前苏联解体后1994年4月巴黎统筹委员会即巴统解散，但是冷战的结束不意味着西方国家对技术出口放松管制，1995年9月美国、日本等在内的28个国家在荷兰瓦森纳召开会议，决定加快建立常规武器和双用途物资及技术出口控制机制，弥补巴统解散后控制机制的不足。

1996年美国、日本、荷兰等在内的33个国家在奥地利维也纳签署了《关于常规武器和两用物品及技术出口控制的瓦森纳协定》，也就是现在被广为人知的《瓦森纳协定》。《瓦森纳协定》表面上是在自愿基础上建立一种集团性出口控制机制，通过成员国之间信息通报机制提高技术转让透明度，而且声称不针对任何国家，不妨碍正常民间贸易，但是从这二十几年的运行情况来看，该协定基本上沦为某些国家为了某些目的对他国或企业进行打压、实施所谓长臂管辖的工具，这一点在中芯国际正常采购EUV光刻机、华为被拉入实体清单等一系列事件中有深刻体现。

与世界同步：中国光刻机的起步

中国半导体产业起步基本与美国同步。1958年杰克(基尔比发明了集成电路，而在集成电路发明的前两年，1956年国家制定了《1956-1967年科学技术发展愿景规划纲要》，对半导体产业采取了两项战略措施：一是培养人才，二是建立半导体科研机构。1956年为了培养相关人才，教育部将北京大学、复旦大学、南京大学等高校的物理系部分教师与学生集中到北京大学物理系，创办了中国第一个五校联合的半导体专业，由中国半导体奠基人黄昆教授担任该专业教研室主任。同年中科院物理所成立半导体研究室，并于1957年底研制成功我国第一只锗合金晶体管，实现了我国自行制造晶体管的愿望。1965年中科院上海冶金所成功仿造出了国内第一块集成电路，标志着中国半导体产业进入自主研发征程。

不过后面的事情众所周知，由于某些原因中国半导体产业受到严重影响，而同时期美国、日本等国的半导体产业在七八十年代取得高速发展，已经形成一套颇具竞争力且体系完善的产业体系。60年代由仙童半导体弗朗克万拉斯和萨支唐提出的金属氧化物半导体即MOS工艺进入产业化阶段，七八十年代存储器产业不断成熟，90年代在摩尔定律指引下技术节点不断向深亚微米水平演进，中国半导体的差距与国外越来越大：

资料来源：谢志峰《芯事》，阿尔法经济研究

基尔比的集成电路是采用刻蚀方法在锗台面型PNP晶体管晶片上形成晶体管、电容器和电阻器区域，并用细的金线将上述区域连接起来形成的。基尔比的集成电路只是雏形，其作用除了将集成电路这一设想变为现实，还通过抢在仙童半导体前申请了专利，也让基尔比有了"集成电路之父"的头衔，这一时期的集成电路想商业化生产还需要解决一系列制造工艺。

资料来源：基尔比发明的集成电路，公开资料整理，阿尔法经济研究

1959年"八叛徒"之一的吉恩(霍尔尼为了解决台面晶体管的可靠性发明了平面工艺，该工艺关键是用氧化层去保护PNP结的表面不受污染。平面工艺的出现不仅让器件有了更好的电性能，而且也使得从晶圆的一面来制造一块集成电路的所有组件成为可能。

1959年贝尔实验室的约翰(艾特拉和道旺(卡恩研发了首个绝缘栅场效应晶体管（FET），可通过控制"表面态"的影响使得电场能渗入半导体材料。不过在研究中他们发现在金属层、氧化层和硅层的结构中"表面态"会在硅和其氧化物的交接处大大降低，这样加在栅上的电场能通过氧化层影响硅层，这也是MOS的由来。

约翰(艾特拉等人在MOS上的研究停了下来，但是仙童半导体和美国无线电公司RCA的研究者们认识到了MOS的优点。60年代在RCA任职的卡尔(扎宁格(Karl Zaininger)和查尔斯(穆勒制造出了金属氧化物半导体晶体管，不久仙童半导体的萨支唐制造出了带控制极的MOS四极管，随后MOS管便开始用于集成电路器件的开发。1963年萨支唐和合作者弗兰克(哈里森提出了CMOS技术并为之申请了专利，早期半导体制造技术逐步形成：

资料来源：CMOS工艺示例，公开资料整理，阿尔法经济研究

从早期的PMOS、NMOS到萨支唐提出的CMOS，在制造过程中已经用到衬底氧化、沉积、光刻、刻蚀和离子注入等工序，相应的为了满足上述工艺需求，半导体制造设备也同步发展，这其中光刻设备的发展对半导体制造技术的推动起到重要作用。

