光刻机下一代技术是什么技术类型（光刻机是芯片制造的核心设备之一）
光刻机下一代技术是什么技术类型（光刻机是芯片制造的核心设备之一）
光刻机（Mask Aligner）是采用类似照片冲印的技术，把掩膜板上的精细图形通过光线的曝光印制到硅片上的设备，是制造芯片的核心装备，也是目前顶尖 科技 的代表。中美 科技 竞争下，因光刻机使用部分美国技术，华为自研的高端芯片供应链被掐断，中芯国际也无法采购最先进的EUV。高端光刻机已成为当前中国半导体的软肋。
高精度光刻机的制造工艺极其复杂，核心零件便有8万个左右，共需要超10万个零部件，因此，光刻机也有了“现代光学工业之花”的称号。如此高的制造门槛，也就导致了光刻机制造领域的玩家也寥寥无几。“头部玩家”基本被荷兰阿斯麦（ASML），日本的尼康和佳能垄断：
佳能光刻机
佳能光刻机的 历史 始于对相机镜头技术的高度应用。佳能灵活运用20世纪60年代中期在相机镜头开发中积累的技术，研发出了用于光掩膜制造的高分辨率镜头。此后，为了进一步扩大业务范围，佳能开始了半导体光刻机的研发，并于1970年成功发售日本首台半导体光刻机PPC-1，正式进入半导体光刻机领域。目前，佳能的光刻机阵容，包括i线光刻机和KrF光刻机产品线。佳能已累计出货5600余台光刻设备，覆盖众多领域，尤其是在步进光刻机细分市场，佳能有超过80%的市场份额，受到了中国客户的喜爱。
尼康光刻机
尼康则是凭借相机时代的积累，在日本半导体产业全面崛起的初期，一度成长为全球光刻机巨头，独占行业50%以上的份额。手里的大客户英特尔，IBM，AMD，德州仪器等几乎每天堵在尼康门口等待最新的产品下线，一时风光无两。然而，在美国政府将EUV技术视为推动本国半导体产业发展的核心技术后，美国便将自己一手支持的当 时尚 属小角色的阿斯麦推上前台，并在半导体干湿刻法的技术之争中胜出，尼康也由此开始衰落。其昔日的客户和盟友纷纷背叛，晶圆代工厂基本都将尼康的光刻机排除在大门之外。尼康目前出货的光刻机基本只能卖给三星，LG，京东方等用来生产面板。受各业务下滑影响，尼康不得不进行了多次的大规模裁员。
ASML光刻机
ASML现在则是光刻机制造领域无可争议的霸主。它为半导体生产商提供光刻机及相关服务，其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。全球绝大多数半导体生产厂商，都向ASML采购TWINSCAN机型，比如英特尔（Intel）、三星（Samsung）、海力士（Hynix）、台积电（TSMC）、中芯国际（SMIC）等。
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。
ASML基于极紫外（EUV）光源的新型光刻机，型号定为NXE系列，是一个划时代的产品，关键尺寸在10nm以下的芯片晶圆，只能用EUV光刻机生产，ASML实现了该领域的***垄断。
在国产光刻机制造企业当中，上海微电子相对比较出色。
目前，上海微电子能量产的光刻机是在90nm，其主要在低端光刻机领域发力，在低端领域拿下全球40%的市场份额。而中国有80%的低端光刻机都来自于上海微电子。今年，上海微电子将交付中国首台28nm immersion式光刻机，制程技术进步不小。
以上对比可以看出，中国和日本在光刻机领域已存在不小的差距，而在与全球顶尖供应链厂商ASML相比时，更是难以企及。难怪ASML公司总裁放言，就算把图纸给我们的公司，也永远仿造不出顶级光刻机！这话虽然听着让人非常不爽，但是不得不承认这就是现阶段的现实问题！
如今，在美国霸权限制横行之下，中国已深深明白了光刻机的极端重要性。每个中国人也都心知肚明，只有我们自己真正拥有，才能无所畏惧。在芯片问题亟待解决的今天，加上国家的大力引导，中国人自己的高端光刻机必将更早成为现实。
最近，西湖大学教授仇旻团队发布了一种三维微纳加工技术，可在仅有头发丝八分之一粗细的光纤末端进行“冰刻”加工。有一种另辟蹊径的感觉。
那么其与光刻到底有哪些不同？能否取代光刻？
首先，说下什么是“冰刻”。 冰刻是通过电子束在结有一层薄冰的基础材料上进行“雕刻”的一种系统。
与当下光刻的最大不同点是，把硅基上的光刻胶换成冰。
