EUV技术创新绘制半导体蓝图

EUV技术创新绘制半导体蓝图

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半导体细微化（Scaling）是目前半导体行业最热门的话题之一。随着DRAM等的芯片元器件在内的大部分电子元器件和存储单元趋于超小型化，对于高度集成技术的需求也逐渐提高，超小型芯片将可以储存并快速处理天文数字般的数据量。

如今，半导体细微化（Scaling）最为核心的是新一代曝光技术——极紫外光刻（Extreme Ultra Violet，简称EUV）技术。现在，SK海力士正致力于实现新一代DRAM的量产化，并已在韩国利川正式开工新建一座尖端的储存类半导体工厂“M16”。这座全新工厂将为EUV光刻工艺开设单独厂间。

“摩尔定律（Moore’s Law）已经终结” 半导体细微化技术陷入瓶颈

半导体细微化已进入10纳米时代，之前的“多重成像（Multi Patterning）”技术已不再奏效。因为，在10纳米级芯片制程中，之前的氟化氩曝光技术（Argon Fluoride, 简称ArF ）已经陷入瓶颈。迄今为止，半导体行业一直遵循每隔24个月芯片集成度翻一番的“摩尔定律”。然而，如今随着光刻工艺难度越来越高，曾经辉煌沿用的摩尔定律也终将被淘汰。

光刻工艺是用激光在晶圆上绘制超微电路的半导体制造流程之一，其电路图案转移到晶圆的过程与传统相片的制作过程类似，故“光刻工艺”的英文有“Photo”一词。“光刻法（Photolithography）”是一种图案转移及复印技术，通过把光照射在包含电路图形信息并预制成金属图案的掩膜版（Mask）或原装玻璃板上，从而实现将出现的影子复制转移到晶圆上。这种在晶圆上形成预设计的图案为半导体制造的关键工艺。在此过程中，电路图案的细微程度是半导体技术竞争力的决定性因素。

“细微化（Scaling）”，即缩小半导体电路晶体管器件电门的长度的，一直被视作业界最为重要的课题。晶体管电门就如同一座连接源级和漏级的桥梁，是调节电流的阀门。因此，电门长度越短，从源极流向漏极的电子数量也就越大，电路运行速度也相应越快。

近年以来，半导体曝光设备进展迅速，均使用带有高数值孔径（numerical aperture，简称NA）的较大透镜或短波光源。但当栅极长度缩小到30纳米以下后，现有的液体浸没式氟化氩曝光设备（ArF）将会达到极限。到18纳米的DRAM芯片采用的是多重成像技术，但这会造成工序增加、生产率下降、材料费上升的问题，从而导致成本上升。当处理工序数量多达500-600道时，可见该技术已走到了尽头。解决这一问题的唯一办法取决于短波光，利用更加“纤细的笔触”精细地绘制电路。

EUV成为救星

为了顺应10纳米时代对工艺的要求，半导体行业孕育了全新半导体曝光技术——EUV。EUV设备由荷兰ASML公司独家生产，每台设备约为0.81-1.22亿美元。EUV的光波长为13.5纳米，大大小于之前的氟化氩（ArF）激光波长（193纳米），可在不多重成像的情况下绘制更加细微的半导体电路。而且这项技术还能简化成像工艺流程，因此目前被视为唯一的突破口。除此之外，EUV相较于目前的四重构图（Quadruple Patterning Technique，简称QPT）等多重成像技术，大幅度缩短了制造时间。

然而，在DRAM芯片采用EUV技术是一项难度极高的工艺，这往往需要最高端的技术支持。也正因如此，业界正在密切关注首批基于EUV技术的DRAM量产投入产出效率。据预测，到2020年，EUV技术将部分适用于1Y纳米级以下的DRAM芯片中。

关键在于攻克EUV工艺的技术难关

攻克EUV工艺的技术难关对于行业未来至关重要。EUV具有被包括气体在内的大部分物质吸收的特性。为此，开发与整个曝光工艺流程相关的新技术，包括全新的掩膜版（Mask）、光阻（Photoresist）和光学系统等，成为了一项必不可少的前提条件。此外，我们还需要开发无缺陷的掩膜版和新的掩膜版检测设备。