六七十年代是小规模集成电路时代，这一时期主要的光刻技术是接触式光刻技术，也就是第一代光刻技术。接触式光刻技术中通常将晶圆置于一个手动控制水平位置和旋转的工作台上，操作者利用分立视场显微镜同时观察光罩和晶圆位置，并通过手动控制工作台位置来实现光罩与晶圆的对准。晶圆与光罩对准后二者将被压紧，使得光罩与晶圆表面的光刻胶直接接触。移开显微镜物镜后，将压紧的晶圆与光罩移入曝光台进行曝光，光源发出的光经过透镜准直平行照射光罩，由于光罩与光刻胶直接接触，所以曝光后光罩图形按照1:1的比例转印至光刻胶上，原理与公章类似：

资料来源：接触式/接近式光刻机原理，公开资料整理，阿尔法经济研究

接触式光刻技术具有分辨率高、精度高、曝光设备简单等特点，而且由于与晶圆直接接触，减少了光的衍射效应。但由于晶圆与掩模直接接触，不仅会带来污染，还会带来晶圆表面的擦伤，因此会影响成品率，掩模寿命也会大大降低。之后为了提高成品率、降低缺陷，70年代接近式光刻机逐渐发展成熟并一度成为主流。接触式和接近式光刻技术只能用于5微米和3微米以上的器件制造，目前在小尺寸和小规模器件制造中还在使用。

国内光刻机的起步与世界同样几乎同步，早在1966年109厂与上海光学仪器厂协作，研制成功了我国第一台65型接触式光刻机，此时的ASML还没成立，佳能、尼康还不知光刻机为何物，这一时期光刻机市场主流玩家是美国的Kulick&Sofa、Coblit和Kasper。补充一下，目前Kulick&Sofa主要从事半导体设备和消耗性工具两大业务，其中半导体设备主要有球式焊接机、晶圆级结合机和表面贴片机等，所生产的光刻机也主要用于后道封装环节，前道光刻机已不是公司主业。

国产光刻机的高光时刻与没落

80年代开始国产光刻机逐步落后于全球水平。70年代Kulick&Sofa等推出的接近式光刻机成为当时的主流设备，日本当时也推出多种型号的接近式光刻机，佳能和尼康在光刻机领域开始崛起。中国的接近式光刻机直到1978年才开始研制，1980年JK-1式接近式光刻机才完成鉴定，同年上海光学机械厂研制的JKG-3型半自动接近式光刻机通过鉴定和设计定型，时间上国产接近式光刻机已经晚于美日企业。

更为重要的是当时全新的投影式光刻技术开始兴起，并且在70年代中后期开始替代接触式/接近式光刻机，而此时国内刚刚完成接近式光刻机的鉴定和定型工作，技术上也开始落后于全球水平。

投影式光刻技术的原理是光罩上的电路图形通过一个投影物镜成像，曝光晶圆上的光刻胶，从而将图形转印、记录在光刻胶上。光学投影光刻机的曝光系统通过一个狭缝式的曝光带照射在光罩上，载有光罩的工作台在狭缝下沿着一个方向移动，起到扫描的作用，因此光罩与晶圆保持同步，晶圆沿着相反方向以四分之一的速度移动，从而完成曝光过程。为了尽量减少晶圆等待曝光时间，投影光刻机的移动路线按照蛇形路径进行，完成一次扫描后曝光系统不复位，而是在下一位置反向扫描：

资料来源：投影式光刻机原理，公开资料整理，阿尔法经济研究

投影式光刻机最开始用1:1的投影比例，即掩模图形与衬底图形尺寸比例为1:1，但是后来随着半导体特征尺寸的不断缩小和衬底尺寸的增大，投影式光刻机已经不能很好的满足光刻工艺需求，再加上投影式光刻机的效率仍然很低，具有代表性的GCA 4800DS投影式光刻机的产出率也仅为30-60片/小时，因此逐步被步进重复式光刻机所替代。很多文献及文章提到分布光刻机，从相关的定义和原理来看仍然属于投影式光刻机的范畴，本文也不再做区分。

资料来源：GCA4800DSW光刻机，会议资料，阿尔法经济研究

GCA4800光刻机中首次实现了自动对准与硅片传输，这也成为未来步进扫描光刻机中的重要技术。

当然国内科研院所仍然没有放弃先进光刻机的研究步伐。在1978年世界上第一台分布重复投影光刻机即DSW问世后，机电部第45所已经开始了相关的研究，并于1985年成功研制出了BG-101型光刻机，当年底通过部级技术鉴定，该机主要性能指标接近或达到美国GCA 4800DS的水平:

资料来源：论文资料整理，阿尔法经济研究

1991年45研究所的某副总工程师在《为研制我国自己的分布光刻机（DSW）而拼搏》的文章中提到，分布式光刻机由于晶圆与掩模不需要直接接触，大大延长了掩模的寿命。另外这种光刻机已经通过提升数值孔径NA和缩小波长等方式将分辨率提升到亚微米和超亚微米级别，这些技术已经为后来的步进扫描光刻机奠定了相应的技术基础：

资料来源：论文资料整理，阿尔法经济研究

在文章中作者提到，在巴统的出口管制下国内只能进口到分辨率1.5微米的设备，而国外设备已经达到0.5微米，整整相差三代，再加上动辄一二百万美元的价格，对当时的中国而言也是一种经济上的负担。因此作者从满足国内产业发展需求、节约国家外汇、解决备品备件和维修服务等用户的后顾之忧、培养自己的研究队伍和打破西方国家的封锁等角度提出，"必须研制我国自己的分布光刻机"，但从后来国产光刻机的发展现状来看，当年的这句呐喊也仅仅是呐喊而已。

三十年前与三十年后，泱泱大国竟然面临同样的窘境，何其悲哀！

总的来说，60-80年代中国光刻机技术与国外基本同步，但到了80年代中后期由于各种原因，中国光刻机在技术上的差距越来越大，再加上90年代后"造不如买"的贸工技思想盛行，国产光刻机技术和产业化最终停滞不前，在之后很长一段时间里无力追赶国际先进水平，逐步沦为看客。

从"863"到"909"：独立自主的初步尝试

80年代中后期开始几大事件对后来的半导体产业产生极其深远的影响。1987年台积电的成立标志着产业模式由IDM垂直一体化转向垂直分工，奠定了如今的产业生态；光刻技术在90年代一度停滞让ASML有了脱颖而出的机会，并最终凭借一系列硬核操作成为如今的行业老大。当然对中国而言，"863"、"973"到后来的"02专项"等一系列发展计划的提出也是对曾经一系列失误的思考与救赎。

1986年3月邓公在王淦昌、陈芳允等四位科学家提出的"关于跟踪研究外国战略性高技术发展的建议"上写下了"此事宜速做决断，不可拖延"的批示，并于当年11月启动了该项计划，简称863计划。之后整个90年代中国在光刻技术等重要领域几乎毫无作为，但"908工程"、"909工程"及"863计划"的实施为中国半导体产业化打下了一定基础，尽管中国半导体产业化的启动要远早于"908工程"的提出。

1973年中日邦交正常化一年之际中方组织人员赴日考察集成电路企业，但由于政治和资金等原因，全线引进日本电气生产线的计划未能实现，直到改革开放后无锡江南无线电器材厂即742厂从日本东芝全线引进黑白电视机和彩色电视机的集成电路生产线投产，中国算是有了第一条真正意义上的集成电路产线。江南无线电器材厂引进的是3英寸产线和封装线，1984年产量便提升到3000万块，成为当时中国大陆技术最先进、规模最大的集成电路企业，这一幕与如今的中芯国际何其相似。

"七五"期间政府已经认识到了与国际先进水平的差距，因此1983年国务院成立了电子计算机和大规模集成电路领导小组。而且为克服改革开放初期集成电路多头重复引进集成电路生产线出现的"散"、"乱"问题，国务院提出建设南北两个基地（长三角和北京天津地区）和一个点（西安）的规划设想。此外电子工业部为解决集成电路科研生产"两张皮"互相脱节的问题，把1983年成立的永川半导体研究所（后来的电子科技集团第24研究所）的部分人员抽调到无锡成立24所分所，组建了无锡微电子科研生产联合体，全力攻关2-3微米工艺生产技术。联合体成立后相继研制和生产了64KB和256KB的动态随机存储器。

后来于1985年在联合攻关的模式下无锡微电子联合公司成立，并于1989年以该公司为基础设立了中国华晶电子集团公司，科研中心则称为华晶公司中央研究所。紧接着1989年2月机电部在无锡召开研讨会，提出"加快基地建设，形成规模生产，注重发展专用电路，加强科研和支持条件，振兴集成电路产业"的发展战略。

1990年8月机电部提出集成电路"908工程"建设计划，主要项目是建设一条6英寸、特征尺寸1微米/0.8微米、月产能2万片、年产3000万块大规模集成电路的产线，同时还对6个专用设备、仪器厂进行技术改造，形成设备仪器的配套能力。"908工程"是一个涉及多部门、多领域的系统性工程，涉及到的相关单位非常多，其中专用设备仪器项目就由机电部45所（分布重复投影光刻机）、机电部48所（离子注入机）、700厂（干法刻蚀机）、708厂（磁控溅射台）、709厂（硅片处理系统）和767厂（测量仪器）承担，项目安排基本建设预算高达27亿元，这在当时也是巨大投资。