这里插播一下广告，以电子束为基础的光刻机，也是实现光刻的一种选择。而且其精度比EUV光刻机高，也属于先进技术。 先进的原因在于电子束的波长比极紫外光短。 而不能在大规模集成电路上应用是，因为目前还存在很多缺陷。
按照电子束光刻曝光方式可分为两种： 投影式曝光和直写式曝光。
投影式曝光： 通过电子束经过掩模版后，把掩模版上的图形（电路）刻在涂抹有光刻胶的材料上。使用的是多电子束光刻技术，聚焦电子束在基础材料上进行扫描，实现电路图转移。原理类似于照相机，其中光刻胶相当于胶卷，拍摄对象就是掩模板，通过光线的照射把拍摄的对象投影到胶卷上。据说，这是下一代的光刻技术之一。
直写式曝光： 聚焦电子束直接在涂有光刻胶的基础材料上绘制电路图形。这类似于用铅笔来画画。这技术也和激光直写技术一样，可以制造光掩模版。
明白了这两种曝光方式，就能力理解仇旻教授所说的“传统电子束”和“冰胶电子束”。 换言之，“冰胶电子束”就是把光刻胶换成冰后，去实现光刻的技术。
在零下 140 度的真空环境下，通过设备注入水蒸气以后，水蒸气遇到原材料就会凝华成薄薄的冰层。
从以下两幅图看，第一幅图是目前芯片的生产工艺，需要光刻胶以及化学剂；第二幅图是“冰刻”的制造工艺，不需要光刻胶以及化学剂。使用光刻胶就需要化学剂清洗，如果清洗不好，那么将影响芯片的良品率。
而使用“冰刻”就不同，雕刻后，冰经过升华直接气化。无需化学剂，绿色环保。
显而易见，简化了芯片制造的工艺以及用冰取代了光刻胶。
目前，该团队虽然实现了简单的三维图案雕刻，但能否取代EUV光刻机，完全是一个未知数。毕竟大规模的集成电路讲究的是工业化。再说，芯片的复杂度需要多个环节、多个工艺去配合。
即使冰刻可以刻出更细的线路图，但晶体管之间的连线导通，需要的金属沉积、离子注入等环节。目前，冰层并不具备这样的条件。
谈到对“冰刻”的研究，仇旻团队这样说 ：技术冷门好，有趣，实际应用还在 探索 中。并表示“作为一种绿色且‘温和’的加工手段，冰刻尤其适用于非平面衬底或者易损柔性材料，甚至生物材料。未来希望这项技术能够运用到生物、微电子以及更多领域中”。
可见，“冰刻”可能存在两种情况： 是光刻的一种补充；代替现有的光刻机。这一切都需要时间去验证。
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
光刻机是制造微机电、光电、二极体大规模集成电路的关键设备。光刻机可以分钟两种，分别是模板和图样大小一致的contact aligner，曝光时模板紧贴芯片；第二是类似投影机原理的stepper，获得比模板更小的曝光图样。
曝光机在晶圆制作过程中，主要是利用紫外线通过模板去除晶圆表面的保护膜的设备。
一个晶圆可以制作出数十个集成电路，根据模版光刻机分为两种：模版和晶圆大小一样，模版不动。第二种是模版和集成电路大小一样，模版随光刻机聚焦部分移动。其中模版随光刻机移动的方式，模版相对曝光机中心位置不变，始终利用聚焦镜头中心部分能得到更高的精度。目前，这种方式是主流方式。因此，光刻机对于集成电路的生产非常重要。
目前全球能够制造和维护需要高度的光学和电子工业基础技术的厂家，全世界只有少数厂家掌握光刻机技术。例如ASML、尼康、佳能、欧泰克、上海微电子装备、SUSS、ABM，Inc等。因此，光刻机的价格昂贵，通常在3千万到5亿美元。
中国目前做光刻机的主要有上海微电子装备有限公司、中子科技集团公司第四十五研究所国电、合肥芯硕半导体有限公司、先腾光电科技、无锡影速半导体科技。其中，上海微电子装备有限公司已经量产的是90纳米，这是在中国最领先的技术。其国家科技重大专项“极大规模集成电路制造装备与成套工艺专项“的65nm光刻机研制，目前正在进行整机考核。
对于光刻机技术来说，90纳米是一个技术台阶；45纳米是一个技术台阶；22纳米是一个技术台阶……90 纳米的技术升级到65纳米不难，但是45纳米要比65纳米难多了。
路要一步一步走，中国16个重大专项中的02专项提出光刻机到2020年出22纳米的。目前主流的是45纳米，而32纳米和28纳米的都需要深紫外光刻机上面改进升级。