扩大每小时晶圆产量（wafer per hour，简称WPH）也是业界内一大重要挑战。ASML公司的每小时晶圆产量于2018年达到125张目标，并计划将在2020年达到155张。而在光源功率方面，根据DRAM厂商的测试结果显示，该公司已达到250瓦。同时，一些半导体厂商从ASML公司引进EUV设备后已经投入开发相关工艺，正处于各项设备的开发和测试阶段。业界则在积极研发下一代曝光技术—高数值孔径工艺，这项技术或将数值孔径从目前开发中的0.33NA增加到0.55NA。

一名半导体业内人士透露：“EUV曝光技术要想投入量产，我们在保证有曝光机内部硬件、光源、光阻（Photoresist）、掩膜版膜（Pellicle）的制造技术的同时，还必须要有零缺陷的EUV掩膜版制作技术”。他还强调：“业界正在研究各种检测EUV掩膜版内部缺陷的技术，为了改善检测器的分辨率，我们对于更短的光源波长和更高的数值孔径的要求也至关重要。”

台积电以EUV推7纳米强效版，客户产品大量进入市场

台积电以EUV推7纳米强效版，客户产品大量进入市场

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台积电宣布，其领先业界导入极紫外光（EUV）微影技术的7纳米强效版(N7+)制程已协助客户产品大量进入市场。导入EUV微影技术的N7+奠基于台积电成功的7纳米制程之上，也为明年首季试产6纳米和更先进制程奠定良好基础。

台积电N7+的量产速度为史上量产速度最快的制程之一，于2019年第二季开始量产，在7纳米制程技术（N7）量产超过一年时间的情况下，N7+良率与N7已相当接近。N7+同时提供了整体效能的提升，N7+的逻辑密度比N7提高15%至20%，同时降低功耗，使其成为业界下一波产品中更受欢迎的制程选择。台积电亦快速布建产能以满足多个客户对于N7+的需求。

台积电表示，N7+的成功经验是未来先进制程技术的基石。台积电的6纳米制程技术（N6）将于2020年第一季进入试产，并于年底前进入量产。随着EUV微影技术的进一步应用，N6的逻辑密度将比N7提高18%，而N6凭藉着与N7完全相容的设计法则，亦可大幅缩短客户产品上市的时间。

此外，EUV微影技术使台积公司能够持续推动芯片微缩。台积公司的EUV设备已达成熟生产的实力，EUV设备机台亦达大量生产的目标。

台积电业务开发副总经理张晓强表示，AI和5G的应用为芯片设计开启了更多的可能，使其得以许多新的方式改善人类生活，台积的客户充满了创新及领先的设计理念，需要台积公司的技术和制造能力使其实现；在EUV微影技术上的成功，是台积公司不仅能够具体落实客户的领先设计，亦能使其大量生产的另一个绝佳证明。

科研成果作价入股 国望光学加快光刻机量产速度

科研成果作价入股 国望光学加快光刻机量产速度

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8月14日，记者从经开区企业北京国望光学科技有限公司获悉，其增资项目在北京产权交易所完成。通过此次增资，国望光学引入中国科学院长春光学精密机械与物理研究所和中国科学院上海光学精密机械研究所作为战略投资者，两家机构以无形资产作价10亿元入股，这意味着经开区在推动国产光刻机核心部件研发和生产方面迈出实质性步伐。

光刻机作为集成电路制造中最关键的设备，对芯片制作工艺有着决定性的影响，被誉为“超精密制造技术皇冠上的明珠”，制造和维护均需要高度的光学和电子工业基础。

根据2015年新修订的《中华人民共和国促进科技成果转化法》规定，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所和中国科学院上海光学精密机械研究所，通过无形资产作价入股形成的股权分别以50%的比例奖励给研发团队，该项目也成为北京市国有企业首个根据上述法规通过引进无形资产作价入股，并实现职务科技成果转化为股权奖励的增资项目。

国望光学2018年6月落户经开区，注册资本20亿元，主营业务为光刻机最核心的部件——光学系统的研发和生产。通过北交所增资就是要寻找技术实力一流的战略投资方，推动国产中高端光刻机整机研发和量产速度。

