中國(guó)目前的光刻機(jī)技術(shù)還在起步探索階段，雖然取得了一些小成就，但離國(guó)外先進(jìn)技術(shù)差距還很大，希望通過(guò)目前科研人員的努力，能真正用上性能強(qiáng)，穩(wěn)定性高的高端國(guó)產(chǎn)芯片。

一、背景

光刻機(jī)是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中最關(guān)鍵設(shè)備，也被譽(yù)為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)皇冠上的明珠。集成電路里的晶體管是通過(guò)光刻工藝在晶圓上做出來(lái)的，光刻工藝決定了半導(dǎo)體線路的線寬，同時(shí)也決定了芯片的性能和功耗。

工欲善其事，必先利其器，要想半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)突破技術(shù)封鎖，要想開(kāi)發(fā)先進(jìn)的半導(dǎo)體制程，就必需要有先進(jìn)的光刻機(jī)。

近期，關(guān)于光刻機(jī)，中芯國(guó)際、長(zhǎng)江存儲(chǔ)、華虹先后傳來(lái)好消息。

中芯國(guó)際（SMIC）訂購(gòu)的是最新型的使用EUV（極紫外線）技術(shù)的芯片制造機(jī)器光刻機(jī)，價(jià)值1.2億歐元，與其去年凈利潤(rùn)1.264億美元大致相當(dāng)。長(zhǎng)江存儲(chǔ)裝入193nm浸潤(rùn)式光刻機(jī)，售價(jià)7200萬(wàn)美元（約合人民幣4.6億元），可用于14-20nm工藝。華虹集團(tuán)旗下上海華力集成電路制造有限公司裝入193nm雙級(jí)沉浸式光刻機(jī)，用于10nm級(jí)（14~20nm）晶圓生產(chǎn)。

盡管它們裝入或訂購(gòu)的光刻機(jī)型號(hào)不同，但它們來(lái)自同一個(gè)荷蘭公司——ASML。

還有一個(gè)共同點(diǎn)不難發(fā)現(xiàn)，就是光刻機(jī)單價(jià)是極高的。由于光刻機(jī)涉及系統(tǒng)集成、精密光學(xué)、精密運(yùn)動(dòng)、精密物料傳輸、高精度微環(huán)境控制等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，是所有半導(dǎo)體制造設(shè)備中技術(shù)含量最高的設(shè)備，因此也具備極高的單臺(tái)價(jià)值量。

二、光刻機(jī)關(guān)鍵技術(shù)及工作原理

那么，在我國(guó)光刻機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀如何呢？我們和國(guó)外的光刻機(jī)設(shè)備廠商存在哪些差距呢？在具體到每個(gè)廠商市場(chǎng)和產(chǎn)品介紹之前，本文會(huì)先介紹一下關(guān)于光刻機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)及原理。

光刻機(jī)就是放大的單反，光刻機(jī)就是將光罩上的設(shè)計(jì)好集成電路圖形通過(guò)光線的曝光印到光感材料上，形成圖形。最核心的就是鏡頭，這個(gè)不是一般的鏡頭，可以達(dá)到高2米直徑1米，甚至更大。

光源：

光源是光刻機(jī)核心之一，光刻機(jī)的工藝能力首先取決于其光源的波長(zhǎng)。下表是各類光刻機(jī)光源的具體參數(shù)：

最早光刻機(jī)的光源是采用汞燈產(chǎn)生的紫外光源(UV: Ultraviolet Light)，從g-line一直發(fā)展到i-line，波長(zhǎng)縮小到365nm，實(shí)際對(duì)應(yīng)的分辨率大約在200nm以上。

隨后，業(yè)界采用了準(zhǔn)分子激光的深紫外光源(DUV: Deep Ultraviolet Light)。將波長(zhǎng)進(jìn)一步縮小到ArF的193nm。不過(guò)原本接下來(lái)打算采用的157nm的F2準(zhǔn)分子激光上遇到了一系列技術(shù)障礙以后，ArF加浸入技術(shù)(Immersion Technology)成為了主流。

