所谓“28nm光刻机”究竟是何物？造全球60%芯片，ASML卖出1400台

最近，DUV光刻机的话题再度火热，“28nm光刻机”再度映入眼帘，

那么，DUV光刻机在现在有怎样的地位？

DUV光刻又是什么原理？

其发展又经历了怎样的过程？

以及最后一个问题，

所谓“28nm光刻机”的说法在行业内并不存在，那么它究竟是何物？

DUV光刻机现在有怎样的地位？

根据最近ASML第二季度财报，ASML订单量创下历史新高，净利润同比增长36%，环比增长103%的良好业绩，虽然EUV光刻机功不可没，但是DUV依旧在ASML的营收中占比超过50%。

仅在第二季度，ASML就售出DUV光刻机79台，收入21.5亿欧元，比EUV营收所得还多出6000万欧元。

并且，EUV交付周期长，价格贵，实际出货量仅有12台，是DUV的七分之一。

从2012年至今，ASML已经出货1400台DUV光刻机，对应两代技术，共计9个型号。

客户遍布北美、亚洲、欧洲，这些光刻机可支持的制程工艺覆盖上至130nm，下至7nm制程。目前世界上有60%以上的芯片使用DUV光刻工艺制造，无论逻辑芯片还是存储芯片，DUV都是中流砥柱。

DUV光刻又是什么原理？

无论DUV或者EUV光刻机，都采用了掩膜对准投影式曝光的技术路线，很多科普文章习惯用照相机来比喻光刻机系统，但是按照光刻机系统和子系统的结构，以胶片电影放映机来类比似乎更加通俗。

电影放映机系统由光源、聚光镜、胶片和物镜以及电影荧幕组成，光源发出可见光通过聚光调整为合适的平行光，透过胶片形成图案，再由物镜放大之后，投影到荧幕上。

光刻机同样也有光源，只不过ArF光刻机使用的是193nm的DUV光源，随后通过各种复杂的透镜模组照射到“胶片”上形成图案，只不过光刻过程的所谓“胶片”在行业叫做“掩膜版”，随后通过物镜系统把图案缩小，投影到涂有光刻胶的硅晶圆上。

光刻机和放映机在原理上的最大不同在于，放映机是放大图案，而光刻机是缩小图案（通常缩小到面积的25%左右），所以台积电有时候会把光刻机称作微影系统，或者微影机。

再者，为什么会采用这个如此奇怪的193nm波长，而不是使用整数？

这是因为光刻机光源必须把波长限制在极窄的频谱之内，满足该条件的只有激光，而ArF代表的就是氟化氩气体激光器，这种激光器可以发出足够纯净的193nm光源。

既然搞清楚了193nm，这就引出了下一个问题。193nm光源的光刻机覆盖了130nm到7nm，按理说，就算是光刻机厂商再努力，193nm的物理极限应该也就在65nm制程左右，193nm光线为何有如此神奇力量， 能够一路披荆斩棘下探到7nm。

很多人都听说过湿法光刻这个词汇，湿法光刻是因光刻过程中需要用到超纯水而得名，也就是所谓的浸润式光刻机。

ArF浸润式光刻机发展又经历了怎样的过程？

2002年，佳能、尼康被锁死在65nm，无法突破下一代节点，所以改变光源成了当时这两家日本大厂的最后手段。

佳能、尼康欲将193nm光源换成157nm光源，后果也显而易见，牵一发而动全身。原本在193nm上使用的合成石英玻璃镜片，会大量吸收157nm光线，物镜系统、掩膜版材料都需要改朝换代，研发成本高、难度大，佳能、尼康在157nm波长苦苦求索而不得解。

2002年召开的国际光电学会技术研讨会，却改变了这一切。

当时，佳能、尼康仍在坚持157nm光源，但是随后一个台积电工程师的发言，彻底改变了整个研讨会的方向。

工程师林本坚拿出了构思20年的思路，他认为，未来光刻工艺的发展必然不是在157nm上发力，而是通过浸润式光刻，直接把193nm波长光线通过水的折射直接降低到134nm，一举突破65nm制程，此言一出，满堂震惊。

所有人全部睁大眼睛，把157nm丢到一边，开始讨论134nm的可能性。

随后，当时台积电的副总裁蒋尚义不但没限制林本坚，反倒是大力支持浸润式光刻的设想，随后台积电找到了一家荷兰小公司——ASML。

前面提到，ASML在光刻机市场独领风骚，但是在2002年时候，ASML市场份额拢共加起来也不到20%，当时的台积电地位也远不如现在，年营收刚刚超过50亿美元，进入全球半导体排行榜的前十名，但如果还是仰赖佳能、尼康供货，台积电永无翻身之日。

所以台积电找到ASML，是两个极其渴望上位夺冠的人，走到了一起，随后产生的化学反应，也改变了世界光刻机的格局。

荷兰小厂发现，林本坚属实是个高人，外界提出的质疑他都能见招拆招，这套理论有戏，浸润式光刻，必须干！

台积电成为了ASML深度合作伙伴，在2003年推出了193nm浸润式光刻机。也是因为台积电林本坚团队的努力，确立了ASML采用高度外包的商业模式，90%的零件来自外部供应商，而自己则专注客户需求和系统整合。

从侧面也能够看出，深受国际芯片大厂喜爱的台积电，并不是单纯的代工厂，而是让ASML走上神坛的狠角色。

所谓“28nm光刻机”是何物？

首先，需要明确一点，关于“28nm光刻机”的说法不严谨，虽然很多人这么叫，其实际指的是可以被用于28nm芯片制造的光刻机，现在终于可以给出一个明确定义：

采用193nm氟化氩激光器作为光源使用掩膜版微缩投影技术结合浸润系统实现134nm光刻。

以上，所谓“28nm光刻机”即是193nm浸润式光刻机。

不过，这种光刻机的极限远不止28nm工艺制程，从工程实践应用上来看，已经可以量产7nm制程。

如果可以克服重重困难，进一步优化光刻机结构，提高孔径数值和分辨率，以及换用更高折射率的介质，解决成本和良率问题，DUV光刻的极限则在5nm左右。

另外，光刻工艺远不止前所述如此简单，中间涉及到多个工艺环节，包括掩膜版的制造，多重曝光的对准技术，这些技术同样仍有潜力可挖掘，在逐渐演进制程节点的同时，提高产量和良率，对于芯片制造来说也同样重要。