紧接着在"九五"期间中国继续加大集成电路投资并启动了"909工程"，该工程主要项目是建设一条8英寸0.5微米产线、3-4个集成电路产品设计开发中心和一条8英寸硅单晶生产线，总投资达到110亿元。另外华虹半导体也是"909工程"下的产物，公司与2000年成立的中芯国际一起成为中国主要的半导体制造企业。

"908工程"与"909工程"虽然对中国半导体产业发展起到积极作用，但无法摆脱建成便落后的窘境，华晶也一度处于亏损中。这一切的根源是90年代国外竞争对手在摩尔定律指引下实现了技术上的跨越，而国内由于各种原因和《瓦森纳协定》的出口管制，技术上已经与国外形成四到五代的代差，差距进一步拉大。

"908工程"中机电部45所提供的是分布重复投影光刻机，此时国外光刻技术已经发展到步进重复光刻机，所用的光源也从汞灯发展到深紫外波段的准分子激光器。参照ASML产品发展路径，在KrF波段通过提升数值孔径NA的方式，已经将光刻机分辨率从1994年的350nm提升到1999年的180nm， "909工程"的建设目标与之相比，差距太明显：

资料来源：ASML光刻机路线图，会议资料整理，阿尔法经济研究

80年代光刻技术进入第三代，也就是步进重复式光刻机时代，此前的接触式/接近式光刻机和投影式光刻机称之为第一代和第二代。步进重复光刻机的主要工作流程是：用自动传输系统将涂敷有光刻胶的晶圆传输到工作台上，将需要光罩也传送到工作台上，然后光刻机用调焦/调评分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和倾斜角等信息，以便在曝光过程中始终将晶圆曝光区域控制在投影物镜焦深范围内。随后系统用对准系统对光罩和晶圆进行对准，并按规定流程完成晶圆的步进曝光过程，实现图形转印功能：

资料来源：公开资料整理，阿尔法经济研究

从工作流程可以看出，步进重复光刻机中晶圆与光罩是无需同步扫描，在结构上与后来的步进扫描光刻机相比，少了同步扫描控制系统等，结构相对简单，成本较低。后续的步进扫描光刻机是在上述工作流程上，将步进-曝光改为扫描-曝光，调焦/调平-对准-曝光在双台机型上改为测量（调平+对准）与扫描曝光并行。

步进重复光刻机是美国GCA公司在1978年推出的，80年代开始尼康和佳能也各自推出步进重复光刻机，这两家日本企业凭借超精密光学和机械能力，到1995年占据了步进重复光刻机70%以上的份额，GCA公司逐步没落。80年代中后期到90年代，光刻机市场份额被尼康和佳能垄断。

资料来源：公开资料整理，阿尔法经济研究

90年代的中国还在为实现"908工程"和"909工程"的目标而努力。虽然受《瓦森纳协定》的影响工程所需的高端设备和技术无法引进，但两项工程对中国半导体产业带来的蝴蝶效应显而易见，产业发展所需的理念、人才和自主创新的重要性也在这一时期逐步汇聚，为之后国家科技重大专项的实施做了早期的探索与尝试。

这一时期除了将光刻机列入"863"计划，基本毫无作为。科技部原计划于2004年完成可满足12英寸晶圆加工的分辨率达到0.1微米的光刻机，并为此成立了上海微电子，但是国产光刻机仍然难产。当然其他相关制造设备上的前进步伐也没有停止。"十五"期间，在前道工艺设备方面45所、48所、中科院光电所和清华大学等科研院所与相关企业一直从事相关设备研究工作，在刻蚀、离子注入和CMP等领域已经有了部分技术积累，但设备国产进度一直比较缓慢：

资料来源：论文资料整理，阿尔法经济研究

"908工程"重要项目华晶150nm生产线于2001年4月通过国家验收，加上此前完成的其他项目，工程总体实现预定目标。"909工程"除了8英寸硅材料项目因资金等原因搁置，但由华虹和日本NEC合资建设的8英寸生产线于1999年建成投产，虽然是一条0.5微米/0.35微米的产线。

总体来看"909工程"取得预期效果，但国产光刻机已经明显落伍了。

国家科技重大专项与上海微电子的逆境追赶

假如将时间推进到2025年甚至2030年，再回过头来评价《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)》（以下简称：《纲要》），这份文件的意义很难用准确的词语来形容。2002年11月十六大召开，会议提出要"制定科学和技术的长远发展规划"，但是对这份规划怎么制定，制定哪些内容，观念的分歧和争论的激烈程度难以想象，尤其是在当初技工贸大行其道的时代。