所謂浸入技術(shù)，就是讓鏡頭和硅片之間的空間浸泡于液體之中。由于液體的折射率大于1，使得激光的實(shí)際波長(zhǎng)會(huì)大幅度縮小。目前主流采用的純凈水的折射率為1.44，所以ArF加浸入技術(shù)實(shí)際等效的波長(zhǎng)為193nm/1.44=134nm。從而實(shí)現(xiàn)更高的分辨率。F2準(zhǔn)分子激光之所以沒(méi)有得以發(fā)展的一個(gè)重大原因是，157nm波長(zhǎng)的光線不能穿透純凈水，無(wú)法和浸入技術(shù)結(jié)合。所以，準(zhǔn)分子激光光源只發(fā)展到了ArF。

這之后，業(yè)界開(kāi)始采用極紫外光源(EUV: Extreme Ultraviolet Light)來(lái)進(jìn)一步提供更短波長(zhǎng)的光源。目前主要采用的辦法是將準(zhǔn)分子激光照射在錫等靶材上，激發(fā)出13.5nm的光子，作為光刻機(jī)光源。目前，各大Foundry廠在7nm以下的最高端工藝上都會(huì)采用EUV光刻機(jī)，其中三星在7nm節(jié)點(diǎn)上就已經(jīng)采用了。而目前只有荷蘭ASML一家能夠提供可供量產(chǎn)用的EUV光刻機(jī)。

分辨率：

光刻機(jī)的分辨率(Resolution)表示光刻機(jī)能清晰投影最小圖像的能力，是光刻機(jī)最重要的技術(shù)指標(biāo)之一，決定了光刻機(jī)能夠被應(yīng)用于的工藝節(jié)點(diǎn)水平。但必須注意的是，雖然分辨率和光源波長(zhǎng)有著密切關(guān)系，但兩者并非是完全對(duì)應(yīng)。具體而言二者關(guān)系公式是：

公式中R代表分辨率；λ代表光源波長(zhǎng)；k1是工藝相關(guān)參數(shù)，一般多在0.25到0.4之間；NA(Numerical Aperture)被稱作數(shù)值孔徑，是光學(xué)鏡頭的一個(gè)重要指標(biāo)，一般光刻機(jī)設(shè)備都會(huì)明確標(biāo)注該指標(biāo)的數(shù)值。

所以我們?cè)谘芯亢土私夤饪虣C(jī)性能的時(shí)候，一定要確認(rèn)該值。在光源波長(zhǎng)不變的情況下，NA的大小直接決定和光刻機(jī)的實(shí)際分辨率，也等于決定了光刻機(jī)能夠達(dá)到的最高的工藝節(jié)點(diǎn)。

關(guān)于這個(gè)參數(shù)的具體含義和詳細(xì)解釋，有興趣的朋友可以參考維基百科。

套刻精度：

套刻精度(Overlay Accuracy)的基本含義時(shí)指前后兩道光刻工序之間彼此圖形的對(duì)準(zhǔn)精度(3σ)，如果對(duì)準(zhǔn)的偏差過(guò)大，就會(huì)直接影響產(chǎn)品的良率。對(duì)于高階的光刻機(jī)，一般設(shè)備供應(yīng)商就套刻精度會(huì)提供兩個(gè)數(shù)值，一種是單機(jī)自身的兩次套刻誤差，另一種是兩臺(tái)設(shè)備（不同設(shè)備）間的套刻誤差。

套刻精度其實(shí)是光刻機(jī)的另一個(gè)非常重要的技術(shù)指標(biāo)，不過(guò)有時(shí)非專業(yè)人士在研究學(xué)習(xí)光刻機(jī)性能時(shí)會(huì)容易忽略。我們?cè)诤竺娴母鞔蠊?yīng)商產(chǎn)品詳細(xì)列表里，特意加上了這個(gè)指標(biāo)。

工藝節(jié)點(diǎn)：

工藝節(jié)點(diǎn)(nodes)是反映集成電路技術(shù)工藝水平最直接的參數(shù)。目前主流的節(jié)點(diǎn)為0.35um、0.25um、0.18um、90nm、65nm、40nm、28nm、20nm、16/14nm、10nm、7nm等。傳統(tǒng)上(在28nm節(jié)點(diǎn)以前)，節(jié)點(diǎn)的數(shù)值一般指MOS管柵極的最小長(zhǎng)度(gate length)，也有用第二層金屬層(M2)走線的最小間距(pitch)作為節(jié)點(diǎn)指標(biāo)的。

