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介绍-光刻机:人类顶级产业皇冠上的明珠。

SMIC深有体会，光刻机将是中国自主可控集成电路产业道路上最难逾越的环节。2018年5月，SMIC竭尽全力从荷兰ASML订购了一台EUV光刻机，价值高达1.2亿美元。2017年公司扣非归母净利润仅为1.28亿美元。这款光刻机原本在2019年初交付，但在2018年12月接近交付时，ASML突然起火导致交付延迟。2019年底，出口许可证到期，部分& # 34；不可抗拒& # 34；因此，这款命运多舛的EUV光刻机至今仍未交付。

虽然使用193nm光源的ArF掩模对准器可以通过浸没式光刻和多图案满足7nm节点的要求，但是由于在光刻工艺中使用大量掩模，诸如TSMC的晶片制造商不得不考虑光刻缺陷、套印误差、成本和成品率。与EUV光刻机光源相比，波长仅为13.5nm，可实现& # 34；一步一步来& # 34；。对于TSMC、SMIC等晶圆厂商来说，谁能拿到EUV光刻机，愿意花一点钱，谁就在先进制造技术上占据制高点，迅速抢占市场份额，获得更多经济利益，这也是TSMC近年来占据优势的重要原因。

开发掩模对准器和开发aero 空发动机一样困难。正如一位网友所说，aero 空发动机在极端高温高压下挑战材料和能量密度的极限，而光刻机在比人类头发丝还细千倍的地方挑战激光波长和量子隧穿的极限。不断挑战物理尺寸极限的光刻机，也是人类顶级产业皇冠上的一颗璀璨明珠。

掩模对准器如何工作:一个放大的单反相机。

光刻的原理是:利用涂在衬底表面的光刻胶的光化学反应，将画在掩模上的电路图形信息如实地从掩模传递和转移到半导体衬底上。工作原理是放大的单反:

资料来源：公开资料整理，阿尔法经济研究资料来源:公开数据整理，阿尔法经济研究。

光刻主要分为涂胶、光刻和显影三个工序，其中涂胶是用涂胶机在基板表面涂上光刻胶，然后用光刻机对涂有光刻胶的基板进行曝光，从而实现电路图形信息从掩模到基板表面的保真传递和转移的目的。最后，显影剂显影曝光的衬底，去除或保留曝光后经历光化学反应的光致抗蚀剂；

资料来源：公开资料整理，阿尔法经济研究资料来源:公开数据整理，阿尔法经济研究。

掩模光刻机可以分为两种:无掩模光刻机和有掩模光刻机。大众引起的ASML深紫外光刻机和EUV光刻机都是掩膜版光刻机。所谓掩膜也叫掩模，是一种可以选择性阻挡光线、辐射或物质穿透的掩膜模板，上面刻有电路图案。无掩模光刻机常用于电子束光刻机和离子束光刻机，是一种利用计算机输入的地址和图形数据控制聚焦电子束在涂有感光材料的基片上直接绘制电路图形的设备。

在集成电路行业，晶圆制造通常称为前道工序，晶圆封装和测试工序称为后道工序，对应的光刻机也分为前道光刻机和后道光刻机。ASML的光刻机主要用于晶圆制造，属于前一种工艺，技术要求比后一种光刻机高。本文讨论了前一种工艺中使用的掩模光刻机。

掩模对准器简史——第一代掩模对准器:接触式/接近式掩模对准器

光刻机经历了六个发展阶段。在光刻机的早期，采用的是接触光刻技术。通常，晶片被放置在具有手动控制的水平位置和旋转的工作台上。操作者使用离散场显微镜同时观察掩模和晶片的位置，手动控制工作台的位置，实现掩模和晶片的对准。在与晶片的掩模对准之后，两者都将被按压，使得掩模与晶片表面上的光刻胶直接接触。在显微镜物镜被移除之后，被按压的晶片和掩模被移动到曝光台进行曝光。光源发出的光被透镜准直，并平行照射掩模。由于掩模与光刻胶直接接触，曝光后的掩模图案按照1:1的比例转移到光刻胶上，原理与公章类似。

接触式光刻机具有分辨率高、精度好、曝光设备简单等优点。此外，因为晶片与掩模直接接触，所以光的衍射效应减小。然而，在接触过程中，掩模和晶片上的光刻胶层容易被损坏和沾污，这影响了掩模的产量和寿命。所以主要用于小规模的半导体制造，在一些场合还是有使用的。

