引言—光刻机：人类顶尖工业皇冠上璀璨的明珠

在中国集成电路产业自主可控的道路上光刻机将是最难克服的一环，这一点中芯国际有着深刻的体会。2018年5月中芯国际竭尽全力向荷兰ASML订购了一台EUV光刻机，价值高达1.2亿美元，而2017年公司扣非归母净利润仅有1.28亿美元。这台光刻机原本于2019年初交付使用，但是在2018年12月临近交付的时候，ASML突发大火导致交付延期，2019年底则因为出口许可证到期以及部分"不可抗拒"的因素，这台命运多舛的EUV光刻机到现在还未交付。

虽然通过浸没式光刻和多重图形等技术，采用193nm光源的ArF光刻机可以满足7nm节点要求，但在光刻过程中由于使用的光罩数量非常多，工艺复杂，光刻缺陷、套刻误差、成本以及良率等是台积电等晶圆制造厂商不得不考虑的问题，相比而言EUV光刻机光源波长仅有13.5nm，可以做到"一步到位"。对台积电和中芯国际这样的晶圆制造厂商，谁能拿到EUV光刻机，再舍得砸一点钱，谁将在先进制造工艺上占据制高点，迅速抢占市场份额，获得更多的经济利益，这也是近几年台积电一家独大的重要原因。

研发一款光刻机的难度不亚于研发一台航空发动机，正如一位网友所言，航空发动机是在极端高温高压下挑战材料和能量密度的极限，而光刻机是在比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同样是人类顶尖工业皇冠上璀璨的明珠。

光刻机工作原理：一个放大的单反

光刻工艺的原理是：利用涂敷在衬底表面的光刻胶的光化学反应作用，将光罩上画好的电路图形信息从光罩上保真传输、转印到半导体材料衬底上，工作原理上就是一个放大的单反：

资料来源：公开资料整理，阿尔法经济研究

光刻主要分涂胶、光刻和显影三道工序，其中涂胶是通过涂胶机将光刻胶涂敷在衬底表面，接着使用光刻机对涂有光刻胶的衬底进行曝光，实现将电路图形信息从光罩保真传输、转印到衬底表面的目的，最后显影机对曝光衬底进行显影，去除或保留受到曝光后发生光化学反应的光刻胶：

资料来源：公开资料整理，阿尔法经济研究

光刻机分为无掩模光刻机和有掩模光刻机两种，被大众所致的ASML的深紫外光刻机和EUV光刻机等均为有掩模光刻机，所谓的掩模也称之为光罩，是一种可以选择性阻挡光、辐射或物质穿透的掩蔽模板，上面刻有电路图形。无掩模光刻机中常见的是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板上直接绘制电路图形的设备。

在集成电路产业中通常把晶圆制造称为前道工艺，晶圆封测工艺称为后道工艺，相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，属于前道工艺，技术要求要高于后道光刻机，本文讨论的是用于前道工艺的有掩模光刻机。

光刻机发展简史—第一代光刻机：接触式/接近式光刻机

光刻机总体经历了六个发展阶段。早期光刻机采用的是接触式光刻技术，通常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。

接触式光刻机具有分辨率高、精度好、曝光设备简单等优点，而且由于晶圆与光罩直接接触，减小了光的衍射效应，但是在接触过程中容易损伤和玷污光罩和晶圆上的光刻胶层，影响成品率和光罩寿命，因此主要用于小规模半导体制造，目前部分场合还在使用。

在70年代接近式光刻机逐渐发展成熟。相比接触式光刻机，接近式光刻机的光罩与晶圆上的光刻胶没有直接接触，而是留有充满氮气的间隙，间隙大小由氮气的气压决定。由于光罩与光刻胶没有直接接触，因此降低了光罩的损耗，同时降低了光刻中引入的缺陷，提高了成品率。在接近式光刻机中晶圆与光刻胶存在的间隙使得晶圆处于菲涅尔衍射区域，也因此限制了接近式光刻机分辨率的进一步提升，因此接近式光刻机主要用于3m以上的半导体。

由于第一代光刻机的技术比较初级，类似于大号的胶片相机，因此在相机领域有技术积累的佳能和尼康在60年代末就进入光刻机领域， GCA和Kasper等公司也拥有一定的制造能力，这几家公司成为早期光刻机市场的玩家。

接触/接近式光刻机目前还活跃在半导体产业中，国外厂商中德国苏斯、奥地利EVG和中国电子科技集团45研究所等均有生产，比如45所生产的BG-401A光刻机就是一种真空接触式光刻机，分辨率1μm，主要用于4英寸及以下晶圆的中小规模半导体和SAW器件的单面对准及曝光工艺：

