这两年国内大力发展半导体产业之后，“光刻机对中国禁售”、“中国半导体产业发展不起来就是没有光刻机”等似是而非的说法也为人津津乐道，而荷兰ASML（中文名阿斯麦）公司也因为是目前最重要的光刻机供应商而被更多网友提起，大家感慨荷兰这么小的国家竟然能研发出这么高精尖的设备。
针对这些问题，今天的超能课堂我们就来聊聊光刻机，建议阅读本文之前大家先看看我们之前做过的一期超能课堂文章——沙子做的CPU，凭什么卖那么贵？，里面介绍了CPU的制造过程，其中光刻的过程就是CPU生产的核心，这一过程就是在光刻机中完成的。
光刻机为何被称为半导体设备上的明珠？它到底有多重要？
如果AMD/NVIDIA/高通要研发新一代CPU/GPU芯片，他们会使用到Cadence、Synospsys提供的EDA工具来辅助设计芯片，期间会用到各种IP核心，有的是来自ARM等第三方公司授权，也有的是公司自己研发的，设计完成之后他们会把芯片交给TSMC台积电、UMC联电、SMIC中芯国际等晶圆代工厂，这些代工厂的生产设备则来自ASML、AMAT应用材料、Lam等，8寸、12英寸硅片则是来自日本信越、Sumco胜高等公司公司，当然半导体制造中使用的材料还有很多，比如光刻胶、清洗剂等等，这些都可以归类于半导体材料行业中。
之前看到过一个好笑但也很有趣的悟空问答，有人问台积电能给AMD、NVIDIA、高通等公司代工处理器，难道不怕台积电偷偷学习他们的芯片然后自己生产吗？先不说这么做的法律风险，单从技术上来说代工厂复制芯片设计也没普通人想象的那么容易，因为IC设计公司并不是把芯片设计图给代工厂，代工厂是通过他们制作好的光罩或者说光掩膜版（mask）来生产芯片的。
这些话说来简单，但半导体芯片的实际制造过程非常复杂，如今的半导体芯片越来越强大，从28nm节点开始已经不是一次光刻就能实现的了，所以出现了多重曝光这样的技术，就是多次光刻处理，工艺越先进，芯片越复杂，所需的光刻次数就会越多，但需要多次消耗光刻胶及多次清洗，这样就会增加芯片生产的时间，提高了生产的复杂度，带来的后果就是芯片成本越来越高。
半导体芯片在整个生产过程中可能需要20-30次的光刻，耗时占到了生产环节的一半，成本能占到三分之一。
光刻不仅是影响代工厂的生产效率及成本，更主要的是光刻机的技术水平决定了芯片的制程工艺，这个才是最关键的，这也是光刻机最重要的功能。
光刻机的原理及结构，堪称人类最精密的设备之一
光刻在芯片生产过程中如此重要，这也奠定了光刻机在半导体制造设备中的地位——没有先进的光刻机，其他过程都是舍本逐末。
光刻机，按照不同的用途及光源有多种分类，现在大家说的主要是紫外光刻机，我们这里提到的主要有DUV深紫外光及EUV极紫外光，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10nm工艺都可以使用这种光刻机，而EUV极紫外光波长是13.5nm，波长为何影响制程工艺后面再说，EUV光刻机主要用于7nm及以下节点。
以ASML典型的沉浸式步进扫描光刻机为例来看下光刻机是怎么工作的——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。
同样地，这个过程说起来很简单，实际上超级复杂，ASML的光刻机靠着沉浸式及双机台等技术打败了原本由日本佳能、尼康公司占据的光刻机市场，别的不说，光是双机台技术就不知道有多高的要求了，芯片生产是nm级别的精度，两个机台的精度控制需要极高的工艺水平，也许差了几nm就可能导致报废。
从这里也可以看出光刻机的结构也很复杂，其中最重要的部分主要有激光器、物镜及工作台，其中激光器负责光源产生，而光源对制程工艺是决定性影响的，而且激光的产生过程需要耗费能量，这也是光刻机需要消耗大量电力的根源。
还有物镜系统，光刻机里面的光学镜片不是一两片，而是一套多达数十个光学镜片组成的系统，视不同结构，镜片数量可能达到20片以上，而且面积很大，有如锅盖一般大小，不仅制作复杂，还需要精确的反射控制，玩单反的爱好者就知道镜头设计是多么复杂的了，更何况光刻机使用的是超大、超多组镜片了。
还有就是工作机台，双机台大幅提高了晶圆生产的效率，可以一边测量一边曝光，但是双机台的控制又提高了复杂度，对工艺要求非常高。
如果只看光刻机的示意图，大家同样不会理解光刻机这货到底有多大，上图是ASML公布过的一张光刻机真身，大家可以看看光刻机到底有多大。
为何需要EUV光刻机？先进工艺要么改光源要么改物镜
193nm的DUV光刻机已经使用多年，而且售价普遍在5000万美元，产能也高，为什么台积电、三星还要找ASML买单价不低于1.2亿美元的EUV光刻机，而且还要忍受产量低、能耗大等问题？他们显然不是吃饱了撑的，因为要想实现7nm及更先进的工艺，现有的DUV光刻机不够用了，需要13.5nm波长的EUV光刻机。
前面说了，光刻机决定了半导体工艺的制程工艺，光刻机的精度跟光源的波长、物镜的数值孔径是有关系的，有公式可以计算：
光刻机分辨率=k1*λ/NA