集成电路产业已经成为我国长期坚持推动的国家战略任务，经开区作为全国集成电路产业聚集度最高、技术水平最先进的区域，现已形成以中芯国际、北方华创为龙头，包括设计、晶圆制造、封装测试、装备、零部件及材料等完备的集成电路产业链，产业规模占到北京市的1/2。

台积电3nm EUV工艺进展顺利，已有早期客户参与

台积电3nm EUV工艺进展顺利，已有早期客户参与

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近两年先进半导体制造主要是也终于迎来了EUV光刻机，这也使7nm之后的工艺发展得以持续进行下去。台积电和三星都对自家工艺发展进行了规划，现在两家已经逐步开始进行7nm EUV工艺的量产，随后还有5nm工艺及3nm工艺。

尽管今年下半年才能见到7nm EUV工艺制造的芯片，但根据Anandtech的报道称，台积电的3nm EUV工艺发展顺利，而且已经有早期客户参与。

在报道中称台积电目前N3工艺（N3就是台积电对3nm工艺）的技术开发进展顺利，而且已经与早期客户也已经参与到技术定义方面的工作中，同时台积电首席执行官魏哲家也希望3nm工艺能保持台积电在未来的领先。

这也是除了路线图之外台积电再次谈及3nm工艺相关的问题，但是也需要清楚的是，目前3nm工艺依旧在开发中，未来离我们更近的是5nm工艺。虽然在7nm工艺中台积电是出于领先状态的，但在7nm EUV节点上三星也已经赶上，而且也规划了将在2021年推出3nm GAA工艺，这也意味着台积电与三星在EUV工艺节点上再次处于几乎相同的起跑线上。

虽然未来5G、高性能计算等方面需要更先进的制程工艺，但先进工艺生产线及芯片设计成本也在飞速提升。此前有报道称三星在7nm EUV工艺中已获得了多家厂商的订单，在这个工艺节点中三星已逐渐赶上，所以从此次台积电称已有客户参与也是提早准备，确保在未来不会出现如目前7nm EUV工艺出现的客户流失的问题。

ASML：Q2售出10台EUV 下半年7纳米以下制程投资强劲

ASML：Q2售出10台EUV 下半年7纳米以下制程投资强劲

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全球半导体设备厂ASML于17日公布2019年第2季财报。资料显示，ASML第一季缴出成长成绩单，整体表现优于市场预期。

根据ASML公布的资料显示，2019年第2季的营收为26亿欧元，较第1季的22.291亿欧元，上涨13.63%；净收入4.76亿欧元，也较第1季的3.55亿欧元，上涨34.08%；毛利率43%，较第1季的41.6%，成长1.4个百分点。

ASML预估2019年第2季的营收将介于25.0亿至26.0亿欧元，毛利率则是预估在41%到42%之间，因此就公布的业绩来看，整体表现优于市场预期。

ASML总裁暨执行长Peter Wennink表示，受惠于EUV系统制造效率提升和现场升级业务营收的挹注，ASML 2019年第2季的营收和毛利率都优于先前财测。而对于2019下半年，目前看到存储器客户需求趋弱，而逻辑客户的需求走强。

因此，预期逻辑芯片客户的强劲需求，预计将可补偿在存储器市场方面的需求减缓。

Peter Wennink强调，逻辑芯片市场的需求主要来自于客户加速7纳米及以下先进制程节点的投资。而ASML在2019年第2季总计接获10台EUV极紫外光系统的订单。当中有部分将被用于生产DRAM芯片。至于面对当前市场诸多不确定因素下，ASML 2019年的整体营收目标将维持不变，2019年对ASML来说仍是成长的一年。

针对2019年第3季的业绩展望，ASML预估营收将落在30亿欧元左右，较第2季预估成长15.3%，毛利率约为43%到44%之间，也较第2季持平或成长1个百分点。

为什么ASML一年最高产量只有30部EUV？

为什么ASML一年最高产量只有30部EUV？

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晶圆制造产业进入7纳米制程之后，目前全世界仅剩台积电与三星，再加上号称自家10纳米制程优于竞争对手7纳米制程的英特尔等，有继续开发能力之外，其他竞争者因须耗费大量金钱与人力物力的情况下，都已宣布放弃。

