2018年是蔡司涉足半導體領域50周年，自1968年第一次為電路板曝光設備提供鏡頭以來，使用蔡司半導體製造技術（Semiconductor Manufacturing Technology）能夠達到的製程工藝尺寸已經縮小了三個量級。在位於德國Oberkochen的蔡司半導體事業部總部，蔡司與贊助商以及合作夥伴舉行了主題為 「助力半導體領域發展50年」 的慶祝活動，回顧了過往取得的輝煌成就並就將來的發展合作戰略進行了討論。與上半年國內鬧得沸沸揚揚的 「中興事件」 引起的廣泛輿論關注相比，蔡司半導體在國內可謂非常低調和神秘，殊不知在高端晶元製造領域，有80%都是使用先進的蔡司半導體製造技術。今天就讓我們來揭開這個半導體領域低調貴族的神秘面紗。

晶元製造的命脈-光刻機

在半導體領域，有一條著名的描述半導體製程工藝演化的經驗定律叫做摩爾定律，它指的是在價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數目，約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍，這意味著製程工藝每兩年就要縮小一倍。最近幾年這條發展曲線已經明顯放緩，這其中主要的因素就是新一代光刻機的研發進展不能達到預期。晶元製造所使用的光刻（Photolithography）工藝指的是使用光學投影的方式將設計好的集成電路結構（圖案）投影到均勻覆蓋了光刻膠（photoresist）晶圓（wafer）上，這個過程叫曝光，再通過物理和化學的手段將曝光的圖案轉移到襯底上。光刻工藝中最重要的一個參數就是光刻解析度，由以下瑞利公式給出

其中R為解析度，k1是與光刻系統光刻膠響應特性以及衍射效應相關的參數，目前極限數值為0.25，λ是使用投影光源的光波長，目前主流是193nm，NA就是曝光光學系統的數值孔徑（Numerical Aperture）。

說起晶元製造加工，大家可能知道台積電、三星、英特爾這三大巨頭，但大家不一定知道一家名為ASML的荷蘭公司。ASML是一家專門製造生產光刻機的荷蘭企業，是光刻機製造領域真正的大佬（另兩位沒落的大佬是尼康和佳能）。早在2012年，三星、台積電和英特爾分別收購ASML 3%、5%和15%的股份，總值超過38億歐元，同時承諾投入數億歐元用以ASML下一代極紫外光刻技術（EUV）的研發。換種說法這個事情可能更為直觀，ASML拿了客戶幾十億歐元的錢搞研發，研發完成再把產品賣給客戶掙更多的錢，如此牛氣哄哄，只因為在全世界範圍內，能將EUV研發成功的只有ASML。而ASML之所以能在高端光刻機和EUV光刻機領域獨步天下，不得不說很大的一個原因是因為ASML早就傍上了光學領域的頂級大佬—卡爾蔡司，後者為ASML提供世界上最優秀的光刻機光學鏡頭組和掩模版解決方案。下圖是Oberkochen蔡司博物館內展示的深紫外光刻機（DUV，當前主流）鏡頭組。

這個比人還高的大炮筒裡面是個啥樣子呢？我們不妨參考一下蔡司在2004年的一個專利里展現的光學設計（NA=0.6）。

我是知道蔡司鏡頭有多牛的，但在135領域從二十世紀七十年代開始絕對優勢已經不大，尤其是日系鏡頭橫行天下，看了這個之後我才發現那句話真的很有道理，你大爺永遠是你大爺。

EUVL-光刻技術的巔峰之作

2016年11月，ASML宣布以10億歐元現金收購蔡司SMT 24.9%的股權以強化雙方在半導體光刻技術領域的合作，並將在接下來的6年內投入7. 6億歐元推動蔡司研發新一代EUV光刻設備將要搭載的更大數值孔徑光學系統。雖然蔡司SMT作為ASML唯一的戰略級合作夥伴，已經為ASML提供高性能光刻光學系統數十年，這一次深化合作還是非常令人震驚的，要知道蔡司從十九世紀末開始的一百多年間，一直是由蔡司基金會百分之百控股的，這一舉動也表明了ASML和蔡司SMT鐵了心要在研發生產EUV設備的道路上強強聯合走下去了（蔡司SMT和ASML是整個EUV領域技術專利申請量排名第一和第二的選手）。

從各個方面來說，EUV光刻都可以說是人類製造技術的極限，也是多方技術合作推動工業發展的典範，它承載了摩爾定律繼續向前發展以及半導體晶元製程工藝尺寸突破10nm走向5nm、3nm的希望。那麼EUV到底難在哪裡呢？通過下面這個視頻介紹我們可以有個直觀的了解（視頻來源於歐洲專利局EPO）。