節(jié)點(diǎn)的尺寸數(shù)值基本上和晶體管的長(zhǎng)寬成正比關(guān)系，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)基本上是前一個(gè)節(jié)點(diǎn)的0.7倍。這樣以來(lái)，由于0.7X0.7=0.49，所以每一代工藝節(jié)點(diǎn)上晶體管的面積都比上一代小大約一半，也就是說(shuō)單位面積上的晶體管數(shù)量翻了一番。這也是著名的摩爾定律(Moore's Law)的基礎(chǔ)所在。一般而言，大約18~24個(gè)月，工藝節(jié)點(diǎn)就會(huì)發(fā)展一代。

但是到了28nm之后的工藝，節(jié)點(diǎn)的數(shù)值變得有些混亂。一些Foundry廠可能是出于商業(yè)宣傳的考量，故意用一些圖形的特征尺寸(Feature Size)來(lái)表示工藝節(jié)點(diǎn)，他們往往用最致密周期圖形的半間距長(zhǎng)度來(lái)作為工藝節(jié)點(diǎn)的數(shù)值。這樣一來(lái)，雖然工藝節(jié)點(diǎn)的發(fā)展依然是按照0.7倍的規(guī)律前進(jìn)，但實(shí)際上晶體管的面積以及電性能的提升則遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于節(jié)點(diǎn)數(shù)值變化。更為麻煩的是，不同F(xiàn)oundry的工藝節(jié)點(diǎn)換算方法不一，這便導(dǎo)致了很多理解上的混亂。根據(jù)英特爾的數(shù)據(jù)，他們20nm工藝的實(shí)際性能就已經(jīng)相當(dāng)于三星的14nm和臺(tái)積電的16nm工藝了。

上圖為英特爾公布的10nm節(jié)點(diǎn)詳細(xì)工藝參數(shù)對(duì)比。由圖可以明顯看到，同樣10nm工藝節(jié)點(diǎn)上，英特爾的晶體管密度大約是三星和臺(tái)積電的兩倍。

以上內(nèi)容簡(jiǎn)單介紹了集成電路工藝節(jié)點(diǎn)的相關(guān)知識(shí)，有興趣的讀者可以參考Semiconductor Engineering上的文章Nodes Vs. Nodelets來(lái)了解更多關(guān)于工藝節(jié)點(diǎn)的知識(shí)。 不過(guò)本文著重要討論光刻機(jī)對(duì)于工藝節(jié)點(diǎn)發(fā)展的影響和貢獻(xiàn)。

在65nm工藝及以前，工藝節(jié)點(diǎn)的數(shù)值幾乎和光刻機(jī)的最高分辨率是一致的。由于鏡頭NA的指標(biāo)沒(méi)有太大的變化，所以工藝節(jié)點(diǎn)的水平主要由光源的波長(zhǎng)所決定。ArF 193nm的波長(zhǎng)可以實(shí)現(xiàn)的最高工藝節(jié)點(diǎn)就是65nm。

而到了65nm以后，由于光源波長(zhǎng)難于進(jìn)一步突破，業(yè)界采用了浸入式技術(shù)，將等效的光源波長(zhǎng)縮小到了134nm。不僅如此，在液體中鏡頭的NA參數(shù)也有了較大的突破。根據(jù)ASML產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息，采用浸入技術(shù)之后，NA值由0.50–0.93發(fā)展到了0.85–1.35，從而進(jìn)一步提高了分辨率。同時(shí)，在相移掩模(Phase-Shift Mask)和OPC(Optical Proximity Correction)等技術(shù)的協(xié)同助力之下，在光刻設(shè)備的光源不變的條件下，業(yè)界將工藝節(jié)點(diǎn)一直推進(jìn)到了28nm。

而到了28nm以后，由于單次曝光的圖形間距已經(jīng)無(wú)法進(jìn)一步提升，所以業(yè)界開(kāi)始廣泛采用Multiple Patterning的技術(shù)來(lái)提高圖形密度，也就是利用多次曝光和刻蝕的辦法來(lái)產(chǎn)生更致密圖形。