就在7纳米制程节点以下先进制程的领域，必不可少的关键就是极紫外线微影（EUV）设备导入。除了三星用在首代7纳米LPP制程，台积电也自2019年开始，将EUV导入加强版7纳米+制程。

所谓的极紫外线微影设备EUV，就是Extreme Ultraviolet简称，使用通称极紫外线之极短波（13.5nm）光线的微影技术，能加工至既有ArF准分子雷射光微影技术不易达到之20nm以下的精密尺寸。不但能降低晶圆制造时光罩使用数量，以降低生产成本，并提高生产良率，也因能加工过去ArF准分子雷射光微影技术不易达到的20nm以下之精密尺寸，更有助半导体产业摩尔定律（Moore’s law）再往下延伸，让半导体产业发展持续精进。

因EUV设备扮演如此关键性的角色，使全球晶圆生产企业都希望获得此设备。2012年，全球三大顶尖晶圆制造厂商英特尔、台积电、三星等加入全球EUV市场占有率90%以上的ASML“客户联合投资专案”（Customer Co-Investment Program），分别取得ASML 15%、5%及3%股权，保证取得EUV优先供货。

听了这么多有关EUV设备的叙述之后，或许大家都懂了这是什么样的设备，但却很难想像，EUV不过就是一台微影设备，究竟体积会有多大？日前ASML就表示，目前最大年产量仅30台的EUV设备，每台重量高达180公吨，每次运输要用3架次货机才能运完。

ASML表示，目前半导体先进制程不可或缺的EUV设备，每台有超过10万个零件，加上3千条电线、4万个螺栓及2公里长的软管等零组件，最大重量达180公吨，每次运输必要动用40个货柜、20辆卡车，并3架次货机才能运完，且每部造价超过1亿美元。在这么庞大的数字下，可以想见ASML为什么一年最高产量只有30部EUV了。

半导体先进制程发展扩大EUV市场需求，ASML可望持续受惠

半导体先进制程发展扩大EUV市场需求，ASML可望持续受惠

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在先进制程纳米节点持续微缩下，光刻机是重要关键设备。12寸晶圆主要光刻机为ArF immersion机台，可覆盖45nm一路往下到7nm节点的使用范围，其雷射光波长最小微缩到193nm；针对7nm节点以下的制程，EUV(Extreme Ultra-Violet)极紫外光使用光源波长为13.5nm，确保先进制程持续发展的可能性。

半导体光刻机设备市场规模主要有3家设备供应商：ASML、Nikon及Cannon。其中，ASML以市占率超过8成居首，几乎占据逻辑IC与存储器先进制程的光刻机需求，且面对更小微缩尺寸的范围，目前仅有ASML能提供EUV机台做使用，更加巩固其在市场上的地位。本篇主要借ASML在光刻机的销售状况，做区域性分布与先进制程需求状况分析。

台湾地区与韩国对光刻机需求最强烈，大陆地区未来或将开创新市场开发程度值得关注

ASML营收在先进制程快速发展下，连续5年呈现高度成长，年复合成长率13%。从营收区域分布来看，台湾地区与韩国由于晶圆代工扩厂动作频频，自2016年来持续保持超过5成份额，为ASML最大营收占比区域；美国与大陆地区的区域营收则大致保持2～3成左右份额。

韩国除了既有制造存储器的大量需求外，2019年4月底，Samsung宣布计划至2030年底投入总数133兆韩圜扩张晶圆代工业务，其中60兆韩圜将规划投资生产设备，也预期持续拉抬ASML在韩国地区的营收。

至于台湾地区部份，台积电目前扩厂计划包括在南科负责生产3nm与5nm节点的FAB 18，对光刻机需求也是ASML主要成长动能，尤其是在高单价EUV需求方面，从ASML最早的第一批EUV出货即获得机台，抢得先机做持续性的现地化调机，有助于评估日后FAB 18的建置数量。

美国的扩厂动作则相对保守，从Global Foundries终止研发7nm制程后，基本上在晶圆代工这一块就停止扩厂计划，光刻设备需求转而倚靠IDM厂。美国最大IDM厂Intel是光刻机设备商的主要客户，在2018下半年因10nm制程进度延期造成CPU供货不足，也促使Intel于2018年第四季宣布在以色列与爱尔兰的14nm扩产计划，拉抬ASML在美国地区营收。

