光刻机是近来大家都很关注的一个话题。美国为了减慢中国的发展速度，在光刻机领域对中国进行了限制--几年前中芯国际就像荷兰ASML订购的EUV光刻机，到现在都无法到货，为的就是阻止中国实现7nm以下芯片的生产能力。
位于荷兰Veldhoven的ASML总部
佰思科学通过一系列的动图，向大家详细解释，最先进的EUV光刻机是如何进行工作的。在本文末尾还有一个完整视频，欢迎大家观看。
在详细讲解EUV光刻机之前，我们先给大家介绍一些光刻机有关的基础知识。
英特尔i7芯片内部线路图
芯片在设计出来之后，得到的是线路图。芯片加工厂先根据线路图制成很多的光掩膜，英文叫mask或reticle，再把光掩膜上面的图案投射到晶圆上面。晶圆由高纯度的硅制成，晶圆曝光后，再经过刻蚀、掺杂等步骤，以上流程再重复很多次，才能生产出裸片，英文叫做die。裸片测试合格后封装为芯片。关于芯片生产的详细过程，佰思科学之前有专文论述。
晶圆（a）和裸片（b）
光刻机的作用，就是把光掩膜图案映射到晶圆上。光刻机是整个芯片生产流程中最为复杂的设备，也是中国与世界先进水平相差最大的设备。目前国际最先进的芯片生产工艺是台积电的5nm工艺，使用的是荷兰ASML的EUV光刻机。而中国国产设备，上海微电子最先进的光刻机是90nm的DUV光刻机。中芯国际目前正努力到年底实现40nm全国产生产线投产。由此可见，中国芯片生产工艺与国际先进水平差距是多么的巨大。
光谱
何谓DUV光刻机和EUV光刻机呢？学过物理学的朋友们都知道，人眼可见光的波长范围大致在400nm到700nm之间（不同人的可见光范围不同）。波长小于400nm的就是紫外光，而波长在100nm到200nm之间的紫外光又被称作深紫外光，Deep Ultraviolet，即DUV；波长在100nm到10nm之间的紫外光被称为极紫外光，Extreme Ultraviolet，即EUV。
ASML的DUV光刻机
DUV光刻机使用的紫外光波长是193nm，而EUV光刻机使用的是13.5nm。紫外光波长越短，其分辨率就越高。就好像你画画的笔尖越细，才能画出更精细的线条一样。DUV光刻机的工艺极限是7nm，如果再低的话产品良率过低经济上不划算。因此，要实现7nm以下的工艺，必须采用EUV光刻机。全世界只有ASML能生产EUV光刻机。中国目前还能买到ASML的DUV光刻机，但买不到EUV光刻机。倒不是ASML不想卖，是美国不准交付。
光刻机由三大核心部件组成，分别是：光源、镜头系统、机台。让我们分别做一下介绍。
ASML的EUV光刻机内部
首先说一下光源。要生成13.5nm的极紫外光并不是一件简单的事情。在具体实现的时候，是通过一束激光轰击锡（tin）液滴。在轰击的瞬间，锡液滴会气化电离，形成等离子体，并释放出波长为13.5nm的极紫外光。为了得到持续的EUV输出，这样的轰击每秒钟要进行50,000次之多。可想而知，锡液滴的生成和激光的轰击，都需要极高的精确度。
激光轰击锡液滴生成EUV光（动图）
这个激光源的生成系统极为复杂。为ASML提供CO2脉冲激光源的是德国的Trumpf，成立于1923年，总部位于德国的Ditzingen。看到Trumpf这几个字你可能好奇，和特朗普的名字Trump就差一个字母。其实现任美国总统特朗普的爷爷从德国移民到美国谋生的时候，用的就是Trumpf这个德语拼法，后来才改成符合英文拼写习惯的Trump。
激光源系统
EUV光发射出来后，进入镜头系统，这是光刻机第二个核心部件。ASML光刻机镜头一直由德国蔡司提供。与DUV光刻机不同的是，EUV光刻机使用一系列反射镜，而不是透镜。下图是DUV光刻的透镜系统。
DUV光刻机的透镜系统
下图是EUV光刻机的反射镜系统。
EUV光刻机镜头系统（动图）
