近能使成像质量改进一些，但是同等euv光源强度在更近焦距时光强度下降，这又增加了曝光时长，降低生产效率。

所以，以前中国的EUV光刻技术不是没有实现，而是技术水平不达标，用于批量生产光刻机效率和良率无法和ASML的产品竞争（还有视场小的问题，制造不了大芯片，略过不提）。

但是这样凑合出来的只具有较低生产效率和良率的光刻机能解决华为没有芯片的问题，是救命的。那么这两个影响芯片成本的问题对华为来说似乎可以忍受，因为活下去是最高优先级。

但是还有一个因素：华为秘密研发了很多技术，以前是锁在保险柜里，被制裁后陆续拿出来一些。到底有哪些，有多少外界都不清楚。 你永远也不知道下一刻华为能从兜里掏出什么。

比如，华为手机公开的一项技术： 计算光学 。就是用算法补偿镜头的岐变，用在成像之后根据已知的镜头岐变矫正照片数据的像素位置，亮度和颜色。个人觉得，华为可能把这项技术用在光刻机上，镜头不太行就用算法分析这套特定镜头的岐变，然后分析岐变产生在哪里，再针对某个或某几个镜头的特定位置做精细微调（研磨），反复多次，最后达到较好效果。这样一来镜头组加工成本会大幅度增加，但是华为目前可以接受。

类似的思路还有一个，即根据镜头组的特定岐变特性制作主动岐变掩模，抵消掉镜头组产生的光学岐变，使得通过掩模投影到光刻胶平面的图形岐变较小。不知道这个思路难度有多大，可能需要EDA软件能按照特定岐变数据生成岐变补偿掩模设计，或者用一个单独的软件，以EDA的输出作为输入，生成岐变矫正掩模数据。

这是我们知道一些线索的，可能会有其它黑 科技 也说不定。

比如，是否有可能是华为拿出了黑 科技 ，这个传闻中的光刻机采用了和ASML现有技术路线完全不同的能大大简化光刻机实现难度的技术路线？这样做还可以规避诸多专利壁垒。

比如 X射线光刻机 ？其波长更短，更有益于提升制程。生产高制程手机芯片时，其他条件（光刻胶感光灵敏度、光刻机输出功率，芯片产品制程等等）相同的情况下，波长更短X射线光刻机的生产效率比EUV光源成倍提高，因为波长较短，加工制程比EUV光刻机基础制程高的芯片需要增加的重复曝光的次数对X射线光刻机不再需要了，因此能够大大降低工序数量，提高生产效率。

问题是X射线穿透姓极强，掩模制造难度不小。可能只能用铅合金试试。还有X射线的聚焦问题，普通光学透镜不管用，要采用全新的方法。所幸这种X射线聚焦方法已经在1991年出现了，当时用于放射线治疗装置，现在当时的专利已经过期了。还有X射线管及其聚焦光路的输出功率问题。X射线敏感的光刻胶也是全新的。

这种X射线光刻机的技术路线与ASML现有光刻机完全不同，如果相关技术问题能被解决，那么中国可以直接跨入下一代光刻机领域，光刻机将不再是制程提升的主要限制因素。

还有一个可能性，用美国科学家发明发明的利用空心玻璃毛细管束聚焦X射线的方法聚焦极紫外光，这种方法用在光刻机上就不再需要光学镜头。

所以我个人认为，现在研发出8nm光刻机的可能性存在，但是这么快还是让人惊讶，或者对我来说说可信度似乎较低。不过，据说中芯国际承担国产芯片需要的设备和材料等等的验证。如果现在8nm光刻机真出来了，不出意外应该还是中芯国际担任验证工作，需时估计大约一年左右（比成熟产品要长）。是否是真的需要一年之后再看。

从@Jim博士 的光刻机系列文章中获得了不少知识，仅在此表示感谢。

原创不易，谢谢支持。

荷兰光刻机

荷兰光刻机如下：

荷兰有一家公司ASML，它是全球做光刻机最好的国家，这个根本不用质疑，这家公司拥有强大的科研实力，碾压了美国英国等等貌似芯片软件实力极强的国家。

而且这家公司非常精准的抓住了光刻机技术发展的转折点，旗下的利用光源进行的浸没式系统成功打破所有国家对于光刻机的幻想，所以荷兰才能在全球的芯片制作技术中立于不败之地。

ASML为半导体生产商提供光刻机及相关服务，TWINSCAN系列是世界上精度最高，生产效率最高，应用最为广泛的高端光刻机型。

ASML的产品线分为PAS系列、AT系列、XT系列和NXT系列，其中PAS系列现已停产；AT系列属于老型号，多数已经停产。市场上的主力机种是XT系列以及NXT系列，为ArF和KrF激光光源，XT系列是成熟的机型，分为干式和沉浸式两种，而NXT系列则是主推的高端机型，全部为沉浸式。

技术前景：

除了致力于开发的TWINSCAN平台外，ASML还在积极与IMEC, IBM等半导体公司合作，开发下一代光刻技术，比如EUV，用于关键尺度在22纳米甚至更低的集成电路制造。

