一说起芯片制造，就离不开光刻机。我们都知道光刻机很高端，很昂贵，很难制造，现在还知道它很难买到。那么，光刻机到底是个什么东西？有没有什么替代方案呢？

EUV，为什么大家都想要？

        芯片是通过在硅片上刻画电路，来实现特殊功能的。光刻机就是这种在硅片上刻画电路的工具。具体来说，刻画电路的过程是通过曝光来完成，光刻机就是一种曝光设备。

        随着芯片制程工艺的不断精细，对光刻机的要求也不断增加。国内并不是没有光刻机，现有的光刻机使用的半导体材料是氟化氩。而光刻机使用的材料，其波长越短，能够刻画的电路就越精细，制程工艺也就越小。氟化氩的光波长有193nm，在某种方式下可以完成7nm制程工艺的电路刻画，但要想更加精细，就非常困难了。所以，国内的芯片厂家7nm以上制程工艺的芯片是可以生产的，但要想继续精细制程工艺，就没有办法了。这也是为什么中芯国际一直想要采购荷兰阿斯麦尔（ASML，全称ASML Holding N.V）生产的光刻机的原因。

        说到ASML生产的光刻机，其实它的名字是叫EUV。国内很多人把光刻机和EUV等同起来，其实EUV只是光刻机里面的一种。EUV，又叫做极紫外线光刻机，这种光刻机只有ASML能够生产。

        EUV采用的半导体材料波长很短，只有13.5nm，因此可以实现5nm以下的电路刻画。全球半导体芯片企业，只要想生产先进制程工艺（7nm以下）的芯片，就必须采购EUV。但是，目前ASML在全球只给三家半导体芯片企业供货，那就是台积电、三星和英特尔。

        EUV每年的量产数量非常少，一年总共也就只能生产十几台。主要还是因为EUV的生产难度太大了。一台EUV设备的重量将近180吨，相当于100辆中型SUV的重量，高度可以达到5米，用到零部件差不多有10万个。更困难的是，EUV的曝光需要在真空室内完成，因此必须保证以0.005℃为单位来控制温度的变化。此外，EUV的光学系统对污染物尤其敏感，必须对其内部进行实时监控。所以，即使掌握了所有的技术，生产一台EUV也并不容易。

        今年，ASML的EUV采购数量有40台，所有的都是为台积电、三星和英特尔提供，能不能全部顺利交货，还不好说。EUV也逐渐成为了ASML的主营业务，营收占比从2019年的31%，上涨到2020年的43%，到今年肯定已经超过了50%。

EUV对光学镜头要求非常高

        EUV采用的半导体材料决定了它可以进行5nm以下的精细刻画，具备了这个条件，不代表就能实现这个操作，因为它还需要能看到那么精细的部位，这就关乎到到使用的镜头和反射镜。

        镜头和反射镜的分辨率直接影响EUV能不能看的清楚的问题。分辨率是与镜头像差（NA）成正比的。正是因为镜头和反射镜如此关键，ASML才入股了光学镜头公司卡尔·蔡司。

        现在EUV设备的NA值是0.33，ASML正计划将下一代EUV的NA值提高到0.55，这就是所谓的高NA。高NA可以更好的减少光失真，是实现更精细化电路刻画的必要因素。ASML的高NA EUV原型设备有望在2023年推出，这将为ASML抢占未来的高端市场奠定基础。

无EUV尝试

        EUV的单价非常高，一台就超过1亿美元，关键是人家还不一定卖给你。所以，半导体芯片企业一直在寻找EUV的替代方案。目前，有一定讨论价值的是定向自组装（DSA）技术、等离子激光技术和纳米压印光刻（NIL）技术。

        定向自组装（DSA）技术通过将不同特性的聚合物，合成为一个分子，然后将其涂抹在晶圆上，再经过加热来对晶圆进行刻画，也可以获得非常精细的图案。

定向自组装光刻（Directed Self-Assembly ，DSA）

        等离子激光技术不需要掩模，可以随意改变芯片的电路图案，但是它达不到EUV的效果。

        纳米压印光刻（NIL）技术是在一个特殊的“印章”上，先刻上纳米电路图案，然后再将电路图案“压印”在晶圆上，就像盖章一样。目前，NIL被当作一种刻画32nm以下工艺芯片电路的替代方法。由于NIL没有镜头，相比EUV要更加经济。

        总的来说，等离子激光技术效果达不到EUV的水平，DSA的技术方案没有NIL先进，所以，NIL是一个更加被看好的赛道。

NIL---不止一点像印刷术

        为什么说NIL不止一点像印刷术，因为它也是由一位华裔科学家（周郁，Stephen Chou）首次提出来的。由于NIL采用的是机械复制，可以排除光学衍射的影响，理论上可以实现比光刻更高的分辨率，而且它的成本比EUV要低很多。

        根据顶点资讯统计的数据，目前，NIL设备使用的年复合增长率马上将超过20%，预计到2024年，NIL设备的产值将达到1.5亿美元左右。

        当下，NIL设备的主要应用范围包括3D传感器、增强现实和数据通讯中的光学元器件。存储器厂商也发现了NIL技术的亮点，尤其是在20nm制程工艺以下，成本比光刻机降低了不少。

NIL量产技术问世

        经过4年的研发，大日本印刷株式会社（DNP）电子部门、光学相机厂商佳能和存储器设备厂商铠侠（Kioxia）相继推出了NIL量产技术。

        目前，Kioxia已经将NIL技术应用到了15nm NAND闪存器上，并有望在2025年推出应用NIL技术的5nm芯片。Kioxia表示，NIL设备相比EUV可以降低90%的能耗，同时转化率更好，而且NIL设备的成本更低，研发成本比EUV降低了60%。

        不过，业内人士也表示，NIL技术的确可以应用到5nm制程工艺，但可能更适合3D堆叠的NAND芯片，能够推而广之还有待市场验证。

        好消息是，佳能正在尝试将NIL技术应用到DRAM和CPU等逻辑芯片上。未来的发展如何，我们拭目以待。