k1是常数，不同的光刻机k1不同，λ指的是光源波长，NA是物镜的数值孔径，所以光刻机的分辨率就取决于光源波长及物镜的数值孔径，波长越短越好，NA越大越好，这样光刻机分辨率就越高，制程工艺越先进。
在现有技术条件上，NA数值孔径并不容易提升，目前使用的镜片NA值是0.33，大家可能还记得之前有过一个新闻，就是ASML投入20亿美元入股卡尔·蔡司公司，双方将合作研发新的EUV光刻机，许多人不知道EUV光刻机跟蔡司有什么关系，现在应该明白了，ASML跟蔡司合作就是研发NA 0.5的光学镜片，这是EUV光刻机未来进一步提升分辨率的关键，不过高NA的EUV光刻机至少是2025-2030年的事了，还早着呢，光学镜片的进步比电子产品难多了。
NA数值一时间不能提升，所以光刻机就选择了改变光源，用13.5nm波长的EUV取代193nm的DUV光源，这样也能大幅提升光刻机的分辨率。
但是EUV光刻机的研制并不容易，不要以为只是换个光源，从DUV换到EUV对整个光刻机的结构都有重大影响，ASML公司研发EUV光刻机已经十几年甚至二十年的历史了，期间英特尔、台积电及三星都给ASML提供支持，先后投资数十亿美元给ASML（不过ASML业绩转好之后基本上都卖出了股票）输血，即便是这样，现在的EUV光刻机依然谈不上完全成熟。
首先EUV极其耗电，因为13.5nm的紫外光容易被吸收，导致转换效率非常低，据说只有0.02%，目前ASML的EUV光刻机输出功率是250W，工作一天就要耗电3万度——考虑到这个转换率是多年前的，多年来可能会有进步，但即便ASML大幅改进了EUV光源的效率，EUV光刻机超级耗电也是跑不了的，台积电在权衡未来的3nm晶圆厂选址时，首要考虑的就是台湾是否有稳定的电力供应。
此外，即便有如此高的电力消耗，EUV光刻机现在的生产效率还不够好，目前ASML的量产型EUV光刻机NXE：3400B的生产能力是125WPH，也就是一小时处理125片晶圆，而193nm光刻机NXT:1980Di的生产能力是275WPH，其他型号也能达到250WPH，产量能相差一倍。
·EUV光刻机不是中国半导体工业的关键，国内能量产90nm级别的光刻机
尽管EUV光刻机现在还不够成熟，不过三星、台积电及Globalfoundries等公司已经开始在7nm节点上大规模应用EUV光刻机，随着需求的增加,EUV光刻机的成本也会下降，将推动EUV光刻机的发展。
由于EUV光刻机对先进半导体工艺非常重要，很多网友也把国内半导体不行归咎于没有先进的光刻机，特别是EUV光刻机，而瓦森那协议中对光刻设备的限制又引申出更多猜想，认为这些限制是国内芯片不行的原因，实际上这些传闻听着很合理，但误解颇多。
ASML的光刻机一直都有在国内销售，近年来随着国内半导体市场的扩大，大陆地区的客户甚至逐渐成为ASML的大客户，Q1季度中大陆地区的营收占比就有19%，与美国地区持平。至于EUV光刻机，国内之前没有也不是因为禁售，首先是EUV产量低，三星、台积电、英特尔下单早，ASML优先交付他们，但最主要的原因是国内并没有EUV光刻机的需求，因为EUV光刻机主要用于7nm及以下的工艺，而国内晶圆代工厂SMIC中芯国际目前最先进的工艺还是28nm，完全用不到EUV光刻机，明年才开始生产14nm工艺，依然没必要使用EUV光刻机。
不过中芯国际还是订购了一台EUV光刻机，主要用于7nm工艺研究，预计明年初交付。
目前的光刻机市场主要是掌握在ASML公司手中，日本佳能、尼康公司的光刻机已经严重落伍，处于被淘汰的地位。国内也很早就研发光刻机了，如果大家的目光不是放在EUV光刻机这样的顶级设备上，国内实际上已经国产化了LCD、LED用的光刻机，其他先进光刻机也在攻关中。
国内目前主攻先进光刻机的主要有两大阵营，一个是中科院长的学院派，承担了国家的02专项中的90nm光刻机研发，旗下长春光学精密机械与物理研究所、应用光学国家重点实验室负责物镜系统，中国科学院上海光学精密机械研究所负责照明系统，去年已经研发成功90nm光刻机，并通过验收。
在企业阵营中，主攻光刻机的是上海微电子装备集团、中电科电子装备集团等，其中上海微电子集团已经量产90nm光刻机，预计未来几年实现45nm光刻机研发，不过他们在封装光刻机市场上占了国内80%的市场，全球占有率也达到了40%，LED投影光刻机占有率也高达20%。
对于未来的EUV光刻机，国内也启动了关键技术研发，有报道称2016年11月15日，由长春光机所牵头承担的国家科技重大专项02专项——“极紫外光刻关键技术研究”项目顺利完成验收前现场测试，不过官方八股文宣传的技术突破离最终量产EUV光刻机还有很远的距离，90nm光刻机用了10年时间研发，国产EUV光刻机依然有很长的路要走。
总结：
光刻是半导体芯片生产过程中最重要的一环，光刻机则是具体实现光刻处理器的设备，它对CPU以及存储芯片来说都是如此，不论是生产效率、成本还是技术水平，光刻机都是决定性的。现代的光刻机是一台极其精密的复杂系统，从激光器到物镜再到工作台都有很高的技术门槛，光刻机确实可以说是半导体产业中的明珠，EUV光刻机更是明珠中的明珠。