用于光刻机的固态深紫外光源也在研发，我国的光刻机研发是并行研发的，22纳米光刻机用到的技术也在研发，用在45纳米的升级上面。
。在交期方面，所有客户也都完全一致，从下单到正式交货，均为21个月。
光刻机，也叫掩模对准曝光机，曝光系统，光刻系统等，是制造芯片的核心设备。而芯片是手机的心脏，也是许多高科技产品的根基。
光刻机它采用类似照片冲印技术，把掩膜版上的精细图形通过光线的曝光印制到硅片上。
光刻机的主要性能指标有：支持基片的尺寸范围，分辨率、对准精度、曝光方式、光源波长、光强均匀性、生产效率等。
2018年11月29日，国家重大科研装备研制项目“超分辨光刻装备研制”通过验收。该光刻机由中国科学院光电技术研究所研制，光刻分辨力达到22纳米，结合双重曝光技术后，未来还可用于制造10纳米级别的芯片。
光刻机的原理是什么？
与冲洗照片有相似的地方，但又不大一样。
冲洗照片，是将需要洗印的照片从底片上洗印到相纸上，或是将原底片上的影像放大到相纸上。
光刻机是把大的底片缩小，就是把集成电路图缩印到晶元相纸上。
它与洗印放大机的结果恰好是相反的。
为什么一个原理上并不难的机器门槛很高呢？难点在于它的精度上，所谓是量变产生了质变。
如果我们画一张电路图，把它画在A4大小的纸上，这一点也不难，许多人都能做到。
话题扯得有点远，再回到光刻机上。
在A4大小的纸张上画图相对比较容易。但是如果要把电路图画到一张邮票上就困难了许多。我们再设想一下，如果要把电路图画到一粒米粒上或一粒沙子上就更困难了。
不仅如此，如果要把这粒沙子放到一辆运动的赛车上，让你在运动的状态下，在一边追赶其它赛车的同时，在挡风玻璃上的沙粒上画出电路图，就几乎不可能做到了。
虽然它们都有一个名字，叫画电路图，但是所处的环境、介质及大小的不同，难度就有着天壤之别。
所以，光刻机也分低端和高端。10纳米以下的属于高端光刻机。
笔的粗细，在图纸上所呈现的内容量是不一样的。笔尖越细所能够画出的内容越多，难度也越大，越高端。同样的，还有沙子的大小。沙粒越小，笔尖越细，画的内容越多，难度也就越大。
目前最高端的光刻机的工艺是5纳米级别。5纳米大约为50个原子的宽度。
一个原子的实际大小，大约为黄色光波的5000到2000分之一之间。在这种极端精度下，很多原本可以忽略不计的细节，全部都变成了障碍和难点。
比如说，在赛车的过程中震动是极度敏感的，比如关门的动作，可能都是灾难性的。所以必须要搭配一个极端精度的减震系统。
喜欢摄影的朋友都知道，在摄影过程中，其中一个重要参数就是曝光度。洗印照片也有曝光的问题。曝光量的多少，时间的长短，都会影响成像的效果。
光源，它是画图用的。必须频率稳定，能量均匀，平行度要求高。任何曝光不准确，都会严重影响成像的质量。
因此，运动状态下控制精度，必须是纳米级别的，稍有偏差，成像就会出问题。
光刻机远比我们想象的要复杂的多。可以说，光刻机是人类历史上几乎最精密的机器设备。
有人说，生产芯片靠砸钱。钱，肯定是需要的，但还有环境问题和上述的要素。
科学是来不得半点虚假的。
拥有超过100,000个组件，这样的EUV光刻系统是有史以来最复杂的机器之一。它由连续生产的最强大的激光系统泵送。总重量为180吨，耗电量超过1兆瓦，单台EUV光刻机的售价高达1.2亿美元。
在EUV光刻技术之前，DUV大行其道。然而随着工艺技术的发展，大型晶圆代工厂已经迫不及待地要调到更先进制程。基于包括Trumpf（德国Ditzingen），Zeiss（德国Oberkochen）和ASML（荷兰Veldhoven ）等高 科技 公司之间的独特联盟，EUV光科主要技术问题才得以解决。
为何选择EUV？
极紫外（有时也称为XUV）表示波长在124和10nm之间的软X射线或10eV和124eV之间的光子能量。
到目前为止，芯片制造商已经使用紫外（激光）光将复杂的图案投射到涂有光致抗蚀剂的硅晶片上。在类似于旧纸张照片的开发的过程中，这些图案被开发并成为一层内的导电或隔离结构。重复该过程，直到形成诸如微处理器的集成电路的复杂系统完成。
这种光刻系统的发展受经济驱动：需要更多的计算能力和存储容量，同时必须降低成本和功耗。这种发展可以用一个简单的规则来描述，这个规则被称为摩尔定律，它说密集集成电路中的晶体管数量大约每两年增加一倍。
