|
不一样的荷兰人
提起荷兰，大多数人第一反应是郁金香的国度。郁金香纯洁，优雅，美丽，被视为胜利和美丽的象征。
一片片在田野里盛开的郁金香，在《星空》吹拂下，这鲜花如精灵一般摇曳着，飘舞着，芬芳的弥漫在《普罗旺斯的农场》上方。
破土而出的力量，在大自然关爱中尽情的成长，扩撒到天地之中，凝成春雨，再滴落《戴珍珠耳环的少女的》发梢。
美丽的农场，盛开的郁金香下，荷兰诞生了一代代才华横溢的艺术家，梵高，维米尔，伦勃朗，勃鲁盖尔，凡.艾克……
荷兰人天性自由，热情奔放，富有冒险精神，在17世纪开创大航海时代而被誉为“海上马车夫”。乐于冒险的荷兰人，总会给世界带来些许不同，甚至还推动历史车轮前进。
鹿特丹 33 个平面图和景观的集合》之一，1718年，罗梅恩.霍格
当下谈论起荷兰，除了郁金香更有一家曾经默默无闻的半导体设备公司成为国人茶余饭后的谈论焦点，那就是光刻机设备制造商——阿斯麦（ASML）。
这家公司的成长经历颇为传奇，成立初期便遇上半导体低谷期，一台设备都卖不出去，亏损将近十年，一度徘徊在生死边缘，成为老东家飞利浦眼里食之无味，弃之可惜的鸡肋。但顽强的ASML最终挺了过来，抓住仅有的机会，逆袭成功成为当下光刻机领域的绝对王者，目前在高端光刻机市场占据90%以上的份额，并成为现在最先进EUV光刻机唯一的供应商！ASML就像一位剑客，修炼多年后成为绝顶高手，独孤求败！
有意思的是2022年一季度ASML财报略不及预期，就被国内一大堆井底之蛙嘲讽ASML快不行了。殊不见，ASML只是因为受到疫情影响，部分零部件供应不顺畅而导致延迟交货，事实上订单如雪花一样飞来，到2024年前，无论DUV还是EUV光刻机，统统卖断货，现在下订单至少要到2025年后才能交付！
谁说ASML快不行了？？？
3年前，金捷幡老师在家养伤的时候，偶然发现有位荷兰的专栏作家瑞尼.雷吉梅克（Rene.Raaijmakers）先生，写了一本关于ASML的成长奋斗史的书——《ASML’s Architects》，揭秘了这家低调半导体设备巨头的不为人知的故事。
英文原版《ASML’s Architects》
随后金老师把该书读后感《光刻机之战》发到网上，引发全网关注，超过百万浏览量。包括笔者在内的粉丝的鼓励和支持下，金老师下决心翻译成中文版，最终在2021年中文版成功出版和国内读者见面，取名《光刻巨人——ASML崛起之路》。
中文版《光刻巨人》
该书一经出版，便广受读者欢迎，文中真实还原了上世纪60年代至90年代光刻机领域的明争暗斗，夹缝中的ASML如何一步步崛起的过程，揭秘了ASML刻在骨子里的创新精神。事实上90年代之后ASML与尼康的世纪大战同样精彩，结合《光刻巨人》所展示的ASML成长史，笔者将接续并补全整个光刻机发展历史，并补上90年代后与尼康的世纪大战，以及EUV光刻机十余年研发过程中突破重重困难的最终成功造出世界第一的EUV光刻机的故事，为你呈现一个38岁ASML与强大竞争对手大战后，一步步登峰的完整历程！
序 人类科技精华——光刻机
工业皇冠上的明珠
说起光刻机，有很多普通人总以为光刻机就像激光打孔设备，在硅片上刻一些复杂的电路，从“光刻”两个字理解似乎就是这样的。
其实这是一个误区，光刻机更准确的叫法应该叫曝光机，光刻机工作原理其实更像一部单反相机，本质上是一个极其庞大复杂的光学投影系统，是人类迄今为止最复杂最精密最昂贵的设备。先进光刻机的研发难度和制造原子弹以及航天航空技术的相比不逞多让，每一代光刻机都在不断挑战人类工业制造能力的极限，因此光刻机也被称为“工业皇冠上的明珠”。
