據(jù)多家媒體證實(shí)，長(zhǎng)江存儲(chǔ)從荷蘭阿斯麥(ASML)公司訂購的一臺(tái)光刻機(jī)已抵達(dá)武漢,。這臺(tái)光刻機(jī)價(jià)值價(jià)值7200萬美元,，約合人民幣4.6億元,。另據(jù)媒體報(bào)道，中芯國(guó)際在中興事件之后也向該公司下單了一臺(tái)光刻機(jī),，這臺(tái)名為EUV(極紫外線)光刻機(jī)更是身價(jià)不菲,，價(jià)值1.2億美元，交貨日期尚不確定,。
價(jià)值幾個(gè)億的光刻機(jī)是什么?
半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)主要分為 IC 設(shè)計(jì),、 IC 制造、 IC 封測(cè)三大環(huán)節(jié),。 IC 設(shè)計(jì)主要根據(jù)芯片的設(shè)計(jì)目的進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)和規(guī)則制定,，并根據(jù)設(shè)計(jì)圖制作掩模以供后續(xù)光刻步驟使用。 IC 制造實(shí)現(xiàn)芯片電路圖從掩模上轉(zhuǎn)移至硅片上,，并實(shí)現(xiàn)預(yù)定的芯片功能,，包括光刻、刻蝕,、離子注入,、薄膜沉積、化學(xué)機(jī)械研磨等步驟,。 IC 封測(cè)完成對(duì)芯片的封裝和性能,、功能測(cè)試，是產(chǎn)品交付前的最后工序,。
芯片制造核心工藝主要設(shè)備全景圖
光刻是半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)流程中最復(fù)雜,、最關(guān)鍵的工藝步驟，耗時(shí)長(zhǎng),、成本高,。半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)在于將電路圖從掩模上轉(zhuǎn)移至硅片上，這一過程通過光刻來實(shí)現(xiàn),， 光刻的工藝水平直接決定芯片的制程水平和性能水平,。芯片在生產(chǎn)中需要進(jìn)行 20-30 次的光刻，耗時(shí)占到 IC 生產(chǎn)環(huán)節(jié)的 50%左右,，占芯片生產(chǎn)成本的 1/3,，因此光刻機(jī)成為芯片制造的核心設(shè)備之一,。
光刻機(jī)按照用途可以分為好幾種：有用于生產(chǎn)芯片的光刻機(jī);有用于封裝的光刻機(jī);還有用于LED制造領(lǐng)域的投影光刻機(jī)。用于生產(chǎn)芯片的光刻機(jī)是中國(guó)在半導(dǎo)體設(shè)備制造上最大的短板,，國(guó)內(nèi)晶圓廠所需的高端光刻機(jī)完全依賴進(jìn)口,，長(zhǎng)江存儲(chǔ)和中芯國(guó)際訂購的光刻機(jī)就是用來生產(chǎn)芯片的。
光刻機(jī)工作原理
光刻機(jī)通過一系列的光源能量,、形狀控制手段,，將光束透射過畫著線路圖的掩模，經(jīng)物鏡補(bǔ)償各種光學(xué)誤差,，將線路圖成比例縮小后映射到硅片上,，不同光刻機(jī)的成像比例不同，有5:1,，也有4:1,。然后使用化學(xué)方法顯影，得到刻在硅片上的電路圖(即芯片),。
一般的光刻工藝要經(jīng)歷硅片表面清洗烘干,、涂底、旋涂光刻膠,、軟烘,、對(duì)準(zhǔn)曝光、后烘,、顯影,、硬烘、激光刻蝕等工序,。經(jīng)過一次光刻的芯片可以繼續(xù)涂膠,、曝光。越復(fù)雜的芯片,，線路圖的層數(shù)越多,，也需要更精密的曝光控制過程。現(xiàn)在先進(jìn)的芯片有30多層,。
上圖是一張光刻機(jī)的簡(jiǎn)易工作原理圖,。下面，簡(jiǎn)單介紹一下圖中各設(shè)備的作用,。
測(cè)量臺(tái),、曝光臺(tái)：承載硅片的工作臺(tái)，也就是本次所說的雙工作臺(tái),。
光束矯正器：矯正光束入射方向,，讓激光束盡量平行。
能量控制器：控制最終照射到硅片上的能量,，曝光不足或過足都會(huì)嚴(yán)重影響成像質(zhì)量,。
光束形狀設(shè)置：設(shè)置光束為圓型,、環(huán)型等不同形狀，不同的光束狀態(tài)有不同的光學(xué)特性,。
遮光器：在不需要曝光的時(shí)候，阻止光束照射到硅片,。
能量探測(cè)器：檢測(cè)光束最終入射能量是否符合曝光要求,，并反饋給能量控制器進(jìn)行調(diào)整。
掩模版：一塊在內(nèi)部刻著線路設(shè)計(jì)圖的玻璃板,，貴的要數(shù)十萬美元,。
掩膜臺(tái)：承載掩模版運(yùn)動(dòng)的設(shè)備，運(yùn)動(dòng)控制精度是nm級(jí)的,。
物鏡：物鏡由20多塊鏡片組成,，主要作用是把掩膜版上的電路圖按比例縮小，再被激光映射的硅片上,，并且物鏡還要補(bǔ)償各種光學(xué)誤差,。技術(shù)難度就在于物鏡的設(shè)計(jì)難度大，精度的要求高,。
硅片：用硅晶制成的圓片,。硅片有多種尺寸，尺寸越大,，產(chǎn)率越高,。題外話，由于硅片是圓的,，所以需要在硅片上剪一個(gè)缺口來確認(rèn)硅片的坐標(biāo)系,，根據(jù)缺口的形狀不同分為兩種，分別叫flat,、notch,。
內(nèi)部封閉框架、減振器：將工作臺(tái)與外部環(huán)境隔離,，保持水平,，減少外界振動(dòng)干擾，并維持穩(wěn)定的溫度,、壓力,。
ASML的光刻機(jī)動(dòng)輒幾個(gè)億，能不能不從他家買呢?