不过，Intel同时也是Nikon ArF immersion与ArF的主要客户，Nikon凭借价格优势把握Intel光刻机部份需求，估计在2019～2020年出货ArF immersion与ArF机台给Intel，未来ASML在美国区域营收或许由EUV采购状况来主导。

最后是大陆地区，虽然晶圆厂扩厂计划持续增加，但对高端光刻设备依赖度较高的先进制程晶圆厂目前不在多数，其余成熟制程的光刻设备供应商则有Nikon与Canon等竞争对手，加上大陆地区也致力于国产光刻设备开发，未来ASML在大陆地区区域的营收成长目标，除了独家供应EUV优势外，尚需考量额外的影响因素。

总括来说，先进制程的光刻设备出货前景看好，加上EUV高单价设备加持，将持续助益ASML营收攀升。在区域性方面，四大区域需求将持续增加，以韩国与台湾地区成长潜力较高，而大陆地区在中芯国际宣布成功购入EUV机台后，可望开启大陆地区发展14nm以下节点发展。

EUV需求数量持续增加，贡献ASML营收仅次于ArF Immersion

受惠于先进制程发展，EUV使用量在7nm节点以下制程大幅增加。以7nm节点制程来说，Samsung的做法是包括前、中、后段曝光显影制程全面使用EUV；台积电7nm做法可划分为没有使用EUV，以及部份Critical Layer使用EUV两类；至于Intel以10nm发展时程看来，应该是与台积电在7nm节点做法相似，初期不使用EUV，在后续优化版本部份Layer使用EUV。而在7nm节点以下制程，3家主要厂商将全面使用EUV机台，大幅拉抬EUV需求量。

ASML是目前唯一提供EUV的光刻技术厂商，在光刻设备市场位居领先地位。分析过去3年ASML供应的机台分类，ArF Immersion为其营收主力，涵盖45nm以下至7nm的制程节点；EUV目前虽然数量不多，但受惠于价格较高，在营收表现上已稳居第二位，有机会在未来追上ArF immersion的营收表现。

另外，就EUV数量来看，或许在发展3nm制程时，可望看见更大量机台需求。Samsung宣布其先进制程Roadmap，预计在2021下半年推出使用GAA-FET(Gate-All-Around Field-Effect Transistor)技术的3nm节点制程；3nm GAA-FET工法相较现行5nm Fin-FET结构更复杂，制作闸极环绕的纳米线(Nano-Wire)需要更多道程序，可能将增加曝光显影的使用次数。

EUV现行的Throughput(处理量)约125 WPH(每小时能处理的wafer数量)，相比现行ArF immersion产能有限。

而ASML下一世代EUV机台NXE3400C将提高产能，成为各家晶圆厂计划导入的新机台，预计2019下半年陆续出货。如果在3nm制程使用GAA技术，曝光显影次数增加，预期会让EUV机台数超过现行发展5nm的需求数量，甚至有机会接近ArF immersion数量的一半，在此情况下，ASML营收可望于未来显著增长。

华虹无锡基地首批光刻工艺设备进场，9月试生产

华虹无锡基地首批光刻工艺设备进场，9月试生产

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2019年6月6日，华虹无锡集成电路研发和制造基地（一期）12 英寸生产线建设项目首批三台光刻机搬入仪式举行。光刻设备的搬入标志着华虹无锡基地项目建设进入新的里程，整个项目也随即达到新高度。

华虹半导体新任总裁唐均君表示，目前，有关12英寸的工艺研发、工程、销售和市场团队正在紧锣密鼓开发新产产品，为12英寸晶圆生产线的初始量产做好准备。华虹无锡基础一期截止6月5日已经搬入35台设备，其中25台已经完成安装调试，预计将于9月进行试生产，12月形成量产能力。

根据此前官方介绍，华虹无锡项目占地约700亩，总投资100亿美元，一期投资25亿美元，新建一条工艺等级90～65纳米、月产能约4万片的12英寸特色工艺集成电路生产线，支持5G和物联网等新兴领域的应用。