有了更先进的光刻机，人类才得以不断挑战芯片制造工艺的极限，让摩尔定律不断延续，计算机，手机等电子产品性能才能越来越强，功能越来越丰富，而芯片产业是这个信息时代的基石产业！
最大最复杂最精细
目前高端的单反镜头可以支持全画幅6千万像素分辨率，光刻机呢？以当年武汉弘芯那台“唯一7nm光刻机”NXT 1980Di型为例，1千6百亿像素，两者相差2666.6倍，当然价格也非常惊人，这台光刻机售价为8000多万美金，比一架波音飞机都贵。
ASML小讲堂
整个光刻机系统包括照明光学模组，光学模组，投影光学模组，掩膜传输模组，掩膜板平台模组，晶圆传输模组，晶圆平台模组等部分，以及辅助配套的供能系统、冷却系统、软件操作平台系统等共同组成这台极其庞大的光刻机。
这台光刻机净重达180吨，內部零件高达10万只，线缆连起来有数公里长。运输一台光刻机，各类零部件需要分成40余个专用箱保持恒温恒湿，并使用专业防震的气垫车运输，异常精贵。考虑到重量配平，一台光刻机的运输需要动用4架次波音747货机，运到晶圆工厂里的百级洁净间里后再由ASML工程师们花费大约数月时间来组装这个庞然大物，然后再用一个月时间使用专用仪器来调试光刻机各项参数，使之各项参数符合设计标准。因此光刻机的运输，组装，调试时间将近半年，费时费力。
运输光刻机部件的专业气垫车
整个光刻机研发中涉及众多学科，包括数学、电子光学、流体动力学、高分子物理与有机化学、表层物理学。集合了光学，有机化学、仪器仪表、机械设备、自动化技术、图像识别技术行业等多行业的顶级技术。
随着工艺节点的不断微缩，投影精确度已经到了史无前例的程度，误差已经降低到了纳米级！同时光刻机的使用方——芯片制造工厂又要求设备能够长期稳定运行，保持高效生产。请注意这和科研院校搞一个什么光刻技术号称曝光XXnm完全不是一个概念，7*24的稳定性绝非一般技术可比，这对于光刻机每个子系统都是巨大的考验，因此整个每个子系统都变成在攀登各自领域的珠峰！
因此光刻机号称人类科技精华成真不是开玩笑。就光难度而言不亚于造颗原子弹，更难的是光刻机是商业设备是要兼顾成本和效率的。如果把造原子弹和造光刻机做对比，那么按照光刻机的性价比迭代，现在原子弹应该是十万块一颗。
你觉得原子弹只卖十万块钱可能吗？这就是商业设备和军用武器最大的不同之处，光刻机造出来是要能帮客户赚钱的，不能保证稳定性，不能保证产品良率，就不能保证赚钱，不能赚钱的设备，客户无法接受！
工业皇冠上的明珠名不虚传！
第一章 光刻世界的奥秘
光刻机的作用
光刻机的作用是把掩膜板的图形，按比例缩小后精确投影到硅片上，完成集成电路工艺图形化转移过程的第一步。硅片表面涂有光刻胶，光刻胶里面有一种化学成分叫光致敏剂，当有光照的时候，在光敏剂作用下光刻胶会起一些变化，光照射不到的地方它不会变化，因此被曝光后，光刻胶再经过烘烤固化和显影处理，掩膜板图形就被复制到了硅片上，光刻机的作用就完成了，因此它并没有“刻”这一过程。“刻”的工作其实是由另外一种设备完成，那就是刻蚀机（Etch）。
曝光过的硅片，会被送入刻蚀机的真空腔体内，注入含氯或氟的气体之后，用等离子发生器激发成氯/氟的等离子形态。其中氯离子是“吃”硅的，氟离子是“吃”二氧化硅的，利用氯/氟离子极强的氧化性把没有被光刻胶保护区域的物质“吃掉”，这就是刻蚀的过程。
整个光刻-刻蚀过程如下图：
就这样，掩膜板的图形就被转移到了硅片上。这一套工艺是当年英特尔的天才少年赫尔尼（Jean Hoerni）发明的，后经诺伊斯的改进，成为标准集成电路工艺一直沿用至今。
从集成电路工艺的角度而言，芯片制造就是在硅片上指甲盖大小的面积里放下几亿个甚至几十亿个晶体管，并且一次性生产几千片，甚至几万片这样的硅晶圆。