20世纪70年代，接近式掩膜版光刻机逐渐发展成熟。与接触式掩模光刻机相比，接近式掩模光刻机的掩模与晶片上的光刻胶没有直接接触，而是有一个充满氮气的间隙，间隙的大小由氮气的压力决定。因为掩模不与光刻胶直接接触，所以掩模的损耗减少，光刻中引入的缺陷减少，成品率提高。在接近式掩模光刻机中，晶片和光刻胶之间的间隙使得晶片处于菲涅耳衍射区，这也限制了接近式掩模光刻机分辨率的进一步提高。因此，接近式掩模对准器主要用于直径大于3m的半导体。

由于第一代光刻机的技术比较初级，类似于大型胶片相机，在相机领域有技术积累的佳能和尼康在60年代末就进入了光刻机领域。GCA和Kasper等公司也有一定的制造能力，这些公司成为早期光刻机市场的参与者。

目前，接触/邻近掩模对准器仍然活跃在半导体工业中。德国苏斯、奥地利EVG、中国电子科技集团45研究所等国外厂商都有生产。如45所生产的BG-401A光刻机是真空接触式光刻机，分辨率为1μm，主要用于4英寸及以下晶圆的中小尺寸半导体和SAW器件的单面对准和曝光:

资料来源：中电45所BG-401A光刻机图片，阿尔法经济研究来源:45张BG-401A图片，CLP的掩模对准器，阿尔法经济研究

第二代光刻机:光学投影光刻机

光学掩模光刻机、X射线掩模光刻机、一次性宽带扫描仪等。似乎是步进光刻机成熟之前不同技术路线的一次尝试。投影光刻机采用了步进扫描曝光法，简单来说就是一平方厘米左右的光束穿过掩膜照射在晶圆上，曝光一片后，移动一个位置曝光下一片。

光学掩膜版光刻机的工作原理是通过投影物镜将掩膜版上的电路图案成像，将晶圆上的光刻胶曝光，然后将图案转移并记录在光刻胶上。光学掩模版曝光机的曝光系统通过狭缝式曝光带照射在掩模版上，载有掩模版的工作台在狭缝下沿一个方向移动，起到扫描的作用。因此，掩模与晶片保持同步，晶片以四分之一速度沿相反方向移动，从而完成曝光过程:

资料来源：公开资料整理，阿尔法经济研究资料来源:公开数据整理，阿尔法经济研究。

为了最小化晶片的等待曝光时间，光学投影掩模对准器的移动路线遵循蛇形路径。一次扫描后，曝光系统不会复位，而是反向扫描下一个位置。

在20世纪70年代中后期，光学投影掩模对准器开始取代接触式/接近式掩模对准器。在早期的光学投影掩模对准器中，掩模尺寸与衬底尺寸的比例是1∶1。因此，随着半导体特征尺寸的不断减小和衬底尺寸的不断增大，光学投影光刻机已经不能很好地满足光刻工艺的要求，逐渐被分步重复光刻机所取代。

第三代光刻机:分步重复光刻机

重复光刻机的出现不仅使半导体制造工艺步入了亚微米级，也为后来的光刻机奠定了一定的技术基础。分步光刻机是利用典型的22mm*22mm的静态曝光场和放大倍数为1:4或1:5的物镜将掩模上的图案转移到晶圆上。步进光刻机的曝光区域为53毫米* 33毫米和44毫米* 44毫米。

步进式光刻机的主要工作流程是:自动传送系统将涂有光刻胶的晶片传送到工作台上，所需的掩膜也传送到工作台上。然后，光刻机利用聚焦/分级系统对工作台上的晶圆进行多点测量，获得晶圆表面的高度、倾角等信息，使晶圆的曝光面积在曝光过程中始终控制在投影物镜的焦深范围内。然后，系统利用对准系统将掩膜版与晶圆对准，按照规定的工艺完成晶圆的分步曝光过程，从而实现图形转移功能:

资料来源：《半导体制造技术》，阿尔法经济研究资料来源:半导体制造技术，阿尔法经济研究

从工作流程可以看出，晶圆和掩膜不需要同步扫描。与后一步扫描光刻机结构相比，同步扫描控制系统少，结构相对简单，成本低。目前分步重复式光刻机主要应用于直径0.25mm以上的半导体制造和先进封装领域。

1978年，美国GCA公司推出了世界上第一台分步重复光刻机。从上世纪80年代开始，尼康和佳能也分别推出了步进重复式光刻机，一度占据了70%的市场份额。GCA的大客户IBM、Intel、AMD等逐渐被尼康挖走，GCA公司逐渐衰落。