ASML已经向客户递交若干台EUV机型，用于研发和实验。同时，基于传统TWINSCAN平台的双重曝光等新兴技术，也在进一步成熟和研发过程当中。2007年末三星(Samsung)宣布成功生产的36纳米闪存，基于的便是双重曝光技术。

以上内容参考：百度百科—ASML公司

光刻机技术加速突破，美专家：ASML的时代正在结束

众所周知，光刻机是生产芯片的必要设备；虽然说一颗小小的芯片看上去只有指甲盖大小，但是在芯片的内部却含有上亿个晶体管线路，想要完成芯片的生产，靠人眼很显然是无法完成的，而光刻机利用极紫外光源等技术就可以轻松的完成芯片的生产；目前全球领先的光刻机技术几乎都被荷兰ASML公司所垄断，随着市场需求的不断增加，也让荷兰ASML公司赚得是盆满钵满！

光刻机有钱也买不到

作为光刻机领域得分霸主企业，ASML公司的手中也掌握着很多先进的光刻机生产技术，其生产的EUV光刻机是生产7nm工艺以下芯片的必要设备，依靠着EUV光刻机，台积电和三星都已经实现了7nm和5nm芯片的大规模量产；虽然说一台先进的EUV光刻机的售价高达10亿，但在市场上依然是供不应求的，而且有钱也并不一定能买到EUV光刻机！

ASML光刻机出货受限

我国 科技 企业很早就向ASML公司预定了一台EUV光刻机，但一直到现在也没有发货，而这一切都是因为ASML公司生产的光刻机核心技术中含有美国技术，所以ASML公司光刻机的发展也需要受到美国的限制；值得一提的是ASML公司在老美的要求下，还将总部搬到了美国市场办公，这也将更加限制住ASML公司生产的EUV光刻机的出货！

美专家：ASML的时代正在结束

要知道，老美在多次修改芯片规则以后，也导致全球芯片市场都出现了短缺的情况，这一次全球市场的“芯片荒”也直接让大家都认清了老美的真面目，并意识到了发展半导体产业的重要性，所以中国、日本、欧盟都国都在大力的发展自主芯片产业链，并加快了对光刻机技术的突破，对此美专家也表示：ASML的时代正在结束！美专家之所以这么说，主要还是因为有以下几方面的原因！

光刻机技术加速突破

首先，ASML公司在相关规则的限制下，一直都无法自由出货，这将严重的影响ASML公司在全球光刻机市场上的发展，这也将直接倒逼着大家都开始加速研发光刻机的脚步，其中日本的佳能和尼康这两个老牌的光刻机巨头企业已经宣布将重新进入光刻机领域发展，最快将在2023年研发出一台先进的3D光刻机，另外，还有俄罗斯也正在计划研发先进的光刻机技术，并使用比ASML公司所生产的EUV光刻机使用的极紫外光源波长更短的X射线来研发光刻机；可以说日俄所研发的光刻机技术都是要比ASML公司的光刻机技术更加先进的！

另外，还有台积电、三星、苹果等芯片厂家也在加快对封装工艺技术的研发，想要以此来摆脱对台积电已经ASML公司光刻机的依赖，在先进封装工艺技术的加持下，苹果已经利用重叠技术将两块芯片给封装在一起，并实现了性能的超越，而我国的华为也正在研究这一重叠技术，有了这一技术以后，那么也技能有效的降低对ASML公司EUV光刻机的依赖！

最后，新的芯片技术和材料也正在加速发展中，让EUV光刻机的时代也正在逐渐走向结束；要知道，现在的半导体芯片的发展都是需要遵循摩尔定律的，当达到了1nm以后就逼近了物理极限，所以科学家也一直在研发新的替代技术和材料，其中光电芯片就已经成为了很多国家 科技 团队所研发的重点，只要下一代芯片技术取得突破，那么依赖于光刻机的半导体芯片也将被逐步淘汰；所以综合来看，在未来的芯片市场上，光刻机不会再那么的重要，而ASML公司也不会再一家独大，正如美专家所说：ASML的时代正在结束！

芯片终极决战：或不在光刻机，而在于第三代半导体

从竞争对手不熟悉的地方实现弯道超车。中国引爆电动 汽车 产业革命，用的就是这个方法。电动 汽车 绕开了被西方垄断的内燃机技术而取得成功，第三代半导体有可能绕开被西方垄断的光刻机技术而取得成功。实现中国芯片跨越式发展，必须专注于其它国家没有明显优势的下一代技术——能够引爆人工智能产业的第三代半导体。

有人说，中国芯片制造落后的真正原因，是没有高端光刻机。其实这话只说对了一半，即使ASML将顶级的EUV光刻机卖给中国，中国也可能需要5-8年，重复别人做过的7纳米、5纳米、3纳米，不太可能一下跳到台积电面前去做2纳米芯片。更重要的是，即使同样是生产2纳米芯片，中芯国际在良率和稳定性方面，极有可能就玩不过台积电而最终导致抢不到订单。也就是说，硅芯片无论是在制造设备，还是制造工艺上都堪称被玩到极致的境界，在几乎全部专利被垄断的情况下，恐怕就不是一台EUV光刻机能够决定胜负的了。要不然，英特尔也懒得受台积电的气了，到2023年才开始生产7纳米芯片，不直接买台EUV生产3纳米芯片就可以了！