一个主要的限制来自光学定律。德国物理学家恩斯特·阿贝发现显微镜d的分辨率（大致）限于照明中使用的光的波长λ：
d = λ/（n sin（α））（1）
其中n是透镜和物体之间介质的折射率，α是物镜光锥的半角。对于光刻，用数值孔径（NA）代替n sin（α）并在公式中加入因子k（因为光刻分辨率可以用照明技巧强烈调整），最小可行结构或临界尺寸（CD）是：
CD = kλ / NA（2）
该公式控制着所有光刻成像过程，这使得波长成为如此重要的参数变得明显。因此，工程师们一直在寻找波长越来越短的光源，以生产出更小的特征。从紫外汞蒸汽灯开始，他们转向波长为193纳米的准分子激光器。英特尔在2003年5月宣布，它将下一步采用157纳米准分子激光器，而不是采用波长为13.5纳米的EUV，因此光刻行业获得了惊喜。光学材料的问题被视为主要障碍，EUV似乎只是一些发展步骤。
当时据报道，英特尔研究员兼公司光刻资本设备运营总监彼得西尔弗曼提出了一个问题路线图显示2009年将为32纳米节点部署EUV。事实证明这是过于乐观了，人们不得不想方设法利用193纳米光源通过沉浸式光刻和复杂的照明技巧等技术来实现更小的特征。
用于工业的EUV光源
EUV光刻必须解决许多问题。首先，需要强大的光源。在21世纪初期，基于放电等离子体的光源（如 Xtreme Technologies公司吹捧）似乎最有利，但不久之后激光产生的等离子体源显示它们最适合放大。
最后，总部位于圣地亚哥的Cymer公司凭借使用CO 2激光器从30微米锡滴产生EUV辐射的系统赢得了比赛。虽然他们在2007年推出了一个相当不稳定的30 W光源，但在2014年他们首次展示了如何达到250 W，这个数字被认为是大批量生产的突破。提高EUV转换过程的效率是一项很好的应用研究，毕竟使EUV光刻成为可行。为了加快进度（并确保其唯一供应商），ASML于2012年收购了Cymer。
为商业可行性提供足够的EUV辐射的最终解决方案，是给人留下深刻印象的机器。该机器基于串联生产中最强大的激光器：40 kW CO 2激光器。整个系统需要1兆瓦的电源。由于只有200 W功率的微小部分用于处理晶圆，因此冷却是一个主要问题。
该技术的唯一供应商是德国Ditzingen的TRUMPF。TRUMPF老板兼首席技术官Peter Leibinger非常清楚他的公司的角色：“如果我们失败，摩尔定律将停止。当然，世界并不依赖于TRUMPF，但如果没有TRUMPF，芯片行业就可能无法继续延续摩尔定律，“他在2017年接受采访时表示。
典型CO 2TRUMPF的激光器可以提供几千瓦的连续波（CW）辐射。这适合切割钢材。对于EUV，TRUMPF开发了一种激光器，可以50 kHz的重复频率产生40 kW的脉冲辐射。具有两个播种机和四个放大级的激光器非常大，必须放置在EUV机器下方的单独地板上。
为了跟上市场需求，TRUMPF在一个全新的工厂投入了大量资金，为这些激光器提供了10个生产区。通过10周时间将它们组合在一起，该公司现在每年可以容纳50个系统。目前已经有44个系统在实地，预计2019年还将有30个系统出货。
该机器具有玻璃心脏
虽然泵浦激光器是一种真正独特的机器，但EUV光刻系统中的光学器件同样具有挑战性。首先，必须用巨大的镜子收集来自微小锡滴的等离子体辐射。EUV收集器的直径为650 mm，收集立体角为5 sr。13.5nm处的平均反射率高于40％。
根据SEMICON West会议报告，反射率随时间线性下降：“他们目前的客户安装了NXE：3400B系统，Yen报告的每千兆脉冲降解率约为0.15％。ASML希望在相同功率（250 W）下将其降至低于0.1％/ GP。“换句话说，功率在90天内下降约50％。交换收集器大约需要一天时间，ASML打算用下一代NXE：3400将其减少到不到8小时。报告称，最终目标是95％的可用性，这是目前所有DUV机器的用武之地。
一旦珍贵的EUV光离开收集器，它就会被一组超精密镜子进一步形成和投射。最终表面的粗糙度为0.1nm以下更好，相当于氢原子的直径。光学系统由另一位德国冠军卡尔蔡司半导体制造技术公司（Zeiss SMT）制造，该公司是合作伙伴中第三家建立这些独特高 科技 机器的公司。