Multiple Patterning的技術(shù)路徑很多，本文不做展開(kāi)介紹，有興趣的讀者可以參考維基百科。

值得特別注意的是，Multiple Patterning技術(shù)的引入導(dǎo)致了掩模(Mask)和生產(chǎn)工序的增加，直接導(dǎo)致了成本的劇烈上升，同時(shí)給良率管理也帶來(lái)一定的麻煩。同時(shí)由于前述的原因，節(jié)點(diǎn)的提升并沒(méi)有帶來(lái)芯片性能成比例的增加，所以目前只有那些對(duì)芯片性能和功耗有著極端要求的產(chǎn)品才會(huì)采用這些高階工藝節(jié)點(diǎn)技術(shù)。于是，28nm便成為了工藝節(jié)點(diǎn)的一個(gè)重要的分水嶺，它和下一代工藝之間在性價(jià)比上有著巨大的差別。大量不需要特別高性能，而對(duì)成本敏感的產(chǎn)品(比如IOT領(lǐng)域的芯片)會(huì)長(zhǎng)期對(duì)28nm工藝有著需求。所以28nm節(jié)點(diǎn)會(huì)成為一個(gè)所謂的長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)，在未來(lái)比較長(zhǎng)的一段時(shí)間里都會(huì)被廣泛應(yīng)用，其淘汰的時(shí)間也會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于其它工藝節(jié)點(diǎn)。

根據(jù)業(yè)界的實(shí)際情況，英特爾和臺(tái)積電一直到7nm工藝節(jié)點(diǎn)都依然使用浸入式ArF的光刻設(shè)備。但是對(duì)于下一代的工藝，則必須采用EUV光源的設(shè)備了。目前全球只有ASML一家能夠提供波長(zhǎng)為13.5nm的EUV光刻設(shè)備。毫無(wú)疑問(wèn)，未來(lái)5nm和3nm的工藝，必然是EUV一家的天下。事實(shí)上，三星在7nm節(jié)點(diǎn)上便已經(jīng)采用了EUV光刻設(shè)備，而中芯國(guó)際最近也訂購(gòu)了一臺(tái)EUV用于7nm工藝的研發(fā)。

為方便讀者理解，上圖是我們整理的各個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)和工藝及光刻機(jī)光源類型的關(guān)系圖。

三、光刻設(shè)備及供應(yīng)商概覽

了解了光刻設(shè)備的基本知識(shí)，接下來(lái)我們便可以具體了解目前全球幾家主要供應(yīng)商的光刻機(jī)的情況了。

目前市場(chǎng)上主要的光刻機(jī)供應(yīng)商有荷蘭的ASML、日本的NIKON和CANON，以及中國(guó)大陸的上海微電子裝備(SMEE)。

上圖是從幾家供應(yīng)商的網(wǎng)站上收集到的目前在售的所有光刻機(jī)的列表及相關(guān)參數(shù)。需要注意的是，目前光刻設(shè)備按照曝光方式分為Stepper和Scanner兩種。

Stepper是傳統(tǒng)地一次性將整個(gè)區(qū)域進(jìn)行曝光；而Scanner是鏡頭沿Y方向的一個(gè)細(xì)長(zhǎng)空間曝光，硅片和掩模同時(shí)沿X方向移動(dòng)經(jīng)過(guò)曝光區(qū)動(dòng)態(tài)完成整個(gè)區(qū)域的曝光。和Stepper相比，Scanner不僅圖像畸變小、一致性高，而且曝光速度也更快。所以目前主流光刻機(jī)都是Scanner，只有部分老式設(shè)備依舊是Stepper。上表中如果沒(méi)有特別注明，都是屬于Scanner類型。

四、國(guó)外光刻機(jī)發(fā)展

荷蘭ASML：強(qiáng)大的研發(fā)能力換來(lái)業(yè)界話語(yǔ)權(quán)