该项目于2018年3月正式开工建设，计划将于2019年上半年完成土建施工，下半年完成净化厂房建设和动力机电设备安装、通线并逐步实现达产。自开建以来，华虹无锡项目一直加速前进，主要工程节点均提前完成。

今年3月，华虹半导体在其年报上表示，华虹无锡已于2018年底主体结构全面封顶，预计将于2019年第二季度末完成厂房和洁净室的建设，下半年开始搬入设备，并于2019年第四季度开始300mm晶圆的量产。

据悉，为加快实现华虹无锡的顺利投产、风险量产和上量，华虹半导体在2018年启动了55nm逻辑工艺及相关IP的研发，预计2019年下半年开始导入客户，同时开始研发55纳米嵌入式闪存工艺的存储单元，功能验证已通过，为未来55纳米嵌入式闪存技术量产打下坚实的基础。

光刻机的蜕变及专利分析

光刻机的蜕变及专利分析

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近两年，中国芯片产业受到了严重打击，痛定思痛之余也让国人意识到芯片自主研发的重要性。从2008年以来，十年间，芯片都是我国第一大宗进口商品，进口额远超于排名第二的石油。2018年我国进口集成电路数量为4175.7亿个，集成电路进口额为3120.58亿美元，这组数据清晰的反映出我国中高端芯片技术能力的缺失及对外依赖的严重程度。

我国生产芯片的技术水平与国外先进企业相比存在较大的差距，且生产芯片的工具及工艺也被国外几个公司垄断。其中光刻机，被誉为人类20世纪的发明奇迹之一，是集成电路产业皇冠上的明珠，研发的技术门槛和资金门槛非常高。当今能够制造出光刻机的国家仅有荷兰、美国、日本等少数几个国家，荷兰的ASML是该领域绝对的龙头老大，它的光刻机占据全球市场的80%左右。

光刻机用途广泛，除了前端光刻机之外，还有用于LED制造领域投影光刻机和用于芯片封装的后道光刻机，在此只介绍前端光刻机。

1.背景技术及工作原理

光刻（lithography）设备是一种投影曝光系统，由紫外光源、光学镜片、对准系统等部件组装而成。在半导体制作过程中，光刻设备会投射光束，穿过印着图案的光掩膜版及光学镜片，将线路图曝光在带有光感涂层的硅晶圆上。通过蚀刻曝光或未受曝光的部份来形成沟槽，然后再进行沉积、蚀刻、掺杂，架构出不同材质的线路。

此工艺过程被一再重复，将数十亿计的MOSFET或其他晶体管建构在硅晶圆上，形成一般所称的集成电路。

光刻工艺在整个芯片制造过程中至关重要，其决定了半导体线路纳米级的加工度，对于光刻机的技术要求十分苛刻，对误差及稳定性的要求型极高，相关部件需要集成材料、光学、机电等领域最尖端的技术。因而光刻机的分辨率、精度也成为其性能的评价指数，直接影响到芯片的工艺精度以及芯片功耗、性能水平。

因此光刻机是集成电路制造中最庞大、最精密复杂、难度最大、价格最昂贵的设备。

光刻机的分辨率决定了IC的最小线宽。想要提高光刻机的成像分辨率,通常采用缩短曝光光源波长和增大投影物镜数值孔径两种方法。

根据所述光源的改进，光刻机经历了第一代是436nm g-line；第二代是365nm i-line；第三代是248nm KrF；第四代193nm ArF；最新的是13.5nm EUV。

其中，193nm ArF也被称为深紫外光源。使用193nmArF光源的干法光刻机，其光刻工艺节点可达45/40nm，由于当时光源波长难以进一步突破，因此业界采用了浸没技术等效缩小光源波长（193nm变化为134nm）的同时在液体中镜头的数值孔径得以提高（0.50-0.93变化为0.85-1.35）、且应用光学邻近效应矫正（OPC）等技术后，193nm ARF干法光刻极限工艺节点可达28nm。

到了28nm工艺节点之后，单次曝光图形间距已经无法进一步提升，业界开始采用Multiple patterning（多次曝光和刻蚀）的技术来提高图形密度但由此引入的掩膜使得生产工序增加，导致成本大幅上升，且良率问题也如影随行。