我们都知道芯片制程工艺的进步恪守一条神奇的定律——摩尔定律。当年英特尔的创始人戈登.摩尔研究后发现，每隔18个月，同样面积内晶体管数量翻倍，但是价格不变，至今这条定律依然在指引行业前进，而这离不开光刻机的进步和一组神奇的光学公式。
神奇的光学公式
同样面积内的晶体管数量要翻倍，那意味着每个晶体管就必须不断缩小。晶体管的大小，目前通常使用晶体管的半节距（half-pitch）或者栅极长度（gate Length）来表示晶体管的特征尺寸(CD)，其中传统平面工艺28nm以上制程更多用Gate Length，22nm以下3D晶体管结构更多用half-pitch来标称。
于是特征尺寸大小也意味着你的工艺水平的先进性，于是就有这颗CPU是用7nm工艺制造，比过去的14nm的制造的CPU性能更强这样的观念，特别是在先进数字芯片领域，工艺制程水平就显得更加重要。
就像要想写更细更小的字，你需要更细更小的笔尖一样，同样你要做更小的晶体管，你需要更小的曝光技术，于是光刻机就成了最关键的设备。因此光刻机的水平就决定了一家芯片制造公司的工艺水平是哪一档的，你能做的晶体管的最小特征尺寸是几纳米？65nm？28nm？还是7nm？
在光刻领域，有一个公式和“摩尔定律”一样引导着行业的发展。而与摩尔定律不同的是，这一物理公式所揭示出的光学原理似乎更加难以逾越。那就是悬挂在ASML每个办公室的瑞利判据（Rayleigh criterion）公式。
最早的蔡司版瑞利公式，当时还没有K1参数
瑞利判据公式指在成像光学系统中，分辨本领是衡量分开相邻两个物点的像的能力。由于光的衍射效应，系统所成的像不再是理想的几何点像，而是有一定大小的光斑，专业词叫爱里斑。当两个物点过于靠近，其像斑重叠在一起，就可能分辨不出是两个物点的像，即光学系统中存在着极限分辨率。对于集成电路工艺而言，那就是光刻机的极限分辨率。
公式中的CD指晶体管的特征尺寸，代表着极限分辨率下的最小线宽。λ则代表光刻机使用光源的波长；NA（Numerical Aperture）则是光学器件的数值孔径，描述了它们能够收集光的角度范围；K1包含了光学临近效应，包括光刻胶成分或者光刻机温度的控制等，是众多其他影响因子的汇总，这和使用方芯片制造公司的“手艺”有密切关系，不同的公司，这门“手艺”水平差距巨大。
数学好的同学一眼就看出来，想要得到更小的CD，就从这几个参数入手，缩小λ即光刻机的波长，增大NA数值孔径，或者是缩小K1的影响力（提高使用者“手艺”水平）。
于是光刻机的波长一路降低，从早期的高压汞灯G线436nm，I线365nm，再到准分子激光器DUV KrF 248nm和ArF 193nm，最终到现在的极紫外EUV 13.5nm。而NA数值孔径和光刻机投影系统的设计有密切关系，如今也变得越来越复杂。
对于ASML而言，K1是客户端的事，没有办法把控，能做的就在公式中的λ光刻机波长和投影系统的数值孔径NA这两个参数上做文章，从而不断挑战技术高峰，把光刻机的分辨率推向极致。
纳米级的精确定位
瑞利判决公式虽然一看就明白，但是这只是理论公式，想要造出一台先进的光刻机有无数的难题等着解决。 这是一场人类与物理极限的一场战斗，代表着人类科学技术的巅峰。
首先从光刻机光源系统出来的光线是需要进行一些“加工”的。光刻机的曝光过程，并不是像闪光灯一样，“咔嚓”一下就完了，而是和扫描仪一样，一条光束从一段扫到另外一端，以来回扫描的方式将掩膜版图形投影成像到晶圆上。所以现代光刻机都是Scanner扫描式的，“咔嚓”式的也有，比如早期光刻机。