经济日报记者在2019年1月发了一篇《创新中国—<国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)>出台始末》的文章，有兴趣的读者可以自行查阅。《纲要》在"培育能形成具有核心自主知识产权、对企业自主创新能力的提高具有重大推动作用的战略性产业"等原则上确定了核心电子器件、高端通用芯片及基础软件，极大规模集成电路制造技术及成套工艺，新一代宽带无线移动通信等16项重大专项，涉及信息、生物等战略领域，其中核心电子器件、高端通用芯片及基础软件又称核高基专项或01专项，极大规模集成电路制造技术及成套工艺被称为02专项。02专项在"十二五"期间的重点实施内容和目标分别为：重点进行45-22nm关键制造装备攻关；开发32-22 nm互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺、90-65 nm特色工艺；开展22-14 nm前瞻性研究；形成65-45 nm装备、材料、工艺配套能力及集成电路制造产业链，进一步缩小与世界先进水平差距；装备和材料占国内市场的份额分别达到10%和20%；开拓国际市场。

当然《纲要》的部分目标到现在都没有实现。

技术层面，90年代步进扫描光刻技术成熟并开始用于商业化。步进扫描是指掩模相对晶圆同步完成扫描动作，完成当前场曝光后晶圆由工作台承载步进至下一扫描场位置，然后进行重复曝光，上述过程重复步进并扫描曝光多次，直到整个晶圆所有场曝光完毕：

资料来源：公开资料整理，阿尔法经济研究

从光刻机发展阶段来看步进扫描光刻机可以划分为第四代光刻机。

步进扫描光刻机商业化至今，部分性能指标延续至今。比如步进扫描光刻机的投影物镜倍率为4:1，即掩模图形尺寸是晶圆图形尺寸的4倍；掩模台扫描速度是工作台的4倍且扫描方向相反。投影成像静态视场在x方向尺寸为26mm，虽然在y方向因不同类型的机台差异导致尺寸不同，但经扫描后会形成26mm*33mm的动态视场。

为了减少晶圆等待曝光的时间，步进移动是按照蛇形路径进行，完成一次曝光后曝光系统不复位，而是在下一位置反方向扫描。在曝光中晶圆沿着相反的方向以四分之一的速度移动，现如今掩模的扫描速度可达2400mm/s，对应的晶圆移动速度为600mm/s，较高的扫描速度缩短了曝光时间，从而提高的光刻机的产出率。目前ASML主流的浸没式光刻机产出率普遍超过250片/小时，NXT1470甚至达到300片/小时。

目前光刻机核心关键技术有八类，分别为光刻机系统设计与系统集成技术、微环境控制系统技术、纳米精度高速运动台系统技术、高速、高精度物料传输系统技术、亚纳米高精度传感器系统技术、高性能整机软件系统、低延时电子学系统和高分辨率成像光学技术：

资料来源：会议资料整理，阿尔法经济研究

当然人们更关注的是高分辨率成像光学技术，毕竟把一台光刻机再说得天花乱坠，人们关心的就是它能不能做5nm芯片，能不能给华为做芯片，评价方式就是这样简单粗暴。

曝光系统最核心的两大子系统是光源和投影物镜，前者决定了光刻机分辨率的下限，后者决定了分辨率的上限。

步进扫描光刻机截止目前所使用的光源有三种：高压汞灯、深紫外准分子激光器和EUV极紫外线。高压汞灯能提供254-579nm波长的光，但在商业化中主要使用了波长为436nm的G线、波长为405nm的H线和波长为365nm的I线，其中G线和I线用于半导体器件制造，H线用于显示面板制造。

准分子激光器目前提供两种波长：248nm的KrF和193nm的ArF，浸没式光刻机所用的光源仍然是193nm的ArF，但因为借助水的折射效应，将等效波长降低至134nm，从而提升了光刻机的分辨率。

准分子激光器的工作原理是Kr、Ar等惰性气体在电场和高压环境下与活泼的氟气、氯气等卤族元素气体反应生成不稳定的准分子，这些不稳定的处于激发态的准分子又不断分解为惰性气体和卤族元素气体并释放深紫外光子。准分子激光是脉冲式的，关键参数有脉冲频率、持续时间、稳定性和输出功率等，此外较强的输出功率也是曝光时间能否缩短和产出率能否提升的保证。

除了光源，光路的设计同样是深紫外光刻机的关键技术。所谓的光路是指光源发出的光照射在掩模上，掩模与晶圆形成的光的路径。光路设计主要有反射式和折射式两种，目前常用的是折射式。

1975年佳能提出了4X缩小的光刻机光路，数值孔径NA为0.31，曝光区域是10mm*10mm，曝光时掩模被一次投影在晶圆上，工作台由干涉仪精确定位。目前步进扫描光刻机的光路与佳能的类似，同样采用折射式光路设计，只不过随着数值孔径的不断提升，光路结构越来越复杂，无形中提升了制造的难度。比如目前投影物镜的光路大多设计成折射/反射式，但这种镜头在研制中需要克服局部光斑、入射角和热像差以及偏振状态控制能力保持等难题，因此具有极高的技术壁垒：