ASML （全稱：Advanced Semiconductor Material Lithography，ASML Holding N.V），中文名稱為阿斯麥（中國(guó)大陸）、艾司摩爾（中國(guó)***），是總部設(shè)在荷蘭Veldhoven的全球最大的半導(dǎo)體設(shè)備制造商之一，向全球復(fù)雜集成電路生產(chǎn)企業(yè)提供領(lǐng)先的綜合性關(guān)鍵設(shè)備。ASML的股票分別在阿姆斯特丹及紐約上市。另外，ASML的大股東是英特爾，三星和臺(tái)積電（TSMC）。

由于ASML是業(yè)界公認(rèn)的領(lǐng)頭羊，我們便以它為對(duì)象進(jìn)行研究。由上表可知，ASML的產(chǎn)品一共有四個(gè)系列，非嚴(yán)格地，我們正好可以將其按照技術(shù)水平分為四個(gè)檔次。

從其它三家的產(chǎn)品列表中可以看到，目前其它幾家都沒(méi)有正式發(fā)布的EUV級(jí)別產(chǎn)品能夠和ASML一較高下，只有Nikon NRS系列有ArF浸入式光刻機(jī)，參數(shù)指標(biāo)上勉強(qiáng)可以達(dá)到ASML高端產(chǎn)品的水準(zhǔn)。但是從業(yè)界的反饋來(lái)看，Nikon高端系列實(shí)際性能相比ASML同檔次設(shè)備仍有不小差距，尤其是在套刻精度上遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到官方宣稱水準(zhǔn)，以至于Nikon光刻設(shè)備在售價(jià)不到ASML同類產(chǎn)品一半的前提下，依舊銷售不佳。

ASML一直以來(lái)保持了高研發(fā)投入（甚至讓自己的客戶掏錢），因此其專利申請(qǐng)量也長(zhǎng)期保持高位。第一波高速上漲來(lái)自2000至2004年，這一時(shí)期Intel、AMD、VIA及IBM等企業(yè)設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體芯片性能快速提升，為了克制芯片在高頻率運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的高溫，他們對(duì)半導(dǎo)體制程提出了越來(lái)越高的要求，這間接導(dǎo)致了光刻機(jī)技術(shù)的不斷提升。不過(guò)由于光物理性質(zhì)的影響，在光刻機(jī)發(fā)展到193nm后，研發(fā)陷入了困局。幾大芯片巨頭合力將193nm沉浸式光刻技術(shù)延伸至15nm令光刻機(jī)企業(yè)研發(fā)及專利申請(qǐng)下滑。但是沉浸式光刻終于在7nm之后難以再次發(fā)展，EUV成為了解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵，近些年里ASML相關(guān)技術(shù)專利申請(qǐng)?jiān)俅芜M(jìn)入增長(zhǎng)階段。

作為一家荷蘭的企業(yè)，ASML的專利地理布局上卻值得我們思考。其在全球各地專利申請(qǐng)量的排名，依次是美國(guó)、日本、***、韓國(guó)以及中國(guó)。這個(gè)順序的有意思之處在于ASML的專利地理布局是根據(jù)客戶及競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手兩個(gè)因素進(jìn)行布局。美國(guó)既有ASML的幾大客戶，如Intel和德州儀器，又有ABM、Applied Materials、Lam Research、及Rudolph Technologies等競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，自然是重中之重。

上圖顯示了ASML公司近3年的研發(fā)方向和關(guān)注技術(shù)的時(shí)間變化趨勢(shì)。通過(guò)了解過(guò)去3年內(nèi)重點(diǎn)技術(shù)的專利戰(zhàn)略，我們借此來(lái)分析ASML公司近來(lái)關(guān)注重點(diǎn)的變化。如H01L半導(dǎo)體器件的方面ASML的申請(qǐng)量下滑，可能意味著其已經(jīng)完成了EUV光刻機(jī)半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)；而G02B 光學(xué)元件及H05G X射線技術(shù)兩個(gè)IPC分類下專利申請(qǐng)量的增加，也行意味著ASML還在改善光刻技術(shù)中光學(xué)組件的性能以及X射線的強(qiáng)度。

正如ASML讓Intel、三星和臺(tái)積電投資自己，共同承擔(dān)EUV的研發(fā)成本，ASML也投資了在光刻中起到關(guān)鍵作用的光學(xué)設(shè)備企業(yè)Carl Zeiss。