在20世纪80年代，掩模对准器的市场被所有竞争者所垄断。除了GCA、尼康和佳能，还有美国的Ultratech、伊顿和日立等。当然，还有飞利浦和荷兰ASM国际公司联合建立的ASML。然而，在那个时候，ASML还是一个初出茅庐的新兵，没有人注意到它。

第四代光刻机:步进扫描光刻机

英特尔的创始人之一摩尔在1965年提出了摩尔定律。最初的内容是，在价格不变的情况下，一个集成电路所能容纳的元件数量每18-24个月翻一番，性能也翻一番。即使有人在高喊摩尔定律失效，有人提出了超级摩尔定律，但不可否认摩尔定律对半导体技术的发展起到了引领作用。

根据瑞利分辨率公式R=k1*(/NA)，提高光刻机分辨率的理论路径是增大数值孔径NA，减小波长，减小工艺因子k1，其中工艺因子的理论极限值为0.25，lift 空有限，因此设备厂商对波长和NA都下了决心。在光刻机技术的迭代上，光刻机第一代步进扫描厂商尼康、佳能、SVG和光刻机ASML在曝光源波长上展开了激烈的竞争。在这个过程中，有的被提前扼杀，有的停滞不前，有的突然崭露头角。与此同时，制造商之间的竞争也很激烈。在竞争过程中，光刻机光源的波长从G线的436nm和I线的365nm逐渐降低到248nm和193nm。

93nm ArF掩模版光刻机早在90年代中期就已经推出，但后来在超越193nm方案时遇到了各种困难。尽管在SVG和尼康的努力下，157纳米F2掩模对准器接近工业化，但157纳米的光会被193纳米掩模对准器上的透镜吸收，因此光刻胶必须重新显影。产业化难度大，R&D投入产出比太低，157nm光无法穿透纯水。不能和浸没技术结合，于是157nm技术路线最终放弃，尼康失去了超越ASML的机会，SVG被直接收购。最终，ASML通过浸入式技术解决了这个问题。F2光刻机失败后，尼康不得不转向沉浸式光刻，佳能却落后了。

与步进重复式光刻机不同的是，步进扫描式光刻机的单场曝光采用动态扫描方式，即掩模同步完成相对于晶圆的扫描运动，当前场曝光完成后，晶圆由工作台承载并步进到下一个扫描场位置继续重复曝光，直至整个晶圆的所有场曝光完毕:

资料来源：《半导体制造技术》，阿尔法经济研究资料来源:半导体制造技术，阿尔法经济研究

步进光刻机的投影物镜的放大倍数为4:1，即掩模的图形尺寸是晶圆的4倍，所以掩模的扫描速度是工作台的4倍，扫描方向相反。与步进重复式光刻机相比，步进扫描式光刻机成像系统的静态视场更小，在相同成像性能的约束下，降低了投影物镜的制造难度。所以0.18mm工艺节点之后，光刻机厂商基本都采用步进扫描技术，沿用至今。同时，在该技术中，通过配置193nm、193nm浸没式和13.5nm EUV光源，形成步进扫描光刻机家族。

在步进扫描时代，光刻机市场被ASML和尼康垄断。2001年，ASML推出TWINSCAN系列光刻机，现已形成XT系列、NXT系列和NXE系列步进扫描光刻机系列。其最先进的NXE3400C采用EUV光源，分辨率小于13nm，套印精度1.5nm，尼康的步进扫描光刻机有NSR-S635E等型号，覆盖I线到ArF沉浸式。但是，套印精度和ASML在性能上有一定差距。而且尼康的光刻机在性能上存在缺陷，无法实现扫描和光刻的真正同步。已经被英特尔抛弃，深紫外光刻领域只有ASML一家:

资料来源：各公司官网整理，阿尔法经济研究来源:公司官网整理，阿尔法经济研究

第五代光刻机:浸没式光刻机

如前所述，为了突破193nm光源的瓶颈，尼康和SVG大力推广F2，但最终因为种种原因功亏一篑，ASML通过在镜头间加水的方式解决了这个问题。由于水的折射率为1.44，折射后193nm光的等效波长降低到134nm，最终通过多次光刻、改进的高NA透镜、FinFET等技术，将浸没式掩模光刻机的光刻工艺提升到7nm的极限节点:

资料来源：公开资料整理，阿尔法经济研究资料来源:公开数据整理，阿尔法经济研究。

浸没式光刻机的原理是在透镜像侧下表面和晶片上表面之间填充折射率为1.44的纯水，提高成像系统的有效数值孔径(NA=1.35)，将光的等效波长缩短到134nm，将光刻机的分辨率提高到38nm。与干法步进扫描光刻机相比，浸没式光刻机的结构没有变化，可以看作是ArF光刻机的改进和扩展，同时也保证了工艺的连续性，节省了光源、设备和工艺的研发成本。当然，由于浸液的引入，大大增加了设备本身的工程难度，关键技术包括浸液供应与回收、浸液现场维护技术、浸液光刻污染与缺陷控制技术等。，这无疑给其他光刻机厂商带来了更高的难度。其实到目前为止，能量产浸没式光刻机的厂商只有两家，分别是ASML和尼康，真正能进入TSMC和英特尔等晶圆厂商生产线的只有ASML。

第六代光刻机——EUV光刻机，人类顶级产业皇冠上的明珠

虽然采用ArF光源的光刻机通过浸没技术和多次光刻技术可以满足7nm节点技术的要求，但在实际应用中仍然面临很大的挑战。首先，掩模对准器中使用的超纯水可能包含影响晶片表面并形成缺陷的颗粒。同时气泡会分散用于曝光的光线，使空中的图像失真，在晶圆的光刻胶层中形成气泡缺陷。因此，EUV光刻机出现& # 34；一步一步来& # 34；解决了浸没式掩模对准器的缺陷。

因为EUV光穿透物体时散射和吸收非常剧烈，即使空气体和透镜玻璃也能吸收EUV，到达光刻胶时能量损失超过95%。因此，可靠的光源一直是EUV光刻机发展的主要技术瓶颈。ASML主要通过镜面替代镜片的技术解决镜片玻璃吸收EUV的问题。同时，它还应用了主振荡功率放大器、预测等离子体技术和原位收集镜清洗技术，大大提高了EUV的功率和稳定性。

资料来源：ASML官网，阿尔法经济研究来源:ASML官网，阿尔法经济研究

EUV光刻机已经在反射镜上验证了Mo/Si多层膜和Mo/Be多层膜。理论上，Mo/Be多层膜在11.1nm波长处的反射率可达80%，但Be因毒性强而在研发过程中被放弃。最后，EUV光刻机采用了Mo/Si多层膜，这种膜在13-13.5nm波长范围内的理论反射率可以达到70%，最后是EUV光刻机。在EUV光刻机中，Mo/Si多层膜被设计成Bragg反射镜，即多层膜的反射被集中成一次反射，光刻机腔内采用true 空系统。通过以上措施，EUV光源的散射问题得到了很好的解决。

ASML与卡尔·蔡司在光学元件方面进行了合作。蔡司是一家从事光学系统、工业测量仪器和医疗器械的德国企业。它于1848年由创始人卡尔·蔡司、恩斯特·卡尔·阿贝和奥托·肖特在耶拿创立。这是一个百年企业。蔡司公司曾经涉足光刻机，但后来因为种种原因放弃了光刻机业务，转而专注于光学显微镜。

蔡司为ASML提供了Starlith光学元件系统，这也让ASML的EUV梦得以实现。2013年，该公司首次推出EUV光刻机NXE3300B。2016年，ASML还收购了蔡司24.9%的股份并实现了利益绑定，承诺投入8.4亿美元用于数值孔径高于0.5的镜头研发。蔡司在EUV光学模块方面也处于世界领先地位。2012年，ASML将英特尔、三星、TSMC作为自己的股东，从技术和资金上保证了EUV光刻机的R&D和量产。英特尔还拥有EUV光刻机的优先购买权，而SMIC只是一个普通的买家。

资料来源：Starlith光学组件（部分），蔡司公司官网，阿尔法经济研究来源:Starlith光学元件(部分)，蔡司官网，阿尔法经济研究

当然，由于NXE3300B的分辨率只有22nm，套印精度无法很好地满足10nm以下节点的工艺要求，产出率也只有55片/小时，所以经济效益并不显著。直到2016年ASML推出NXE3400B，EUV的技术优势和生产效益才得以体现。TSMC和三星等晶圆代工厂也在技术上取得了突破。之后10nm、7nm等先进技术已经量产。2020年第一季度，TSMC 5nm技术已经量产并贡献营收，3nm甚至1nm技术处于研发阶段。在EUV光刻机的帮助下，光刻技术正接近物理极限。