资料来源：网络公开资料和会议资料整理，阿尔法经济研究

进入21世纪后虽然中国半导体产业与国外的差距越来越大，但从政府到企业还是在努力推进半导体产业的发展，这其中最重要的三大事件，一是2000年4月中芯国际的成立，二是国家科技重大专项的实施。三是在光刻机领域，2002年上海微电子装备成立，之后承担了国家"02专项"，在光刻机领域开始逆势追赶。2008年11月上海微电子承担的光刻机重大科技专项通过科技部验收，2009年12月首台先进封装光刻机产品SSB500/10A交付用户，2012年SSB500系列先进封装光刻机首次实现海外销售。

但最关键的用于前道工艺的光刻机直到2016年6月交付客户。

上海微电子首台用于前道工艺的光刻机为SSB600/10，采用4:1的投影物镜、工艺自适应调焦调平技术和高速高精度自减震六自由度掩模台技术，可满足90-280nm关键层和非关键层的光刻工艺需求：

资料来源：上海微电子前道光刻机，公司官网整理，阿尔法经济研究

目前SSA600/20是国产光刻机的巅峰之作了。

选择大于努力—为何ASML靠浸没式光刻技术成就霸业？

选择比努力更重要，这一点相信尼康和佳能深有体会。

90年代虽然摩尔定律依旧继续，但光刻技术陷入困境，因为在寻找波长更短的光源时遇到瓶颈。当初在突破这一难题时出现了两种技术路线，其一是佳能和尼康坚持的波长157nm的F2光，第二种便是华裔林本坚提出的浸没式技术，只不过因为当初的尼康和佳能联手称霸光刻机市场，而且浸没式光刻技术实现难度太大，因此被尼康和佳能舍弃。当然后面的故事大家都知道，失意的林本坚与陷入困境的ASML一拍即合，在台积电的协作下，最终将浸没式光刻技术发展成为第五代光刻技术，而尼康和佳能坚守的F2路线最终以失败告终，尼康与佳能也失去了与ASML竞争的机会，沦落为二流。

2004年ASML正式推出第一台量产的浸没式光刻机NXT1250i，而且ASML还率先在光刻机上引入了双工作台技术，使得光刻机产出率大大提高，ASML凭借这两项关键技术基本垄断了浸没式光刻机市场。

浸没式光刻机的原理是在镜头像方下表面与晶圆上表面之间充满折射率为1.44的纯水，提升了成像系统的有效数值孔径（NA=1.35）并将光的等效波长缩短至134nm，光刻机的分辨率也提升至38nm。浸没式光刻机的结构相比干式步进扫描光刻机没有变化，算是ArF光刻机的改进与拓展，也保证了工艺的延续性并节省了光源、设备和工艺的研发成本。当然由于浸没液体的引入，导致设备本身工程难度大幅增加，关键技术涉及浸没液体供给与回收、浸没式液场维持技术、浸没式光刻污染与缺陷控制技术等，也无疑给其他光刻机厂商提出更高的难度。

前文已经提到目前常用的光路设计主要为折射式，这是对于KrF光刻机、g/i线光刻机和ArF干法光刻机而言，而前文提到的折射/反射式光路目前主要应用在浸没式光刻机上，这样的目的是可以减少投影系统光学元件的数量，控制像差和热效应。

当然在具体设计中反射元件数量有奇偶性之分，不同之处在于如果投影光路中反射元件为奇数，投影在晶圆表面上的图形与掩模图形反对称，反之投影在晶圆表面上的图形与掩模图形一致：

资料来源：公开资料整理，阿尔法经济研究

浸没式光刻机工作时并不把晶圆完全浸没在水中，而只是在曝光区域与光刻机透镜之间充满水，这种方案叫做局部浸没式。在此情况下光刻机的曝光头需要特殊设计，目的是保证水随着光刻机在晶圆表面做步进-扫描运动时没有泄露，同时确保水中没有气泡和颗粒，以免带来污染或工艺缺陷。当然光刻机上用的水已经经过去除杂质、去气泡和恒温处理后流入曝光头，填充在晶圆与透镜之间：

资料来源：公开资料整理，阿尔法经济研究

实际上在浸没式光刻机研发过程中人们最先探索的是将晶圆完全浸没在水里，也就是所谓的完全浸没式方案，在该方案中当扫描完成后，透镜所受的切应力需要长时间才能消失，这将影响光刻机的产出率，而且在完全浸没式方案中晶圆的装夹和定位十分困难。局部浸没式率先由尼康于1999年提出，是将晶圆待曝光区域和最后一个投影系统之间充入水，避免了完全浸没式加速大量水所带来的问题。当然局部浸没式仍然有问题，那就是因为水约束在镜头下方有限区域，在工作台高速运动下水的密封成为主要问题：