Carl Zeiss是ASML最重要的長(zhǎng)期策略合作伙伴，長(zhǎng)期以來(lái)為ASML的光刻設(shè)備提供最關(guān)火鍵且高效能的光學(xué)系統(tǒng)。在下文的EUV相關(guān)專利申請(qǐng)排名上，Carl Zeiss更是占據(jù)了頭把交椅，這也說(shuō)明了其在EUV相關(guān)光學(xué)設(shè)備上無(wú)可替代的地位。為了獲得優(yōu)先供貨和在2020年代初期就能夠讓芯片制造行業(yè)使用搭載全新光學(xué)系統(tǒng)的新一代EUV光刻設(shè)備，ASML 和Carl Zeiss決定進(jìn)一步強(qiáng)化合作關(guān)系。

日本Nikon和Canon：退出高端光刻機(jī)角逐臺(tái)

Canon早已在很多年前便放棄了在高端光刻機(jī)上的競(jìng)爭(zhēng)，目前產(chǎn)品主要集中在面板等領(lǐng)域。目前他們還在銷售的集成電路光刻設(shè)備在指標(biāo)標(biāo)上只相當(dāng)于ASML的低端產(chǎn)品PAS5500系列。

Nikon作為世界上僅有的三家能夠制造商用光刻機(jī)的公司之一，似乎在這個(gè)領(lǐng)域不被許多普通人知道，許多人只知道Nikon的相機(jī)做的好，卻不知道Nikon光刻機(jī)同樣享譽(yù)全球。

Nikon (7731.JP)成立于1917年，是總部設(shè)在日本東京，主要分四個(gè)事業(yè)領(lǐng)域，分別精密設(shè)備公司、映像公司、儀器公司及其他(包括CMP裝置事業(yè)、測(cè)量機(jī)事業(yè)、望遠(yuǎn)鏡事業(yè)等)。

荷蘭ASML一步步占據(jù)市場(chǎng)統(tǒng)治地位，Nikon光刻機(jī)唯一剩下的優(yōu)勢(shì)就是同類機(jī)型價(jià)格不到ASML的一半。但給予Nikon致命一擊的還是英特爾，在新制程中停止采購(gòu)Nikon的光刻機(jī)，據(jù)悉，所有主流半導(dǎo)體產(chǎn)線中只有少數(shù)低階老機(jī)齡的光刻機(jī)還是Nikon或者Canon的。畢竟現(xiàn)在英特爾，三星和臺(tái)積電都成為ASML的股東了。

在EUV技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，ASML已經(jīng)與其他競(jìng)爭(zhēng)者之間拉開(kāi)了差距。雖然其并未排名第一，但是排名第一的卡爾蔡司（Carl Zeiss）屬于光學(xué)儀器企業(yè)，蔡司為ASML等光刻機(jī)企業(yè)提供光學(xué)組建。而ASML較其直接競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手NIKON（尼康）和CANON（佳能）在EUV專利數(shù)量上有很大的優(yōu)勢(shì)，甚至比NC兩家之和還要多。

日本一橋大學(xué)創(chuàng)新研究中心教授中馬宏之，曾對(duì)日本微影雙雄尼康與佳能的敗因深入檢討。他在研究論文指出，ASML微影機(jī)臺(tái)有90％以上零件向外采購(gòu)，這一比例遠(yuǎn)高于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手Nikon和Canon，“這種獨(dú)特的采購(gòu)策略，是ASML成為市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者的關(guān)鍵。”

中馬宏之認(rèn)為，高度外包的策略，讓ASML可以快速取得各領(lǐng)域最先進(jìn)的技術(shù)，讓自己專注在客戶的需求，以及系統(tǒng)整合等兩大關(guān)鍵重點(diǎn)。

五、國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)主要廠商

上海微電子裝備(SMEE)

作為國(guó)內(nèi)光刻設(shè)備的龍頭企業(yè)，由于起步較晚且技術(shù)積累薄弱，目前最先進(jìn)的光刻設(shè)備也只能提供最高90mn的工藝技術(shù)。單從指標(biāo)上看，基本也和ASML的低端產(chǎn)品PAS5500系列屬于同一檔次。