在高端光刻機(jī)上,，除了龍頭老大ASML,，尼康和佳能也曾做過光刻機(jī)。
尼康現(xiàn)在之所以還算一家半導(dǎo)體設(shè)備供應(yīng)商,，那是因?yàn)槟峥档钠聊幻姘骞饪虣C(jī)業(yè)務(wù)還在正常運(yùn)營(yíng),。以前尼康也賣過一些光刻機(jī)給intel,，可是現(xiàn)在先進(jìn)制程設(shè)備采購上，intel看不上尼康的光刻機(jī),，想扶一把也沒用?，F(xiàn)在尼康精機(jī)部門就是靠著面板光刻機(jī)撐著，毛利潤(rùn)時(shí)而有,，時(shí)而無,，虧損是常事，某個(gè)季度一旦扭虧,，尼康精機(jī)就會(huì)顯示為業(yè)績(jī)?cè)鲩L(zhǎng)百分之好幾百,。
尼康最新的Ar-F immersion 630賣價(jià)還不到ASML Ar-F immersion 1980Di平均售價(jià)的一半，更別說和ASML劃時(shí)代的EUV光刻機(jī)比了,。而ASML 第12臺(tái)EUV光刻機(jī)發(fā)貨中,。(EUV才是人類文明半導(dǎo)體技術(shù)延續(xù)的基石)
2016年Q2 Q3 ASML ship出去的兩臺(tái) EUV NXE 3350B單價(jià)已經(jīng)超過1億美元，Ar-F immersion價(jià)格平均價(jià)位是4000萬歐元~5500萬歐元左右,，以上是算進(jìn)了refurbished的machine,，如果不算，應(yīng)該更高,。
下面仔細(xì)分析下2016年的ASML季度各個(gè)銷售機(jī)型數(shù)量和銷售額(不包括 solution 的收入),。
如下報(bào)表，ASML的 Ar-F immersion 在Q1銷售15臺(tái),，銷售額856million euro乘以79%(不包括solution部分)：
每臺(tái)價(jià)格約4200萬歐元,。
其中ASML在2016年Q2季度銷往美國(guó)芯片廠的占21%，銷往韓國(guó)新品廠占20%,，銷往臺(tái)灣芯片廠的占28%,。
幾本就是ASML三大優(yōu)先客戶： intel、三星,、臺(tái)積電三巨頭爭(zhēng)霸的格局
值得注意的是2016年Q1的ASML銷售額中,，有35%銷往中國(guó)，除了三星在西安的超大型3D 10納米級(jí)NAND芯片廠擴(kuò)產(chǎn)外和intel在大連的芯片廠升級(jí)外,，中國(guó)本土廠商也買到了ASML的光刻機(jī)(不過由于北約的瓦森納協(xié)議限制,，中國(guó)只能買到中低端ASML光刻機(jī))。
下面我們來看看尼康的財(cái)務(wù)報(bào)表是多么得慘淡,。
可以看出尼康的芯片光刻機(jī)慘不忍睹,，Ar-F immersion 銷售為0，Ar-F 銷售也為0,，只能賣點(diǎn)I-line和 KrF 光刻機(jī),。
別說intel、臺(tái)積電,、三星這樣的半導(dǎo)體巨頭了,，連東芝都不會(huì)買尼康光刻機(jī)了,。雖然尼康做的是低端市場(chǎng)，但是Ar- Fimmersion 和 Ar-F一臺(tái)也賣不出去,。
截至2013年,，ASML就已經(jīng)控制80%的光刻機(jī)市場(chǎng)，壟斷全部的高端光刻機(jī)市場(chǎng)了,。高端光刻機(jī)市場(chǎng),，ASML一家獨(dú)大，價(jià)格自然居高不下,。
如果考慮中國(guó)自主的光刻機(jī)呢?