资料来源：论文资料整理，阿尔法经济研究

解决局部液体密封的难题由ASML完成并于2006年应用于试验型XT1700i光刻机上，之后尼康与东京电子合作研制了基于液密封原理的浸液控制单元。也是因为局部浸液控制单元密封的成熟，局部浸没式方案成为业界公认的主流技术。

2003年在第二届国际浸没光刻研讨会上与会者提出浸没式光刻机十大难题，即浸没液体性质的测定，需要获得满足浸没光刻要求的高折射率液体，目前最成熟的方案是水；基础浸没控制单元部件的开发；提升数值孔径和曝光视场尺寸与维持工作距离的矛盾；气泡的形成、控制与消除；光刻胶曝光后对液体造成的化学污染；光刻胶释放气体；热与化学作用对光刻胶和液体性质的影响；气泡对光刻成像带来的如散射和缺陷的影响；光源偏振态对光刻的影响以及浸没液体的流固耦合振动对物镜和工作台的影响。

实际上作为独立自主研发光刻机的上海微电子，上述问题同样是要面对和要解决的，当然既然上海微电子要在2021-2022年推出分辨率28nm的国产光刻机，上述问题应该解决了。

当然也不排除上海微电子用了新的解决方案。

由于与水接触，在投影物镜的设计上需要考虑物镜中的薄膜光学元件与浸液环境的适应、激光辐照寿命的保障等问题，物镜中元件的透过率、偏振像差等也需要严格满足。当然关键的是由于光刻机最后一片元件需要常年浸泡在液体环境中，需要考虑光学薄膜的防刻蚀、疏水等特性，同时还要保持镀膜元件在浸液环境及长达数年的激光辐照环境下保持光学性能。

ASML在研发浸没式光刻机的过程中与美国康宁、德国蔡司公司等展开了各项合作，比如蔡司公司和尼康等在高数值孔径投影物镜光学性能保障、偏振像差的控制和极高精度薄膜光学元件制造等方面展开了研究，总而言之通过诸多企业的共同努力，浸没式光刻才从最初的设想一步步变成现实，并成为EUV光刻机诞生之前的近20年里最重要的光刻技术，ASML也从籍籍无名的欧洲小厂一步步成为垄断高端光刻机的霸主。

在光刻机曝光系统上，国科精密承担了该领域的国家02专项，研制的国内首套数值孔径0.75的ArF曝光系统Epolith A075已经成功交付用户，实现了整机曝光分辨率85nm的理想结果。Epolith A075 ArF曝光系统同样采用了193nm的准分子激光器，这也是该类光刻机的统一光源。在具体性能指标上，Epolith A075的数值孔径0.75，波前像差和畸变分别为5.1nm和5.7nm，曝光系统的视场为26mm*10.5mm。国产浸没式光刻机能否实现同样与这些企业的努力和进步密不可分。

目前浸没式光刻机中所用的浸没液体是水，实际上为了提升数值孔径，国外还研究了第二代浸没液体，主要有HIF-2G和HIF-3G两种，两种液体折射率为1.64和1.8，这样最终可将数值孔径提升到1.55和1.70。但是目前EUV技术已经成熟并可满足5nm工艺需求，因此在深紫外光刻机上提升数值孔径的意义不大了:

资料来源：论文资料整理，阿尔法经济研究

当然上海微电子想实现浸没式光刻机国产化，在自己做好研发投入的同时也需要与众多科研院所和企业展开各项合作，光刻机发展到深紫外阶段，已经不是一家企业单打独斗能搞定的。

人类顶尖工业皇冠的明珠—EUV光刻机的几点核心技术

EUV光刻机主要有物镜、掩模台、工件台、光源、照明等组成，相比193nm的ArF光，几乎所有的光学材料对13.5nm的极紫外光都有很强的吸收，就连空气都能吸收EUV，到达光刻胶时光能量损失超过95%，因此EUV光刻机的光学系统采用全反射式曝光系统，这也是EUV光刻机的核心技术：

资料来源：ASML的EUV光刻机结构图，公开资料整理，阿尔法经济研究

EUV光刻机主要关键技术有以下几方面。在架构设计方面，要做到与光学光刻机共用平台，针对真空腔与全反射式曝光系统开展系统设计；在高真空环境下还要研究密封性设计，材料方面还要考虑抑制释放气体以及相应的污染控制。

资料来源：EUV光刻机关键技术，公开资料整理，阿尔法经济研究

EUV的反射镜表面镀有Mo/Si多层膜，其中Mo层厚度为2.8nm，Si层厚度为4.1nm，一个Mo/Si的厚度为6.9nm，在多层膜表面镀有一层2-3nm的Ru保护膜。在给Mo/Si膜的表面镀一层Ru膜的目的是可以有效延缓Mo/Si的氧化，降低C在表面沉积的速率。