SMEE專利申請(qǐng)趨勢(shì)圖

合肥芯碩半導(dǎo)體有限公司

合肥芯碩半導(dǎo)體有限公司成立與2006年4月，是國(guó)內(nèi)首家半導(dǎo)體直寫(xiě)光刻設(shè)備制造商。該公司自主研發(fā)的ATD4000，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)最高200nm的量產(chǎn)。

合肥芯碩重點(diǎn)專利技術(shù)

無(wú)錫影速半導(dǎo)體科技有限公司

無(wú)錫影速成立與2015年1月，影速公司是由中科院微電子研究所聯(lián)合業(yè)內(nèi)資深技術(shù)團(tuán)隊(duì)、產(chǎn)業(yè)基金共同發(fā)起成立的專業(yè)微電子裝備高科技企業(yè)。影速公司已成功研制用于半導(dǎo)體領(lǐng)域的激光直寫(xiě)/制版光刻設(shè)備、國(guó)際首臺(tái)雙臺(tái)面高速激光直接成像連線設(shè)備（LDI），已經(jīng)實(shí)現(xiàn)最高200nm的量產(chǎn)。

無(wú)錫影速專利主要發(fā)明人

六、國(guó)內(nèi)外光刻機(jī)發(fā)展差距

從如上智慧芽專利數(shù)據(jù)庫(kù)提供的專利數(shù)據(jù)來(lái)看，國(guó)外光刻機(jī)龍頭ASML與國(guó)內(nèi)佼佼者們之間的技術(shù)差距巨大。盡管如此，但我們也在努力追趕中。

5月24日“極大規(guī)模集成電路制造裝備與成套工藝”專項(xiàng)（02專項(xiàng)）項(xiàng)目“極紫外光刻膠材料與實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)技術(shù)研究”完成了EUV光刻膠關(guān)鍵材料的設(shè)計(jì)、制備和合成工藝研究、配方組成和光刻膠制備、實(shí)驗(yàn)室光刻膠性能的初步評(píng)價(jià)裝備的研發(fā)，達(dá)到了任務(wù)書(shū)中規(guī)定的材料和裝備的考核指標(biāo)。項(xiàng)目共申請(qǐng)發(fā)明專利15項(xiàng)（包括國(guó)際專利5項(xiàng)），截止到目前，共獲得授權(quán)專利10項(xiàng)（包括國(guó)際專利授權(quán)3項(xiàng)）。

近日，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)微電子學(xué)院與中芯國(guó)際集成電路制造有限公司在產(chǎn)學(xué)研合作中也取得新進(jìn)展，成功在光刻工藝模塊中建立了極坐標(biāo)系下規(guī)避顯影缺陷的物理模型。通過(guò)該模型可有效減小浸沒(méi)式光刻中的顯影缺陷，幫助縮短顯影研發(fā)周期，節(jié)省研發(fā)成本，為確定不同條件下最優(yōu)工藝參數(shù)提供建議。該成果已在國(guó)際光刻領(lǐng)域期刊Journal of Micro-Nanolithography MEMS and MOEMS發(fā)表。

中國(guó)目前有90納米，用90納米的升級(jí)到65納米不難。但是45納米就是一個(gè)技術(shù)臺(tái)階了。45納米的研發(fā)比90納米和65納米難很多。如果解決了45納米那個(gè)可以升級(jí)到32納米不難。但是下一步升級(jí)到22納米，不能直接45納米升級(jí)到22納米了。22納米用到了很多新的技術(shù)。

中國(guó)16個(gè)重大專項(xiàng)中的02專項(xiàng)提出光刻機(jī)到2020年研發(fā)出22納米。2015年出45納米的并且65納米的產(chǎn)業(yè)化。45納米是目前主流的光刻機(jī)工藝，包括32納米的還有28納米基本都是在45納米的侵入深紫外光刻機(jī)上面改進(jìn)升級(jí)來(lái)的。所以中國(guó)掌握45納米的很重要。45納米光刻機(jī)是一個(gè)很重要的臺(tái)階，達(dá)到這個(gè)水平后，在45納米光刻機(jī)上面進(jìn)行物鏡和偏振光升級(jí)可以達(dá)到32納米。