“咔嚓”式的需要一个大的均匀面光源，Scanner只需要1个均匀条光源。相比之下“咔嚓”式在更小精度下，边缘会出现曝光不均性的问题，于是“咔嚓”式的就被慢慢淘汰了，再早的接触式光刻机和现在炒的火热的纳米压印，更像“啪叽”式，纳米压印虽然能实现很小的精度，但是产能效率太低，而且没法做到复杂图形的曝光，和现在投影式光刻机技术上还有有很大的鸿沟。
其中镜头组是固定的，要想形成扫描效果，必须靠底下承载硅片的双工件台来回运动实现。因此双工件台的运动速度，定位精度，运行稳定性至关重要，这将影响整个光刻机的性能和效率，进而影响芯片制造公司的产能效率以及产品良率，最终变成账面上一个个冷冰冰的财务数据。运行不稳定，效果不好的设备不得让客户抓狂，还怎么让客户赚钱？不能赚钱怎么买你家设备？ASML的光刻机系统稳定运行的效率保持在98%以上，也就是说一年最多7天时间会出现错误，平均52天一次,事实上很多光刻机一年就几次error，研发人员们运用各种技术力求把出错的概率降到最低。
光刻机有个非常重要的参数——Overlay,套刻精度，也就是光刻机的对准精度，目前已经是纳米级的精度。以NXT 1980Di为例，官方给的参数是OPO≤1.0nm，DCO≤1.6nm，MMO≤2.5nm，其中OPO是On Product Overlay的意思，产品上的套刻精度，因为芯片制造工艺有点类似盖楼的过程，相当于上次曝光和现在的对齐精度，这个精度是1nm以内。
DCO是Dedicate Chuck Overlay的缩写,相当于同一台设备自己套自己的精度，这个是1.6nm以内。
MMO是Mix-and-Match Overlay的缩写，相当于不同设备之间的套刻精度，这个可以做到小于2.5nm。
要知道这样的精度是在双工件台瞬间急加速然后瞬间急停下达到的。如果按照瞬间的加速度算，已经超过火箭发射升空的速度，而且还需要在下一刻精准的停在位置上，不能出现任何差错，因为这种速度下任何差错都没办法弥补。错了虽然不至于整片晶圆报废只能重来，但是这样差错多几次，赶紧跑路吧，工程师直接提着40米大刀来砍人了。双工件台就这样加速-急停-加速-急停，不断重复这一过程，同时保持长期稳定工作的状态。
一片晶圆上需要曝光多达数百个单元（Field），而先进的光刻机一个小时能曝光超过300片硅晶圆，同时保证每一次曝光量都是相同的。假设一片12英寸晶圆上有300个单元面积需要曝光，那么相当于一天曝光2160000次，一年788400000次，双工件台以及整个设备的稳定性和效果一致性是个巨大的考验， 也许这些数字并不能让你觉得什么，但是细想之后这些数字的所代表技术含量确实令人震撼。以前有人曾形象比喻，相当于两架高速飞行的飞机，其中一人拿出刀在另外一架飞机米粒大小的面积上刻字。
这种精密动作到令人发指的机器想要保持7*24小时稳定工作，是工程学上最困难的挑战，有无数技术高峰需要跨越。之前国内号称某某实验室能做到几纳米，一大堆人吹捧超越ASML指日可待，要知道实验室设备刻两条直线到商用设备全天候稳定运行曝光复杂图形之间可谓是天堑之别。
光刻机极其变态的精度，以及长期稳定工作的状态，都离不开双工件台，这背后就是ASML称霸江湖多年的绝技。
最大最精细的单反
之所以叫全世界最大最精细的单反，就是因为光刻机有着极其复杂的微缩投影系统——物镜系统，从原理上讲和单反镜头差不多。
在物镜系统的上一端是掩膜板，下面就是承载硅片的双工件台。物镜系统就是把光照射下来的掩膜板图形等比例缩小，并精确投影到硅片上，同时必须矫正到0没有图形畸变，像质在衍射极限以内。
矫正到0，没有畸变是多么困难的事啊，光是最难掌控的家伙，任何偏差都会导致最终图像的偏离。
光线穿过任何透镜，都不可避免会因为折射率，透光率的问题，使得图形变形，出现各种像差或者聚焦不准等各种偏差，这对于芯片制造工艺的纳米级精度而言是无法容忍的，要尽可能的缩小这种误差，才能把掩膜板图形精确缩小投影。