据悉，业内巨头台积电及英特尔的7nm工艺仍然在使用浸入式ArF的光刻设备，但沉浸式光刻终于7nm之后的下一代工艺节点，难以再次发展，EUV成为了解决这一问题的关键，目前EUV光刻机光源主要采用的办法是将准分子激光照射在锡等靶材上，激发出13.5nm的光子，作为光刻机光源。

各大Foundry厂在7nm以下的最高端工艺上都会采用EUV光刻机，其中三星在7nm节点上就已经采用了。而目前只有荷兰ASML一家能够提供可供量产用的EUV光刻机，国内的光刻机技术从20世纪70年代开始就先后有清华大学精密仪器系、中科学院光电技术研究所、中电科45所投入研制，目前国内厂商只有上海微电子（SMEE）及中国电科（CETC）旗下的电科装备，其中SMEE目前量产的性能最好的为90nm(193 ArF)光刻机与国际水平相差较大。

另一方面投影物镜是光刻机中最昂贵最复杂的部件之一，提高光刻机分辨率的关键是增大投影物镜的数值孔径。随着光刻分辨率和套刻精度的提高，投影物镜的像差和杂散光对成像质量的影响越来越突出。浸没式物镜的轴向像差，如球差和场曲较干式物镜增大了n倍，在引入偏振光照明后，投影物镜的偏振控制性能变得更加重要。在数值孔径不断增大的情况，如何保持视场大小及偏振控制性能，并严格控制像差和杂散光，是设计投影物镜面临的难题。

传统光刻机的投影物镜多采用全折射式设计方案，即物镜全部由旋转对准装校的透射光学元件组成。其优点是结构相对简单，易于加工与装校，局部杂散光较少。然而，大数值孔径全折射式物镜的设计非常困难。

为了校正场曲，必须使用大尺寸的正透镜和小尺寸的负透镜以满足佩茨瓦尔条件，即投影物镜各光学表面的佩茨瓦尔数为零。透镜尺寸的增加将消耗更多的透镜材料，大大提高物镜的成本；而小尺寸的负透镜使控制像差困难重重。

为了实现更大的数值孔径，近年来设计者普遍采用折反式设计方案。折反式投影物镜由透镜和反射镜组成。反射镜的佩茨瓦尔数为负，不再依靠增加正透镜的尺寸来满足佩茨瓦尔条件，使投影物镜在一定尺寸范围内获得更大的数值孔径成为可能。

数值孔径是光学镜头的一个重要指标产业化的光刻物镜工作波长经历了436nmG线，365nm线,248nmKRF,193nmArF和13.5nm极紫外，相应的物镜设计也在不断的提高数值孔径。

以现在世界主流的光刻机深紫外浸入式光刻机紫外光线来说要想达到22纳米的水平，那么物镜的数值口径要达到1.35以上，要达到这个口径很难，因为要加工亚纳米精度的大口径的镜片，用到的最大口径的镜片达到了400毫米。目前只有德国的光学公司可以达到，另外日本尼康通过购买德国的技术也可以达到。

虽然目前国内国防科大精密工程团队自主研制的磁流变和离子束两种超精抛光装备，实现了光学零件加工的纳米精度，但浸没式光刻物镜异常复杂，涵盖了光学、机械、计算机、电子学等多个学科领域最前沿，二十余枚镜片的初始结构设计难度极大——不仅要控制物镜波像差，更要全面控制物镜系统的偏振像差。因此，在现阶段国内物镜也无法完全替代进口产品。

2.专利分析

从国内外市场格局来看，ASML占据了全球主要的市场份额，而日本尼康其先进光刻机由于性能问题并未受到半导体制造商的青睐，目前主要经营为面板光刻机；佳能保留低端半导体i-line和Kr-F光刻机，退出了高端光刻机的角逐，从2019年ASML和尼康的财报可以进一步看出。

根据ASML的2019年第一季度财报，虽然其较2018年第四季度收益有所下降，但仍然有16.89亿欧元的营收，其中ArF Dry占据4%，KrF占据9%；i-line占据2%；Metrology&inspection占据3%；EUV占据22%；ArF Immersion占据60%。而尼康2019年财报，半导体光刻业务临时利润为15亿日元，约为9105万人民币，与ASML相距甚远。