资料来源：中电45所BG-401A光刻机图片，阿尔法经济研究

第二代光刻机：光学投影光刻机

光学投影光刻机和X射线光刻机、一倍宽带扫描机等看起来像是步进式光刻机成熟前的不同技术路线的尝试。投影式光刻机已经采用了步进-扫描的曝光方式，步进的意思简单的说就是把透过光罩的大约一平方厘米的光束照在晶圆上，曝光完一块后便挪个位置曝光下一块。

光学投影光刻机的工作原理是将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：

资料来源：公开资料整理，阿尔法经济研究

为了尽量减少晶圆等待曝光时间，光学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。

光学投影光刻机在70年代中后期开始替代接触/接近式光刻机，早期的光学投影光刻机的光罩与衬底图形尺寸比例为1:1，因此随着半导体特征尺寸的不断缩小和衬底尺寸的增大，光学投影光刻机便不能很好的满足光刻工艺要求，后续逐渐被步进重复光刻机所取代。

第三代光刻机：步进重复光刻机

步进重复光刻机的出现不仅让半导体制造工艺迈入亚微米级，而且奠定了后来光刻机的部分技术基础。步进重复光刻机是利用22mm*22mm的典型静态曝光视场和放大倍数1:4或1:5的物镜，将光罩上的图形转印到晶圆上。步进重复光刻机的曝光视场还有53mm*33mm和44mm*44mm。

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：《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。目前步进重复光刻机主要用于0.25mm以上的半导体制造以及先进封装等领域。

世界上第一台步进重复光刻机由美国GCA公司于1978年推出，80年代开始尼康和佳能也各自推出了步进重复光刻机并一度占据70%的市场份额，GCA的大客户IBM、英特尔和AMD等也逐渐被尼康挖走，至此GCA公司逐步没落。

80年代光刻机市场呈群雄争霸的格局，除了GCA、尼康和佳能，还有美国Ultratech公司、Eaton公司和日立等，当然还有一家由飞利浦和荷兰ASM International公司合资成立的ASML，但在当时ASML还是刚出茅庐的新兵蛋子，没人关注。

第四代光刻机：步进扫描光刻机

1965年英特尔创始人之一摩尔提出了摩尔定律，最初内容是当价格不变时集成电路上可容纳的元器件数目约每隔18-24个月增加一倍，性能也提升一倍。即便当前有人在喊摩尔定律已经失效，还有人提出了超摩尔定律，但不可否认的是在半导体技术发展中摩尔定律起到了引领作用。

根据瑞利分辨率公式R=k1*(/NA)可知，提高光刻机分辨率的理论路径是增大数值孔径NA、减小波长和减小工艺因子k1，其中工艺因子的理论极限值为0.25，提升空间有限，因此设备厂商纷纷在波长和NA上打起了主意。在光刻机技术迭代上，幸存的尼康、佳能、第一代步进扫描光刻机制造商SVG和光刻机新贵ASML在曝光源波长上展开了激烈竞争，在这一过程中有的提前阵亡，有的停滞不前，有的则异军突起，同时厂商之间激烈竞争，在竞争的过程中光刻机光源波长也由g线的436nm、i线的365nm一步步缩小至248nm和193nm。

193nm的ArF光刻机早在90年代中期便已推出，但是后来在超越193nm的方案时遇到了各种难题，即便157nm的F2光刻机在SVG和尼康的努力下接近产业化，但由于157nm的光会被193nm光刻机上的镜片吸收，光刻胶也要重新研制，产业化难度大且研发投入产出比太低，以及157nm的光不能穿透纯水，无法和浸没式技术相结合，因此157nm技术路线最终无奈放弃，尼康失去了超越ASML的机会，SVG更是直接被收购。最终ASML通过浸没式技术解决了这一难题，后续尼康在F2光刻机失败后也不得已转向浸没式光刻技术，佳能则至此掉队。

与步进重复光刻机不同的是，步进扫描光刻机的单场曝光采用动态扫描方式，即光罩相对晶圆同步完成扫描运动，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继续重复曝光，直至整个晶圆所有场曝光完毕：

资料来源：《半导体制造技术》，阿尔法经济研究

步进扫描光刻机的投影物镜倍率为4:1，即光罩的图形尺寸为晶圆图形尺寸的4倍，故光罩扫描速度也为工作台的四倍，且扫描方向相反。与步进重复光刻机相比步进扫描光刻机成像系统静态视场更小，在同等成像性能约束下投影物镜制造难度降低，因此在0.18mm工艺节点后光刻机厂商基本采用步进扫描技术并沿用至今。同时在该技术上通过配置193nm、193nm浸没式和13.5nm的EUV光源，形成了步进扫描光刻机家族。