为什么EUV光刻机要用反射镜呢？这是因为13.5nm的EUV光极易被吸收，如果使用透镜的话，大部分EUV会被透镜吸收，没多少能留给芯片曝光用了。因此EUV光刻机中使用了布拉格反射镜（Bragg mirror），这样大部分的EUV光才能到达晶圆那里。英国科学家布拉格父子在1913年发现了著名的布拉格反射定律，并因此而获得了诺贝尔物理学奖。关于布拉格父子，佰思科学有专门文章和视频进行了介绍。
EUV光被投射到光掩膜上再被反射（动图）
EUV光先被反射到光掩膜（reticle）上面，见上图。光掩膜上面刻画了芯片的图案。当EUV光打到光掩膜，反射的EUV光就带有了光掩膜上面的图案信息。
光掩膜
光掩膜通常由电子束在玻璃上刻画而成，而且光掩膜的大小要比芯片的尺寸来得大，因此还需要后面的镜头系统缩小到合适大小之后再投影到芯片上，实现曝光。在每块晶圆上有很多芯片需要曝光，因此承载晶圆的工件台必须快速移动，完成不同位置芯片的曝光。工件台移动的精度必须非常高，否则差一点点就会让芯片曝光失败，从而导致良率的降低。
EUV光刻机的机台（动图）
在机台上有两个移动的工件台，一个用于检测晶圆，为曝光做准备，另外一个在进行曝光。这样双工件台的结构为的是提升效率。晶圆在曝光完成之后，被移出工件台进入下一步工序，见下图。ASML的机台由德国西门子提供。
曝光完成（动图）
看完上述流程想必大家都明白了，从概念上来说光刻机也没多复杂，无非是把掩膜图案在晶圆上曝光。但光刻机确实难做，难就难在需要高精密的机械和光学技术。比如激光需要准确地轰击锡液滴，而且每秒要５万次。再有，反射镜必须非常完美地配合，否则一点点偏差都会产生错误。最后，机台的配合还要天衣无缝。所有这些的精度要求都是纳米级别，可想而知这难度有多大。这也是为什么ASML座落于欧洲，因为德国拥有高精密的机械与光学技术，提供了最多的核心部件。
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EUV光刻机是怎么工作的
光刻机是近来大家都很关注的一个话题。美国为了减慢中国的发展速度，在光刻机领域对中国进行了限制--几年前中芯国际就像荷兰ASML订购的EUV光刻机，到现在都无法到货，为的就是阻止中国实现7nm以下芯片的生产能力。
位于荷兰Veldhoven的ASML总部
佰思科学通过一系列的动图，向大家详细解释，最先进的EUV光刻机是如何进行工作的。在本文末尾还有一个完整视频，欢迎大家观看。
在详细讲解EUV光刻机之前，我们先给大家介绍一些光刻机有关的基础知识。
英特尔i7芯片内部线路图
芯片在设计出来之后，得到的是线路图。芯片加工厂先根据线路图制成很多的光掩膜，英文叫mask或reticle，再把光掩膜上面的图案投射到晶圆上面。晶圆由高纯度的硅制成，晶圆曝光后，再经过刻蚀、掺杂等步骤，以上流程再重复很多次，才能生产出裸片，英文叫做die。裸片测试合格后封装为芯片。关于芯片生产的详细过程，佰思科学之前有专文论述。
晶圆（a）和裸片（b）
光刻机的作用，就是把光掩膜图案映射到晶圆上。光刻机是整个芯片生产流程中最为复杂的设备，也是中国与世界先进水平相差最大的设备。目前国际最先进的芯片生产工艺是台积电的5nm工艺，使用的是荷兰ASML的EUV光刻机。而中国国产设备，上海微电子最先进的光刻机是90nm的DUV光刻机。中芯国际目前正努力到年底实现40nm全国产生产线投产。由此可见，中国芯片生产工艺与国际先进水平差距是多么的巨大。
光谱
何谓DUV光刻机和EUV光刻机呢？学过物理学的朋友们都知道，人眼可见光的波长范围大致在400nm到700nm之间（不同人的可见光范围不同）。波长小于400nm的就是紫外光，而波长在100nm到200nm之间的紫外光又被称作深紫外光，Deep Ultraviolet，即DUV；波长在100nm到10nm之间的紫外光被称为极紫外光，Extreme Ultraviolet，即EUV。