尽管ASML在EUV光刻机方面是独一无二的，事实上在深紫外光刻机方面也是独一无二的，但该公司并没有停止前进。有资料显示，ASML正在推进第二代EUV光刻机的研发。未来数值孔径为0.5的EUV光刻机将采用中心挡光、非对称放大倍数为0.25/0.125倍的投影物镜系统。曝光视场将从现在的26mm*33mm缩小到26mm*16.5mm，分辨率将在8nm以下。第二代EUV光刻机预计将于2024年推出，光学组件仍将由蔡司提供。

EUV光刻机重达180吨，整机有超过10万个零件，运输需要40个集装箱。按照调试来说，需要一年多的时间，国外一些公司称之为& # 34；即使我给你所有的图纸和部件，你也不能把它们组装起来& # 34；光刻机有多复杂？读者自己考虑吧。

日本光刻机的衰落与中国光刻机的冲击

自光刻机发展至今已有半个多世纪。曾经的光刻机巨头尼康和佳能在低端领域生存了下来。像GCA和伊顿这样的公司早就消失在光罩对准器的世界里了，ASML的其他公司已经吸引了其他制造商的注意。

AMSL已经形成了低端、中端、高端和超高端的产品体系。其中，90年代推出的PASS5500系列单步光刻机主要用于低端市场。光刻机光源包括I线、KrF和ArF等。，分辨率90-220nm，每小时出片率135-150片。2000年以后出的XT系列和NXT系列光刻机，主要面向中高端市场。光刻机中XT系列的分辨率为65-110nm，光刻机中NXT系列的分辨率为38nm。在低端光刻机市场，与ASML竞争的公司是佳能FPA-6300ES6a，采用KrF光源，分辨率为90nm，胶片输出速率为每小时200张。

尼康的NSR系列光刻机涵盖I线，KrF，ArF和ArF沉浸。特别是NSR-S622D和NSR-S635E都采用了浸没式光刻技术，分辨率为38nm。其中NSR-S635E的套准精度与ASML NXT 1980 di浸没式光刻机相当，对于7-28nm节点毫无压力。但近年来，尼康在光刻机方面的销量并不理想，原因是多方面的，主要是光刻机本身存在一定的性能缺陷。包括SMIC、长江存储和上海华虹在内的国内制造商仍然从ASML购买浸没式光刻机，尽管尼康的光刻机比ASML的便宜一半。

日本光刻机没落的原因有很多。与尼康和佳能相比，ASML 90%以上的零部件都是从外部公司购买的。高度外包战略使ASML能够迅速获得各领域最先进的技术，从而可以专注于客户需求和系统集成。

虽然日本在IC光刻机领域已经无法与ASML抗衡，但以尼康为代表的日本企业在面板光刻机领域依然可以一战。比如尼康的FX系列面板光刻机，适用于6代到11代的TFT-LCD面板光刻，对准精度也领先于同类公司:

资料来源：尼康公司官网，阿尔法经济研究来源:官方网站，尼康公司，阿尔法经济研究

光刻机也成为了尼康光刻机业务的最后一块遮羞布。

自从华为事件后，国产替代成为全民热议的话题。在光刻机上实现国产替代，是全民的期待。但是，国内的替代恐怕还需要很多年才能到来，因为国内的光刻机和国外的差距太明显了。

在中国，只有上海微电子设备有限公司有能力提供光刻机整机。目前，公司已具备KrF、ArF和I-line光刻机的R&D和生产能力。最先进的SSA600/20光刻机虽然采用ArF光源，但分辨率只有90nm，接近ASML上世纪90年代生产的PASS5500系列KrF光刻机，配准精度远低于ASML、尼康同类机型，输出速度仅为每小时80片，明显低于ASML。合肥新硕半导体有限公司和无锡苏樱半导体科技有限公司主要从事直写光刻设备的研发。与上海微电子设备的技术路线不同，分辨率还在200nm级别，没有比较价值。

综上所述，承载光刻机国产替代的重任落在了上海微电子设备上。就性能而言，国产光刻机的性能落后about 20年左右。低端市场可以实现部分替代，中高端无能为力。据悉，上海微电子设备正在推进65nm甚至45nm分辨率的浸没式光刻机，但目前进展如何不得而知。

国产光刻机面临一个困境:光刻机实现自主可控国产替代很重要，以免关键时刻被“卡住”，但高端光刻机的技术要求太高，国产光刻机水平基本处于ASML 20多年前的水平。

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