步进扫描时代光刻机市场已经被ASML和尼康所垄断，2001年ASML便推出了TWINSCAN系列光刻机，目前已经形成XT系列、NXT系列和NXE系列步进扫描光刻机家族，其最先进的NXE3400C采用EUV光源，分辨率低于13nm，套刻精度达到1.5nm的水平。尼康的步进扫描光刻机有NSR-S635E等型号，覆盖了i线到ArF浸没式，但性能上套刻精度与ASML有一定差距，而且尼康的光刻机性能上有缺陷，不能做到真正意义上的扫描和光刻同步，已经被英特尔放弃，在深紫外至极紫外光刻机领域ASML一家独大：

资料来源：各公司官网整理，阿尔法经济研究

第五代光刻机：浸没式光刻机

前文已经提到，为了突破193nm的光源瓶颈，尼康和SVG大力推进F2，但最终因为各种原因功亏一篑，而ASML则用镜头间加水的方式，解决了这一问题。由于水的折射率是1.44，因此193nm的光经过折射，等效波长降至134nm，并最终通过多重光刻、改进的高NA镜头、FinFET等技术，将浸没式光刻机的光刻工艺提升至7nm的极限节点：

资料来源：公开资料整理，阿尔法经济研究

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。实际上目前为止能量产浸没式光刻机的厂商也就ASML和尼康两家，而真正能进入台积电和英特尔等晶圆制造厂商产线的也就ASML一家。

第六代光刻机：人类顶尖工业皇冠上璀璨的明珠—EUV光刻机

虽然通过浸没式技术和多重光刻技术等，采用ArF光源的光刻机可以满足7nm节点工艺要求，但是在实际应用中仍然面临巨大挑战，首先就是光刻机使用的超纯水中可能含有影响晶圆表面而形成缺陷的颗粒物，同时水泡会分散曝光所用的光，歪曲空中的影像而在晶圆的光阻层中形成气泡缺陷，因此EUV光刻机的出现"一步到位"解决了浸没式光刻机的缺陷。

因为EUV光在穿透物体时的散射和吸收非常厉害，就连空气和镜头玻璃都能吸收EUV，到达光刻胶时光能量损失超过95%，因此EUV光刻机研制中可靠的光源始终是一大技术瓶颈。ASML主要通过反射镜替代透镜的技术解决了镜头玻璃吸收EUV的问题，同时还应用了主震荡功率放大器、Predictive Plasma技术和原位收集镜清洁技术，使得EUV的功率及稳定性大幅提高。

资料来源：ASML官网，阿尔法经济研究

EUV光刻机在反射镜上曾经验证了Mo/Si多层膜和Mo/Be多层膜，理论上Mo/Be多层膜在波长11.1nm处的反射率理论上能达到80%，但由于Be具有较强的毒性，因此在研发过程中被放弃，最终EUV光刻机使用了Mo/Si多层膜，该膜在13-13.5nm波长范围内的理论反射率可达到70%，最终EUV光刻机的曝光波长确定为13.5nm。在EUV光刻机中Mo/Si多层膜设计成布拉格反射器，即将多层的反射集中成单一反射，再加上光刻机腔体内部采用真空系统，通过上述措施比较好的解决了EUV光源散射的问题。

在光学组件上ASML与卡尔蔡司公司进行了合作。蔡司公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，由创始人卡尔蔡司、恩斯特卡尔阿贝和奥托肖特于1848年在耶拿创立，是一家百年老企。蔡司公司曾经涉足光刻机，但是后续因为各种原因放弃了光刻机业务，转而将精力放在光学显微技术上。

蔡司公司为ASML提供了Starlith光学组件系统，也使得ASML的EUV梦想成为现实，2013年公司首次推出EUV光刻机NXE3300B。2016年ASML还收购了24.9%的蔡司公司股份并实现了利益的绑定，并承诺投入8.4亿美元用于研发数值孔径高于0.5的镜头，蔡司公司在EUV光学模块上也处于全球顶尖地位。2012年ASML将英特尔、三星和台积电纳为自己的股东，在技术、资金方面对EUV光刻机的研发及量产提供了保证，英特尔等同时也拥有了EUV光刻机的优先购买权，中芯国际只是个普通买家而已。

资料来源：Starlith光学组件（部分），蔡司公司官网，阿尔法经济研究

当然由于NXE3300B的分辨率仅为22nm，套刻精度上不能很好满足10nm以下节点的工艺要求，而且产出率仅为55片/小时，经济效益不显著，直到2016年ASML推出NXE3400B，才使得EUV的技术优势与生产效益体现出来，台积电和三星等晶圆代工厂商在技术上也实现了突破，之后10nm、7nm等先进工艺相继量产，2020年一季度台积电的5nm已经量产并贡献收入，3nm甚至1nm的工艺也正处于研发阶段，在EUV光刻机的助推下光刻工艺不断逼近物理极限。