注 - NXE：3400系统的分辨率约为13 nm; 这指的是公式（2）和实际的栅极间距。这与芯片制造商经常讨论的“节点”非常不同。最初，节点指的是晶体管的栅极长度。显然，这可以根据工艺和制造商的不同而不同。然而，今天，节点仅涉及由芯片制造商开发的某个过程，并且不直接对应于光学器件的分辨率。例如，芯片制造商使用类似的EUV机器参考其专有工艺，推出7纳米或3纳米节点。
EUV光刻技术的三驾马车
虽然EUV光 科技 术整体涉及1000多家供应商，但核心技术由Trumpf，Zeiss和ASML制造。他们在EUV项目中开发了非常规的合作形式。来自Trumpf的Peter Leibinger将其称为“几乎合并的公司”，其开放式政策和广泛的人员和技术交流。
Zeiss SMT与ASML有着悠久的 历史 ，因为该公司于1983年为飞利浦生产了第一台光刻光学器件; 这项业务于1984年分拆出来并命名为ASML。
在EUV之前，Zeiss和ASML共同征服了光刻系统市场。2010年，他们已经拥有光刻系统约75％的市场份额。到目前为止，他们是工业级EUV系统的唯一供应商。为了促进这种关系，ASML在2016年11月以大约10亿欧元的价格购买了Zeiss SMT 24.9％的股份。此外，ASML承诺支持Zeiss SMT六年的研发工作，投资2.2亿欧元，加上一些5.4亿欧元的投资支持。
由于Zeiss SMT在EUV上大量投资，所以这笔钱非常需要。该公司在德国Oberkochen附近建立了制造和计量大厅;目前，它正在完成下一代具有更高NA的EUV光学器件的准备工作。另外7亿欧元的投资。这包括用于光学系统计量的卡车大小的高真空室。在这些腔室中测试的镜面最大公差为0.5 nm，因此它们采用了业内有史以来最精确的对准和计量技术。
180吨工具的最终组装
Zeiss SMT拥有一个巨大的高 科技 设施，但其规模最大的是阿斯姆公司的Veldhoven工厂的制造大厅。2018年，Zeiss SM的员工增长了21％，目前拥有超过800名博士和超过7500名工程师，总人数为23,000人。
在制造大厅中，EUV步进机器已经完成。目前的顶级车型NXE：3400B重180吨，需要20辆卡车或3辆满载的波音747发货。价格是1.2亿美元。它可以每小时处理125片晶圆，分辨率低至13纳米。
在2019年下半年，宣布升级的NXE：3400C的装运。它将采用更高透射率的光学元件，模块化容器，可显着提高维修保养方便性，以及更快的光罩和晶圆处理器，以支持更高的生产率。这些器件每小时可实现170个晶圆吞吐量。
EUV之后是什么？
到目前为止，EUV光学系统已达到0.33的NA。下一代（ASML宣布该机器为NXE Next）的NA为0.55，分辨率小于8 nm。它包含更大的光学元件，而这也是Zeiss SMT公司的努力方向，并且该公司今年已经开始生产。
作为这些共同努力的结果，显然该技术被驱动到其物理极限，从而实现迄今为止无法想象的规范。例如，光刻系统内的晶片被保持在特殊的玻璃板（所谓的晶片夹具）上。它们以高达3g的加速度移动，将晶圆保持在精确到一纳米的位置。同时，晶片由EUV光照射，热负荷为30kW / m 2，而不会失去其精确位置。
尽管仍在讨论许多技术问题，但市场似乎非常有信心EUV光刻技术将在可预见的未来为半导体产业带来实质性利益。
但在高NA EUV之后会发生什么？到目前为止，似乎还没有认真的答案。一方面，一些研究小组正在准备更短的波长。德国弗劳恩霍夫协会的两个机构于2016年完成了一项关于“超越EUV”的研究项目。他们研究反射涂层（IOF）和等离子体源（ILT）的6.7 nm波长。瑞士集团在2015年总结了光刻胶研究。诸如冲压或电子束光刻的纳米图案的替代方法正在发展。2017年的“模式路线图”试图讨论其进一步发展。
目前，ASML及其盟友在他们的高 科技 大制造厅中建造并展示了，这个时代最大和最先进的技术系统。但是，如果从远处看这一发展，似乎光刻技术的复杂性已达到其可行的最大值。未来EUV光刻技术要得到进一步的实质性进展，将需要完全不同的方法来满足增加的数据存储和处理要求。