瑞利判据公式中的NA数值孔径这个参数，便是对物镜系统的设计水平和制造水平的一次巨大的挑战。
从原理上讲，数值孔径是一个无量纲的数字，也就是说它是没有单位的，它只是一个用以衡量光学系统能收集的光的角度，这也决定了镜头收光能力和空间分辨率，公式就是NA=n*Sinθ。
来帮各位回忆下初中物理。
n1*sinθ1= n2*sinθ2
这里的θ是指镜片的最大收光角度，θ越大，镜片的收光能力就越强，数值孔径NA就越大，θ也不能做到无限大，光掩膜上的线宽越小散射角越大，θ太大成像所需的正负一阶光是没有办法被镜头收集并成像，因此θ大小非常关键。
有人问：要更大的NA，直接上一个更大直径的镜片不就行了？
不行，还要考虑到镜片的色差和像差问题，这些会导致光学系统中的各种缺陷。其次， 色差是不同颜色的光在透镜中的折射程度不同，无法在同一距离会聚成像，像差的种类就更多了，比如球面像差、场弯曲、像散、畸变、彗差，以及各种高阶像差。
20 世纪中期，荷兰诺贝尔物理学奖获得者弗里茨.泽尼克提出了“泽尼克多项式”。借助泽尼克多项式，可以一直观察到第n阶像差，随着阶数的递增，会出现更多与角频率相关的像差现象，这些统称为高阶像差。
（各位可以回想一下你手忙脚乱地调节投影仪各种弯曲画面以及老板们紧锁的眉头）
单一镜面凸透镜，因为边缘和中心的折射能力不同，导致对应焦点有长有短，所以需要凹凸透镜组合在一起来抵消单片镜的色差与球面像差，这也是1817年高斯镜诞生原理。
1817高斯结构；1888双高斯结构；1896蔡司双高斯结构；1920非对称双高斯结构
这个高斯，就是那个速算1加到100的天才小学生，让学渣们恨之入骨的家伙之一。
有人说为什么人眼晶状体也就一个相当于凸透镜，看东西很清晰啊，没有什么误差呢？人的眼睛也是简单的球面，但是我们不仅有神经和肌肉可以精确控制晶状体的形变，让它自动变焦，更有一个有着超强修正能力的大脑给接受的视觉信息做补偿，保证我们看东西不模糊，这个叫脑补。
但是光刻机没有这么智能且犀利的大脑啊！于是光刻机的物镜里加入各种各样的凸透镜，凹透镜，非球面镜等，运用各种透镜组合，力求把球差，彗差，像散等各种光学缺陷误差消除。
随着曝光分辨率越来越小，NA越来越大，投影要求不断提高，物镜系统的复杂程度开始一路狂飙，整个物镜系统的光路越来越复杂。
对于相机而言，6片普拉纳型镜头结构已经很好，对于光刻机而言为了追上摩尔定律，实现更小的CD，物镜系统就需要不断增加镜片，分摊曲率，提升总体结构的对称性，不断缩小镜头的光学误差，才能提高分辨率和成像质量。
在DUV研发中，早期ASML使用了18P结构，到现在高端型号光刻机高达29P，于是你看现在一米多高，一吨多重的光刻机镜头。 实物是这样的。
与光的战斗
为了实现这极其变态的缩影要求，蔡司光学设计大牛们，经过反复的理论计算，最终设计了这种准对称双高斯光路结构来保证畸变和像质。
从理论上来讲，光路的理论计算和设计并不是最难的，最难的是根据理论设计要求，把这样的镜片造出来，并把他们严丝合缝的安装到一起。这无论是镜片材料的制造，还是超高面型精度镜片加工，还是整个镜头组的定心安装，都是巨大的挑战，更别提物镜系统中还有各种各样的非球面镜，加工难度更是难于登天。
蔡司曾比喻，如果镜片的面积有德国这么大，那么高低误差不到1cm，只有这样的镜片，才能诞生了全人类最精细的光线。
把如此多的镜片进行定心安装，这对于工艺还有量测设备又是一次超高难度的挑战。分辨率实在是太小了，任何瑕疵都会造成最终投影效果的极大误差，与理论设计相去甚远。