另外，用于光刻機(jī)的固態(tài)深紫外光源也在研發(fā)，我國(guó)的光刻機(jī)研發(fā)是并行研發(fā)的，22納米光刻機(jī)用到的技術(shù)也在研發(fā)，用在45納米的升級(jí)上面。還有電子束直寫(xiě)光刻機(jī)，納米壓印設(shè)備，極紫外光刻機(jī)技術(shù)也在研發(fā)。對(duì)光刻膠升級(jí)，對(duì)折射液升級(jí)，并且利用套刻方法可以達(dá)到22納米到14納米甚至10納米的水平。相應(yīng)的升級(jí)的用的光刻膠，第3代折射液等也在相應(yīng)的研發(fā)中。

所以，目前單純從技術(shù)層面上看，全球光刻設(shè)備的格局是：ASML一家獨(dú)占鰲頭，成為唯一的一線供應(yīng)商；Nikon憑借多年技術(shù)積累，勉強(qiáng)保住二線供應(yīng)商地位；而Canon只能屈居三線；SMEE作為后起之秀，暫時(shí)勉強(qiáng)也擠入三線的檔次，但由于光刻設(shè)備對(duì)技術(shù)積累和供應(yīng)鏈要求極高，未來(lái)要想打入二線則非常艱難，短期內(nèi)難有實(shí)質(zhì)性突破。目前看來(lái)，如果沒(méi)有特別原因，這一格局在未來(lái)的很長(zhǎng)時(shí)間里都不會(huì)有任何太大變化。

上表為微信公眾號(hào)芯思想通過(guò)三家上市公司財(cái)報(bào)統(tǒng)計(jì)的2017年度光刻機(jī)銷售數(shù)量。由數(shù)據(jù)可知，幾家在市場(chǎng)份額的格局上幾乎和技術(shù)格局一致，唯一的一些區(qū)別是Canon在面板領(lǐng)域擁有較大市場(chǎng)份額，使得它在低端光刻設(shè)備上有相對(duì)較大的銷售量和份額。

小結(jié)

中國(guó)目前的光刻機(jī)技術(shù)還在起步探索階段，雖然取得了一些小成就，但離國(guó)外先進(jìn)技術(shù)差距還很大，希望通過(guò)目前科研人員的努力，能真正用上性能強(qiáng)，穩(wěn)定性高的高端國(guó)產(chǎn)芯片。

特別是在極紫外光刻光學(xué)技術(shù)方面，極紫外光刻光學(xué)技術(shù)代表了當(dāng)前應(yīng)用光學(xué)發(fā)展最高水平，作為前瞻性EUV光刻關(guān)鍵技術(shù)研究，項(xiàng)目指標(biāo)要求高，技術(shù)難度大、瓶頸多，創(chuàng)新性高，同時(shí)國(guó)外技術(shù)封鎖嚴(yán)重。

去年“極大規(guī)模集成電路制造裝備及成套工藝”國(guó)家科技重大專項(xiàng)“極紫外光刻關(guān)鍵技術(shù)研究”項(xiàng)目順利通過(guò)驗(yàn)收。項(xiàng)目研究團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)八年的艱苦奮戰(zhàn)，突破了制約我國(guó)極紫外光刻發(fā)展的超高精度非球面加工與檢測(cè)、極紫外多層膜、投影物鏡系統(tǒng)集成測(cè)試等核心單元技術(shù)，成功研制了波像差優(yōu)于0.75 nm RMS 的兩鏡EUV 光刻物鏡系統(tǒng)，構(gòu)建了EUV 光刻曝光裝置，國(guó)內(nèi)首次獲得EUV 投影光刻32 nm 線寬的光刻膠曝光圖形。

評(píng)審專家組認(rèn)為該項(xiàng)目的順利實(shí)施將我國(guó)極紫外光刻技術(shù)研發(fā)向前推進(jìn)了重要一步。但這僅僅是實(shí)現(xiàn)光刻機(jī)國(guó)產(chǎn)化萬(wàn)里長(zhǎng)征的一部分，距離打破ASML的技術(shù)壟斷還有很長(zhǎng)的路要走。中國(guó)想要趕上，絕不是一朝一夕的事，需要各類基礎(chǔ)領(lǐng)域扎實(shí)的人才，這也是最難的。