光刻機(jī)是一種高精度設(shè)備，主要用于半導(dǎo)體制造中，將芯片設(shè)計(jì)圖案轉(zhuǎn)印到硅片上。所謂的“4nm”，指的是芯片制程節(jié)點(diǎn)的尺度，即芯片上晶體管或其他結(jié)構(gòu)的最小特征尺寸接近4納米（1納米=十億分之一米）。
隨著芯片制程從7nm、5nm發(fā)展到4nm，制造難度急劇增加，對(duì)光刻機(jī)的要求也越來(lái)越高。目前能夠支持4nm量產(chǎn)的光刻機(jī)，主要是極紫外光刻機(jī)（EUV Lithography Machine）。
4nm光刻機(jī)的技術(shù)原理
極紫外光（EUV）
傳統(tǒng)光刻機(jī)使用的是193納米波長(zhǎng)的深紫外光（DUV），而EUV光刻機(jī)使用波長(zhǎng)更短、僅為13.5納米的極紫外光。
更短的波長(zhǎng)意味著可以實(shí)現(xiàn)更小的曝光特征尺寸，這對(duì)于4nm芯片是必要條件。
無(wú)透鏡成像
由于13.5納米的光在空氣和玻璃中幾乎無(wú)法傳播，EUV系統(tǒng)必須在高真空環(huán)境下工作，并用鏡子而非透鏡來(lái)進(jìn)行光學(xué)聚焦。
鏡子采用超高精度的多層反射結(jié)構(gòu)，每一層厚度只有幾個(gè)納米，材料通常是鉬（Mo）和硅（Si）交替沉積的多層膜。
光源系統(tǒng)
EUV光的生成極其復(fù)雜。通常是用高能激光打在錫（Sn）微滴上，激發(fā)出13.5納米波長(zhǎng)的極紫外光。
整個(gè)過(guò)程能量損耗極大，目前EUV光源效率仍是制約產(chǎn)能的重要瓶頸。
對(duì)準(zhǔn)與穩(wěn)定
4nm芯片的圖案極其精細(xì)，任何微小的誤差都會(huì)導(dǎo)致失敗。光刻機(jī)內(nèi)部有超高精度的位置控制系統(tǒng)（誤差小于納米級(jí)），并通過(guò)復(fù)雜的光學(xué)和電子反饋系統(tǒng)實(shí)時(shí)校正。
目前誰(shuí)能制造4nm光刻機(jī)？
全球唯一能夠量產(chǎn)4nm支持型EUV光刻機(jī)的是荷蘭公司ASML。
ASML的關(guān)鍵型號(hào)包括：
NXE:3400C（5nm及4nm初期使用）
NXE:3600D（優(yōu)化型，提升產(chǎn)能與穩(wěn)定性）
NXE:3800E（未來(lái)支援更先進(jìn)的3nm甚至2nm）
每臺(tái)EUV光刻機(jī)約有10萬(wàn)多個(gè)零部件，重量超過(guò)180噸，價(jià)格高達(dá)1.5億到2億歐元。即使是臺(tái)積電、三星、英特爾這樣的頂尖廠商，購(gòu)買(mǎi)后也需要配合ASML工程師進(jìn)行安裝和調(diào)校，過(guò)程可能長(zhǎng)達(dá)半年以上。
4nm制程對(duì)光刻機(jī)的挑戰(zhàn)
分辨率極限
4nm的特征尺寸接近13.5nm波長(zhǎng)理論極限，因此需要多種技術(shù)協(xié)同，比如多重曝光、光學(xué)鄰近效應(yīng)校正（OPC）、**形狀增強(qiáng)技術(shù)（SAQP）**等。
良率控制
4nm芯片內(nèi)部晶體管數(shù)量高達(dá)數(shù)百億個(gè)，任何一個(gè)小缺陷都可能導(dǎo)致芯片報(bào)廢，對(duì)光刻質(zhì)量要求極其苛刻。
產(chǎn)能瓶頸
EUV光源功率仍然有限，單臺(tái)EUV機(jī)的產(chǎn)能相比傳統(tǒng)DUV要低，因此需要更多臺(tái)設(shè)備協(xié)同工作，增加了成本和復(fù)雜性。
設(shè)備穩(wěn)定性
光源、鏡面污染、振動(dòng)控制等問(wèn)題在4nm制程中尤為突出，每一個(gè)環(huán)節(jié)都要極致穩(wěn)定才能維持高良率生產(chǎn)。
發(fā)展趨勢(shì)
高數(shù)值孔徑（High-NA）EUV
ASML正在開(kāi)發(fā)下一代High-NA（數(shù)值孔徑0.55，現(xiàn)有是0.33）EUV系統(tǒng)，將支持2nm乃至1.4nm制程。
High-NA光刻機(jī)會(huì)有更高的分辨率，但系統(tǒng)更龐大復(fù)雜，對(duì)材料、制造和調(diào)校要求更高。
雙重曝光技術(shù)
結(jié)合EUV與DUV，多重曝光以降低對(duì)單次光刻的極限要求，同時(shí)提高良率。
自動(dòng)校準(zhǔn)與AI優(yōu)化
引入機(jī)器學(xué)習(xí)、自動(dòng)缺陷檢測(cè)、智能調(diào)度等AI手段，提高設(shè)備自適應(yīng)能力與生產(chǎn)效率。
總結(jié)
4nm光刻機(jī)，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)是指支持4nm制程芯片制造的極紫外（EUV）光刻設(shè)備，目前全球只有ASML具備量產(chǎn)能力。這類(lèi)設(shè)備代表了現(xiàn)代工業(yè)制造的極限挑戰(zhàn)，集成了最尖端的光學(xué)、精密機(jī)械、真空技術(shù)和電子控制技術(shù)，是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)繼續(xù)沿摩爾定律前進(jìn)的重要支柱。