物镜系统难就难在这里，设计是小事，工艺实现才是重点。
在使用过程中，193nm波长的深紫外光波长已经非常短了，如此短波长的光线每次穿过透光性再高的材料时候，依然会有部分能量被吸收，这部分损失的能量并不会消失，而是积累在镜片上，因此镜片的会因为长期工作积累热量而导致变形，最终导致曝光焦距和场曲出现变化，影响光刻的良率，这当然是不能忍受的，要是知道光刻机要变成印钞机，就必须保证工作中极强的稳定性，以及投影效果的一致性。
因此为了保证长期工作下积累的热量不影响投影效果，不仅镜片上会有特殊的涂层，物镜外部还加上各种冷却系统，系统上还需要配备热效应仿真软件，进行实时校准功能，及时调整镜片的位置和形变来进行校准和补偿。因此部分镜片做成可以沿着轴向移动的部件，可以实时检测并微调镜片之间的距离，来补偿其他成像误差，保证最终投影的焦点，始终精准落在硅片表面，形成清晰的图像。
在光学检测领域也有一家公司也叫爱马仕（Hermes Microvision，HMI中文名汉民微测），这家“光学爱马仕”在2016年的时候被ASML收购了。
有了它，ASML实现光刻“三板斧”，计算光刻，光刻，量测。所以ASML并不是简单的光刻机制造商而是图形化解决方案供应商！
OPC光学修正：红色表示未修正，黄色表示修正之后
ASML收购了Brion(睿初科技)有了计算光刻OPC（光学临近修正）能力；光刻，ASML自己有光刻机；量测方面有ASML Yieldstar和HMI ebeam的相关设备。
因为有了在线量测技术，ASML做出了TWINSCAN系统(双工件台)，可以做到一边做量测准备工作，一边做曝光，系统效率大幅上升。尼康受制于专利和技术，一直是单件台方案，量测曝光同时在一片硅片上进行，结果在竞争中一落千丈。
三管齐下，最终ASML变成集成电路图形化工艺解决方案供应商。
前文提到Overlay套刻精度只是狭义的精度概念，实际上还有广义概念。
当工艺要求进入1nm的时候，就不仅仅是重复的套刻精度问题了，因为每颗镜头都不一样，就像人脸，广义上眼睛鼻子嘴巴大家都差不多，其实每人长得都不一样，再好的工艺生产出来的透镜也不可能完全一致，在纳米级精度上就有明显的差异。
前一层在A透镜上做的，下一层的在B透镜上做，天差地别。就像每个人的指纹一样，差别是巨大的。
所以Overlay的参照物是什么就很重要了。自己对自己当然不用考虑自己是不是歪瓜劣枣，两张照片叠一起互相抵消的，但是当你要处理一堆不同机器的时候就是个巨大的问题。
所以，其实ASML的广义Overlay是相对于完美数学模型的差异，每台设备工具都是参照同一个完美数学模型。这样才能最小化每台设备之间的差异，无论高阶低价工艺，效果都一样。
到了高端制程节点，高阶Overlay带来的问题比低价多得多，需要更变态的控制算法来弥补的。所以，量测工具设备才会越来越重要，越来越贵，因为技术要求是几何级数增长的，这已经不是物理层面的了，而是数学层面的概念了，需要提前算好高阶量化参数。
ASML的先进光刻机的目标，是泽尼克多项式8阶！要消除8阶像差！而核心奥秘就是ASML的量测“三板斧”。
曾经说个说法：ASML开放图纸，中国就能把光刻机造出来，我就在想中国是否还有第二家公司有蔡司相同的制造水平，能提供这样精密的镜头组？是否有ASML双工件台这样超强的精度和稳定性？是否有媲美ASML的控制软件？（光刻机软件的代码比window10代码更庞大），是否有类似ASML的过程控制量测工具设备，精确的控制每一次光刻，消除不同设备的差异？
显然就目前而言，中国的光刻机从设计到工艺实现，还有很长很长的路要走。
| 
219
发表于 2022-7-4 14:13:51