ASML的DUV光刻机
DUV光刻机使用的紫外光波长是193nm，而EUV光刻机使用的是13.5nm。紫外光波长越短，其分辨率就越高。就好像你画画的笔尖越细，才能画出更精细的线条一样。DUV光刻机的工艺极限是7nm，如果再低的话产品良率过低经济上不划算。因此，要实现7nm以下的工艺，必须采用EUV光刻机。全世界只有ASML能生产EUV光刻机。中国目前还能买到ASML的DUV光刻机，但买不到EUV光刻机。倒不是ASML不想卖，是美国不准交付。
光刻机由三大核心部件组成，分别是：光源、镜头系统、机台。让我们分别做一下介绍。
ASML的EUV光刻机内部
首先说一下光源。要生成13.5nm的极紫外光并不是一件简单的事情。在具体实现的时候，是通过一束激光轰击锡（tin）液滴。在轰击的瞬间，锡液滴会气化电离，形成等离子体，并释放出波长为13.5nm的极紫外光。为了得到持续的EUV输出，这样的轰击每秒钟要进行50,000次之多。可想而知，锡液滴的生成和激光的轰击，都需要极高的精确度。
激光轰击锡液滴生成EUV光（动图）
这个激光源的生成系统极为复杂。为ASML提供CO2脉冲激光源的是德国的Trumpf，成立于1923年，总部位于德国的Ditzingen。看到Trumpf这几个字你可能好奇，和特朗普的名字Trump就差一个字母。其实现任美国总统特朗普的爷爷从德国移民到美国谋生的时候，用的就是Trumpf这个德语拼法，后来才改成符合英文拼写习惯的Trump。
激光源系统
EUV光发射出来后，进入镜头系统，这是光刻机第二个核心部件。ASML光刻机镜头一直由德国蔡司提供。与DUV光刻机不同的是，EUV光刻机使用一系列反射镜，而不是透镜。下图是DUV光刻的透镜系统。
DUV光刻机的透镜系统
下图是EUV光刻机的反射镜系统。
EUV光刻机镜头系统（动图）
为什么EUV光刻机要用反射镜呢？这是因为13.5nm的EUV光极易被吸收，如果使用透镜的话，大部分EUV会被透镜吸收，没多少能留给芯片曝光用了。因此EUV光刻机中使用了布拉格反射镜（Bragg mirror），这样大部分的EUV光才能到达晶圆那里。英国科学家布拉格父子在1913年发现了著名的布拉格反射定律，并因此而获得了诺贝尔物理学奖。关于布拉格父子，佰思科学有专门文章和视频进行了介绍。
EUV光被投射到光掩膜上再被反射（动图）
EUV光先被反射到光掩膜（reticle）上面，见上图。光掩膜上面刻画了芯片的图案。当EUV光打到光掩膜，反射的EUV光就带有了光掩膜上面的图案信息。
光掩膜
光掩膜通常由电子束在玻璃上刻画而成，而且光掩膜的大小要比芯片的尺寸来得大，因此还需要后面的镜头系统缩小到合适大小之后再投影到芯片上，实现曝光。在每块晶圆上有很多芯片需要曝光，因此承载晶圆的工件台必须快速移动，完成不同位置芯片的曝光。工件台移动的精度必须非常高，否则差一点点就会让芯片曝光失败，从而导致良率的降低。
EUV光刻机的机台（动图）
在机台上有两个移动的工件台，一个用于检测晶圆，为曝光做准备，另外一个在进行曝光。这样双工件台的结构为的是提升效率。晶圆在曝光完成之后，被移出工件台进入下一步工序，见下图。ASML的机台由德国西门子提供。
曝光完成（动图）
看完上述流程想必大家都明白了，从概念上来说光刻机也没多复杂，无非是把掩膜图案在晶圆上曝光。但光刻机确实难做，难就难在需要高精密的机械和光学技术。比如激光需要准确地轰击锡液滴，而且每秒要５万次。再有，反射镜必须非常完美地配合，否则一点点偏差都会产生错误。最后，机台的配合还要天衣无缝。所有这些的精度要求都是纳米级别，可想而知这难度有多大。这也是为什么ASML座落于欧洲，因为德国拥有高精密的机械与光学技术，提供了最多的核心部件。
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