虽然在EUV光刻机上ASML一家独大，在深紫外光刻机上也是事实上的一家独大，但公司并未停下前进的脚步，有资料显示ASML正在推进二代EUV光刻机的研发，未来使用数值孔径0.5的EUV光刻机将采用中心拦光的投影物镜系统，采用0.25/0.125倍的非对称倍率，曝光视场将从目前的26mm*33mm缩小为26mm*16.5mm，分辨率将达到8nm以下，二代EUV光刻机预计将在2024年推出，光学组件仍由蔡司公司提供。

EUV光刻机重量高达180吨，全机超过10万个零部件，需要40个集装箱运输，按照调试需要一年多时间，国外有公司号称"即使把图纸和元器件全部给你们，你们也装配不出来"，光刻机究竟有多复杂，读者自己心里琢磨吧。

日本光刻机的衰落与中国光刻机的进击

光刻机发展至今已有半个多世纪了，曾经的光刻机巨头里尼康和佳能在中低端领域苟延残喘， GCA、Eaton等公司那样早已消失在光刻机的世界里，剩下的ASML已经让其他厂商望其项背了。

AMSL形成了低端、中端、高端和超高端的产品体系，其中90年代面世的PASS5500系列单台步进式光刻机主打低端市场，光刻机光源包括i线、KrF和ArF等，分辨率90-220nm，出片率在135-150片/小时之间。2000年以后问世的XT系列和NXT系列光刻机主要面向中端和高端市场，XT系列光刻机分辨率65-110nm，NXT系列光刻机分辨率达到38nm。在低端光刻机市场与ASML形成竞争的是佳能的FPA-6300ES6a，采用KrF光源，分辨率90nm，出片率200片/小时。

尼康的NSR系列光刻机覆盖了i线、KrF、ArF和ArF浸没式，尤其是NSR-S622D和NSR-S635E均采用了浸没式光刻技术，分辨率达到38nm，其中NSR-S635E套刻精度与ASML的NXT1980Di浸没式光刻机相当，应付7-28nm节点毫无压力，但是从近几年尼康的光刻机销量来看却因种种原因不尽人意，主要是光刻机自身有一定性能缺陷，包括中芯国际、长江存储和上海华虹在内的国内厂商还是向ASML购买浸没式光刻机，即便尼康的光刻机要比ASML的便宜一半。

日本光刻机衰落的原因很多，日本一桥大学学者中马宏之认为相比尼康和佳能，ASML的零部件90%以上采购自外部企业，高度外包的策略让ASML可以快速获取各领域最先进的技术，让自己得以专注于客户需求以及系统整合。

虽然在集成电路光刻机领域日本已经无力与ASML抗衡，但是在面板光刻机领域以尼康为代表的日本企业仍然可以一战，比如尼康的FX系列面板光刻机适用于6世代到11世代的TFT-LCD面板光刻，对准精度也领先同类企业：

资料来源：尼康公司官网，阿尔法经济研究

面板光刻机也成为尼康光刻机业务最后的遮羞布了。

华为中兴事件发生以来，国产替代成为全民议论的热门话题，光刻机实现国产化是全民期望，但是真正迎来国产替代的那天，恐怕还需要很多年，因为国产光刻机与国外的差距太明显了。

国内有能力交付前道光刻机整机的仅有上海微电子装备，目前公司已经拥有KrF、ArF和i线光刻机的研发和生产能力，最先进的SSA600/20型光刻机虽然使用了ArF光源，但是分辨率仅有90nm，与ASML90年代生产的PASS5500系列KrF光刻机接近，套刻精度也远低于ASML和尼康同类机型，而且产出率仅有80片/小时，明显低于ASML和尼康等同类设备。合肥芯硕半导体有限公司与无锡影速半导体科技有限公司主要从事直写光刻设备研发，与上海微电子装备的技术路线不同，分辨率还停留在200nm水平，没有比较的价值。

综上所述，承载光刻机国产替代的重任落在了上海微电子装备上，性能上国产光刻机的性能与ASML有着20年左右的差距，在低端市场可以实现部分替代，中高端无能为力。有消息称上海微电子装备正在推进分辨率65nm甚至45nm的浸没式光刻机，但目前进展如何不得而知。

国产光刻机面临两难选择：光刻机实现国产替代自主可控固然重要，避免关键时刻被“卡脖子”，但是高端光刻机的技术要求是在太高，国产光刻机水平基本处于20多年前ASML的水平。

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