总体来看，如果硅芯片玩到2纳米制程是物理极限，那么现在开始着手量产3纳米的台积电，2纳米技术储备肯定是比较充分了的，就看什么时候心情好开始生产而已。也就是说，中国高端芯片制造注定只能是跟随者，很难有被超越的空间了。因此，将注意力集中在第三代半导体，把希望寄托在第三代半导体，是中国芯片出头天的不二选择。所谓的第三代半导体：就是以氮化镓、碳化硅、氧化锌和金刚石四大材料为代表的下一代半导体。具有抗高压、耐高温、传输速度快速，抗击游离辐射等特征，非常符合5G环境下的基站、快充、人造卫星、新能源 汽车 ，高压变电站，物联网等人工智能重要领域的应用。

第三代半导体为智能化时代而来，目前包括台积电、英特尔和三星第三代半导体也处于刚刚起步阶段。第三代半导体用什么设备来做，用什么工艺来做全部都是待确定，这给中国在该领域后来居上提供了巨大的机会。目前中国第三代半导体产业链正在快速形成中，有些终端产品已经实现量产。第三代半导体是个非常复杂的产业生态，中国不但具有巨大的市场，而且最敢尝试新产品。现在中国基本上从最底层技术开始优先使用本土品，从软件系统嵌入、终端产品标准化形成一条龙运作，外部第三代半导体产品想进入中国市场验证性能变得越来越难。中国在5G领先的情况下，凭借强大的制造业，必将在第三代半导体打造全球最完整的全产业链。

EUV光刻机要被抛弃？14家巨头联合宣布，这相当于承认了

随着芯片继续向着更小的特征尺寸发展，对产业界都提出了更高的要求，其中起到关键作用的就是光刻机，因为这台设备直接决定可以制造的芯片工艺。

目前来看，由ASML生产的EUV光刻机，得以让芯片制造商可以制造7纳米以下工艺的芯片，使得电子电路可以继续保持摩尔定律向前发展。

不过现在来看，EUV光刻机似乎正在被业界所抛弃，首先是就在近日，荷兰方面计划投资11亿欧元来发展光子电路，根据外媒报道，荷兰此举是为了抢占未来的半导体市场，打造下一个ASML。

无独有偶，近日外媒报道称，由德国却Q.ANT公司牵头，联合14家巨头成立了“PhoQuant”项目，目标就是研发光子芯片电路技术。

不得不说，这相当于承认，光子芯片开始逐步走向商用，并在一定程度和领域上替代电子电路，而且根据外媒报道，只要完成技术验证，就会向工业界输出，而光子芯片的制造，并不依赖ASML的EUV光刻机。

这是因为光子芯片与电子芯片有着本质上的不同，ASML的EUV光刻机，是通过减小晶体管的特征尺寸，来增加晶体管的数量，其运算依靠的是电子的迁移。

而光子芯片则不然，其运算是依靠的光波来作为数据运算的载体，所以基础逻辑就不i一样，这也是为什么光子芯片被称之为下一代半导体技术的重要原因。

不得不说，这正的是最戏剧性的一幕，因为电子芯片制造设备领域最强的ASML虽然在欧洲，但是欧洲现在却要抢占下一代技术来替代ASML。

但如果仔细分析，也就不难理解，虽然ASML是一家欧洲企业，但是其光刻机的生产制造，却并不能自己完全掌控，因为其大量的配件需要美国供应，事实上其EUV技术就是来自美国的支持。

不仅如此，尽管欧洲可以拥有最先进的EUV光刻机，但是却并没有领先的电子芯片制造技术。

相信大家也看到了，之前欧洲方面计划要重振芯片制造产业，结果只能邀请其像英特尔、台积电、三星等芯片代工厂来帮助。

但是无一例外的是，大家都提出了巨额的补贴要求，例如欧盟为了吸引英特尔在德国建厂，就给出了50亿欧元的补贴，要知道ASML为了研发EUV光刻机也才投资了60亿欧元。

这还不是全部，根据媒体报道，意大利也邀请英特尔来建厂，而给予的补贴已经不是一个确定数字，直接按照40%的比例进行补贴。

所以欧洲有ASML又如何，对重振自己的芯片产业并没有起到多大的助力，这也就可以理解，为何欧洲频频要发力光子芯片，而且这么急切。

而从更广的范围来看，欧洲不着急也不行了，因为全球都在发展光子芯片，例如我国中科鑫通公司，已经在筹建一条国际领先的光子芯片生产线。

所以短期来看，光子芯片会与电子芯片处于一个共存的状态，但是长期来看，光子芯片将会替代电子芯片，届时EUV光刻机就真的没用了。

因此外媒就表示，EUV光刻机要加紧出货了，这样ASML可以及时的回笼资金，研发自己可控的光子芯片制造设备，更早布局更早投入，才能更早的占领先机。

对此大家怎么看呢？欢迎发表您的评论。