我國(guó)光刻機(jī)現(xiàn)在達(dá)到什么水平?
據(jù)悉，長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,、應(yīng)用光學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)物鏡系統(tǒng);照明系統(tǒng)由中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所,，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)所共同負(fù)責(zé)的國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)已于2017年7月首次曝光成功，2017年10月曝光光學(xué)系統(tǒng)在整機(jī)環(huán)境下已通過驗(yàn)收測(cè)試,。
長(zhǎng)春國(guó)科精密光學(xué)技術(shù)有限公司,、科技部原副部長(zhǎng)、02專項(xiàng)光刻機(jī)工程指揮部組長(zhǎng)曹健林在分享專項(xiàng)進(jìn)展時(shí)表示,，目前90納米檢測(cè)已經(jīng)達(dá)到要求,，希望未來五年內(nèi)應(yīng)可順利驗(yàn)收完成。
2007年正式啟動(dòng)90納米節(jié)點(diǎn)曝光光學(xué)系統(tǒng)立項(xiàng),，2009年項(xiàng)目獲批,，國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)物鏡系統(tǒng)由長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所、應(yīng)用光學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé);照明系統(tǒng)由中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所,，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)所共同負(fù)責(zé),，專項(xiàng)一期項(xiàng)目投入近6億元。專項(xiàng)目標(biāo)是建立物鏡超精密光學(xué)研發(fā)團(tuán)隊(duì)與平臺(tái),，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化滿足IC生產(chǎn)線的批量生產(chǎn)要求,。
曹健林稱，光刻機(jī)的研發(fā)過程嚴(yán)格按照里程碑節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制與設(shè)計(jì),，并建立綜合設(shè)計(jì),、加工、鍍膜,、裝配,、測(cè)試、裝調(diào)全工藝過程的像質(zhì)預(yù)測(cè)模型,。2015年7月已經(jīng)完成裝配,，其后展開物鏡測(cè)試臺(tái)的精度提升工作;2016年9月物鏡系統(tǒng)已經(jīng)交付，整個(gè)大硅片都已經(jīng)進(jìn)行分布式測(cè)量;2017年7月首次曝光成功;2017年10月曝光光學(xué)系統(tǒng)在整機(jī)環(huán)境下通過驗(yàn)收測(cè)試,。
攻克“皇冠上明珠”朝28納米邁進(jìn)
曹健林進(jìn)一步說,，應(yīng)該說國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體行業(yè)的關(guān)鍵材料與裝備才剛剛起步,，希望未來光刻機(jī)自主研發(fā)能攻克難關(guān)拿下這顆 “工業(yè)皇冠上的明珠”。他稱,，接下來項(xiàng)目還將繼續(xù)推進(jìn)攻克28納米研發(fā),，規(guī)劃兩年后拿出工程樣品，目前EUV的原理系統(tǒng)也已經(jīng)“走通了”,，預(yù)計(jì)2018年主攻EUV 53波長(zhǎng)機(jī)臺(tái),。
隨著02專項(xiàng)的支持，國(guó)內(nèi)重大裝備于2016年國(guó)產(chǎn)裝備銷售已達(dá)32億元人民幣,。 他也提個(gè)醒,，盡管不可否認(rèn)中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)的快速發(fā)展取得矚目，但在肯定自身進(jìn)步的同時(shí),，也要看見自己仍存在的差距,。他舉例，以當(dāng)前集成電路每年約進(jìn)口兩千億元來細(xì)看,，其中主要以微處理器,、存儲(chǔ)器就約占了1500億，這兩個(gè)部分也恰恰是中國(guó)目前自身還做不到的,。
隨著02專項(xiàng)的支持,，有些重大裝備已經(jīng)取得突破。但他指出當(dāng)前面對(duì)中國(guó)集成電路發(fā)展,，應(yīng)該“正確理解中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)存在差距”,。
小結(jié)
我國(guó)集成電路與國(guó)外產(chǎn)業(yè)差距較大，光刻機(jī)不是唯一瓶頸,。集成電路的制造從設(shè)計(jì),、制造到封裝測(cè)試，一顆芯片從無到有,，每一步都經(jīng)過無數(shù)工序,。好在長(zhǎng)江存儲(chǔ)與中芯國(guó)際光刻機(jī)的購買，讓我們又能看到半導(dǎo)體行業(yè)的曙光,。拭目以待,，看我們的速度能否超越外國(guó)，打贏半導(dǎo)體行業(yè)這場(chǎng)斗爭(zhēng),。