实际上在EUV光学系统环境中水分子和碳氢化合物是导致反射镜表面反射率降低的主要原因。这些水分子和碳氢化合物可能来源是材料表明的放气、泄漏和真空系统自身。在高能量EUV光照下水分子会氧化Mo/Si，碳氢化合物会分解，在反射镜表面沉积一层碳膜。数据显示反射镜表面沉积0.3nm的氧化层便会导致约1%的反射率损失。

当然目前业界也在研究其他多层膜以便进一步提高反射率，比如在Mo/Si层中加入Rh、Sr等材料；对每一层材料厚度做优化以及使用B4C作为保护层等。

EUV光刻机的曝光系统设计成一系列反射镜，光路的路径如下：光源发出的13.5nm的光被收集后通过几个反射镜形成所需要的光照方式并照射在掩模上。掩模同样设计成反射式的，从掩模反射出的光包含了掩模上的图形信息，这些带有信息的光通过另一组反射镜投影在晶圆上实现曝光：

资料来源：论文资料整理，阿尔法经济研究

在EUV光刻机中通过使用6个反射镜实现了0.33 的数值孔径，但若要提升数值孔径就需要增加更多的反射镜，比如将反射镜增加到8个便可将数值孔径提升到0.5。另外通过增加非球面度可进一步提高成像质量，减少波前误差；通过降低面型粗糙度可降低杂散光，提高对比度等：

资料来源：论文资料整理，阿尔法经济研究

不过有一个新的问题是由于使用的反射镜中心有孔，这样带来的问题是曝光视场的缩小，导致达不到26mm*33mm，而目前26mm*33mm在深紫外和极紫外为统一的视场标准。

在光源结构设计上，目前EUV光刻机的光源有两种：用放电产生的等离子体发射EUV光子的DPP技术以及用激光激发的等离子体来发射EUV光子的LPP技术，这两个技术的共同点是先激发产生20-50eV的等离子体，等离子体再辐射出EUV光子。不过LPP因为比较容易实现输出功率的提升，虽然结构复杂，造价较高，但仍然成为主要的光源收集方式。

EUV的LPP光源系统的结构，由驱动激光器、光束传递系统和EUV腔系统三部分组成。驱动激光系统包含CO2激光器和预脉冲激光器，其中CO2激光器是一套主振功率放大(MOPA)系统，该主振荡器包含多个量子级联激光器，一套再生放大器，和一套基于射频放电激发、平板波导和多程放大器的后置放大系统：

资料来源：EUV光刻机LPP光源系统结构，论文资料整理，阿尔法经济研究

预脉冲激光和CO2激光束在光束传输系统中被混合起来，并通过EUV腔系统中的对焦单元导入到等离子体态的锡液滴上。锡等离子体产生的EUV光束被收集镜收集起来，并导入到曝光系统中。超导磁场系统位于EUV腔外部，并能在EUV腔内产生高强度的磁场，从而保护收集器镜面不受锡等离子体产生的高速锡离子的影响。此外，该系统配备有若干套射击控制回路，如液滴定位控制、激光光束轴、定时控制器，以确保液滴和激光器间能拥有μm至nm量级的射击精度。

在DPP技术中注入的材料如Sn或Xe在电场作用下生成等离子体，然后磁场对其进一步压缩使之达到高温、高密度并产生EUV辐射。当然在LPP技术中是用激光激发方式产生EUV辐射。

目前光刻机主要用Sn来激发EUV光子，主要的原因是Xe的转换效率不到1%，绝大多数输入能量变成热能，因此效率太低，而且光源散热不容易解决。

衡量EUV光源的重要性能指标为转换效率和输出功率，其中转换效率为13.5nm附近2%带宽内输出的能量占总输入能量的百分比；输出功率则是在中间汇聚点测得的功率：

资料来源：公开资料整理，阿尔法经济研究

光刻机光源输出功率和光刻胶敏感度是决定光刻机产能的主要因素，曝光功率越大、光刻胶越敏感，晶圆曝光所需要的时间就越短，产出率越高。

目前提高EUV光源输出功率的方法主要在四个方面：第一是增加激光器的激发功率，包括增加激光器功率放大的能力和提高脉冲频率；第二是提高转换效率；第三是提高对发光的控制，包括提高激光与Sn滴之间的稳定性和Sn滴的动量；第四是提高收集系统使用寿命。

原创声明：本文作者系阿尔法经济研究原创，欢迎个人转发，谢绝媒体、公众号或网站未经授权转载。

免责声明：阿尔法经济研究发布的内容仅供参考，不构成任何投资建议。