EUVL - 光刻技術的巔峰之作

從視頻中我們可以看到，除去對傳統的光刻設備提出更高的精度要求之外，EUV光刻系統有兩個不同以往的關鍵難題—亮度足夠高的EUV光源和反射式光學系統。

為了大幅度提高光刻解析度，新一代EUV光刻系統採用波長為13.5nm的極紫外（靠近軟X射線波段）光作為曝光光源，是之前193nm的14分之一。這樣的光源是通過用高功率二氧化碳激光器激發錫（Sn）金屬液滴，通過高價Sn離子能級間的躍遷獲得13.5nm波長的輻射，這樣的光源被稱為激光等離子體光源（Laser Produced Plasma Source）。這樣的方式結合超快激光（2018年諾貝爾物理學獎）通常用來產生具有超快特性的硬X射線（正是筆者研究過的課題）、軟X射線以及高次諧波等光源，在研究瞬態物理化學過程中有著巨大的價值。對於這樣的光源而言，轉化效率（激光能量到EUV光能量）和功率自不必說，這是走向實用的必要條件，而穩定性和聚光元件的保護也是巨大的挑戰，因為用於激發的激光器本身存在抖動，激光與等離子體作用時產生的污染將會對光源聚光元件造成影響和破壞。全世界EUV光源做的最好的公司是位於美國San Diego的Cymer公司，2012年，Cymer被ASML收購（大佬，您隨意，此處省略一萬字）。有趣的是，Cymer與蔡司SMT於2005年到2012年間曾合作生產製造用於生產平板顯示器和OLED顯示器的硅結晶工藝工具。

另外一個關鍵難題就是EUV所需要的光學系統。由於在這個波段下光學材料已經無法提供足夠的折射能力，所以傳統的透射式光學元件已經無法發揮作用，需要用到所謂的多層膜反射鏡（Multilayer Mirror）。多層膜反射鏡是一種布拉格衍射元件，是通過在基底上交替鍍上數十層Mo和Si，每一層約為2nm，最後對於13.5nm波長的光在特定入射角度下能實現約70%的反射率，這樣的元件價格非常昂貴，筆者曾負責從德國購入一塊牙膏大小尺寸的X射線多層膜反射鏡，售價接近五十萬元。下圖展示了由這樣的多層膜反射鏡構成的EUV光刻光學系統（包括前端LPP EUV光源）。

對於EUV光刻嚴苛的光束質量而言，對光學元件的要求是非常高的，而蔡司提供的多層膜反射鏡可以做到近乎完美，用視頻中的比方來說，如果把一塊鏡子的面積比作德國國土面積，那麼蔡司提供的多層膜反射鏡表面粗糙度可以控制在海拔1mm以內，別忘了德國南部可是阿爾卑斯山脈，這樣的平整度用變態已經無法描述，不得不說這與蔡司百餘年來秉承的極致工匠精神和強大的工業測量技術息息相關。而由於極紫外線會被空氣強烈吸收，整個系統的驗證和工作必須在高真空下進行，這樣的工作難度可想而知。對於整個系統而言，環境中的任何微小顆粒都會對工藝質量造成嚴重破壞，所以整套系統對於真空潔凈度的要求也是極為嚴格的，蔡司位於Oberkochen的實驗室是整個德國境內最乾淨的地方之一。另外一個難題就是掩模版（Reticle）的解決方案，包括掩模版的檢測、修復、保護等一系列難題，都由蔡司半導體SMS（Semiconductor Mask Solution）事業部來解決。

通過這些介紹也就不難看出為什麼ASML會如此重視蔡司SMT這個戰略合作夥伴了，因為這件事情，只有蔡司能做到。而得益於與ASML的合作，蔡司SMT事業部也是蒸蒸日上，在16/17財年實現財政收入12.1億歐元，同比上一財年增長25%，成為蔡司集團發展最為迅猛的事業部門。不得不說ASML和蔡司SMT的合作是一個典範，在技術上和商業上都實現了共贏。

蔡司SMT-助推微電子工業技術飛躍

在此次50周年的慶祝活動的開幕辭中，蔡司集團總裁兼首席執行官Michael Kaschke博士說：「正是通過與包括今天許多在座的合作夥伴一起的合作與努力，才能實現這些重大的技術突破和發展。」

德國聯邦教育與研究部（BMBF）國務秘書Georg Schütte博士強調了長期資助的重要性：「我們將通過新的高科技戰略2025繼續強化德國在微電子領域的地位。我們相信技術主權在今天是一種極具價值的商品。蔡司和ASML的合作是歐洲範圍內如何進行卓越研究和創新的一個很好的例子。成功的關鍵是廣泛的合作和持續的公共基金資助。「自2005年以來，BMBF已經在微電子領域投入了9億歐元。

ASML總裁兼首席技術官Martin van den Brink博士強調了EUV光刻技術幫助塑造微電子行業的方式： 「EUV在全球晶元工廠中的推出是基於重大的科學努力和技術創新。第四代EUV系統NXE：3400B目前在幾個客戶的批量生產過程中推廣。基於EUV光刻的第一代晶元將於明年初推出，而我們已經在開發下一代光刻平台：具有更高數值孔徑的EUV。該系統將在未來十年內實現晶元尺寸的幾何縮小，並提供比目前最先進的EUV系統高70％的解析度和定位精度。 「

EUV技術實現了晶元生產歷史上最大的技術飛躍，而除了EUV光刻等創新商用技術之外，蔡司SMT還提供大型同步輻射光源（Synchrotron，X射線波段）和自由電子激光（FEL）等最先進的大科學裝置上所使用的光學元件，為最前沿的基礎科學研究提供強有力的技術支持和保障，這也是蔡司從建立以來到現在一百多年一直堅持的理念-推動科技進步，履行社會責任-的最好體現。

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