国内光刻机虽与ASML相距甚远，但在曝光系统及双工作台系统也取得了一些成就：如2017年中科院院长春光精密机械与物理研究所牵头研发“极紫外光刻关键技术”通过验收；北京华卓荆轲科技股份有限公司成功打破了ASML在工作台上的技术垄断。

通过incopat工具对光刻机相关专利进行检索分析，得到该领域2000年至今的年申请趋势图，重点申请人申请数量排名，EUV光刻机重点申请人申请数量排名。

图1光刻机全球申请量趋势

数据来源：incopat，2000-2018年

从图1可以看出，2000-2004年迎来了光刻机专利申请的第一次快速增长，这一时期Intel、VIA及IBM等企业设计的半导体芯片性能快速提升，对半导体制程提出了越来越高的要求，光刻机技术不断提升，使得申请量也随之攀升。

而在光刻机研发到193nm时遇到瓶颈，ASML联手多家芯片巨头将193浸润式光科技树延伸至15nm，在此期间专利申请量下滑，但沉浸式光刻在7nm之后难以发展，EUV光刻机成为了解决这一问题的关键，因此近些年光刻机的相关技术专利申请呈现在此增长的趋势。

图2光刻机专利申请地域分布图

数据来源：incopat，2000-2018年

从地域分布来看，在光刻机领域，日本的专利申请量最多，日本企业除了在本国大量布局之外，比较重视在美国、韩国、中国台湾和中国大陆的专利布局，说明日本作为传统的光刻机领头羊，在中低端光刻机的研发投入了大量精力，布局了大量相关专利，其在中低端光刻技术上的实力雄厚。但在高端光刻机领域，日本技术仍有待提升。与之相比，中国相关专利申请量较少，说明光刻机技术门槛高，且国内没有过多的技术积累，发展较慢。

图3左图为光刻机重点申请人申请量排名;右图为EUV重点申请人申请量排名

数据来源：incopat，2008-2018年

图3为近几年关于EUV专利重点申请人排名与光刻机重点申请人申请排名比较，其中关于EUV光刻机重点申请人申请数量，ASML位列第二名，排名第一的光学仪器企业卡尔蔡司（Carl Zeiss）及排名较为靠前的海力士及三星均为ASML的合作伙伴，日本尼康及佳能分别位列第四及第六位。

对比光刻机重点申请人专利申请数量及EUV光刻机重点申请人专利申请数量，不难看出日本佳能及尼康在EUV光刻机研究上已经与ASML拉开较大差距，逐渐退出高端光刻机额角逐，究其原因为：

（1）ASML无上下游企业，专注研发，且核心技术绝对保密；

（2）ASML的特殊规定：想获得ASML光刻机的优先使用权的企业，需入股ASML，台积电，三星，英特尔，海力士纷纷入股，以寻求互惠互利。如在光刻机进入193nm节点时，ASML与台积电联合开发的浸润式光刻机是奠定ASML绝对霸主的关键一步。

（3）ASML每年将营业额的15%用于研发，高额的研发费用，让尼康和佳能望而却步，逐步退出高端光刻机的角逐。

3.结论

光刻机在芯片制造过程中起着至关重要的作用，随着器件特征尺寸的不断缩小，对光刻机的精度要求越来越高，作为芯片制造业巨头：三星、台积电、因特尔已纷纷入股ASML，以谋求其高端光刻设备共同开发与优先采购权，国内光刻机领域虽然取得一些进展，但仍然与国际水平差距巨大，仅仅依靠进口，国内的芯片制造行业势必受制于人，加快光刻机的研制步伐，刻不容缓。

参考文献：

[1]http://www.sohu.com/a/213887254_468750

[2]徐明飞.2017.高数值孔径投影光刻物镜的光学设计[D]

[3]http://blog.sina.com.cn/s/blog_bde252a80102woqm.html

[4]程建瑞.2015.EUV光刻技术的挑战[J].电子工业专用设备.

[5]张金颖.2019.荷兰光刻巨头崛起对我国发展核心技术的启示[J].中国工业和信息化.

[6]王龙兴.2018.全球半导体设备的市场分析[J].上海市集成电路行业协会.

● 作者：超凡知识产权数据与咨询事业部检索分析师 王辉