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国内光刻机技术发展现状及趋势分析

时间：2023-08-15 来源：浏览：

国内光刻机技术发展现状及趋势分析

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摘要

全球光刻机市场的垄断现状，以及中国内地光刻机制造实力的发展。虽然国内仍有较大差距，但中国内地光刻机产业已具备了快速发展的基础，未来有望在全球光刻机市场占据更大的份额。同时，国内光刻技术产业链已经初步形成，但仍需要不断推进技术升级和自主创新，以提高自给率和降低对进口光刻胶的依赖。

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2022 年全球光刻机市场规模 232.3 亿美元，三大巨头 ASML/Canon/Nikon 垄断市场。中国内地的上海微电子光刻机技术在国内领先，可量产 90nm 分辨率的 ArF 光刻机， 28nm 分辨率的光刻机也有望取得突破。光刻机主要由激光光源、物镜系统和工作台三个核心部分组成，它们之间相互配合完成更为精确的光刻。激光光源方面， EUV 光源已确定为激光等离子体光源，中国科益虹源自主研发设计生产的首台高能准分子激光器填补了中国在准分子激光技术领域的空白。物镜系统方面，卡尔蔡司是 ASML 透镜、反射镜、照明器、收集器和其他关键光学元件的唯一供应商。双工作台技术难度很高，能够掌握该项技术的只有荷兰 ASML 。涂胶显影领域国内龙头为沈阳芯源微， 2022 年，公司披露在 28nm 及以上节点的光刻涂胶显影工艺上可实现全面国产替代。

1.2022年全球光刻机市场规模 232.3 亿美元，三大巨头 ASML/Canon/Nikon 光刻机营收分别为 161/20/15 亿美元，市场份额达 82%/10%/8% ；出货量分别为 345/176/30 台，市场份额 63%/32%/5% 。从 EUV 、 ArFi 、 ArF 三个高端机型的出货来看， ASML 仍维持领先地位，出货量分别占 100%/95%/87% 。

2.中国内地的上海微电子光刻机技术在国内领先，目前已可量产 90nm 分辨率的 ArF 光刻机， 28nm 分辨率的光刻机也有望取得突破。

3.光刻机主要由激光光源、物镜系统和工作台三个核心部分组成，它们之间相互配合完成更为精确的光刻。

4.为了实现更精确的光刻，必须提高分辨率，减少光源波长是重要手段。 EUV 光源已确定为激光等离子体光源，目前只有两家公司能够生产：美国的 Cymer 和日本的 Gigaphoton 。中国科益虹源自主研发设计生产的首台高能准分子激光器填补了中国在准分子激光技术领域的空白。

5.物镜是光刻机中最昂贵最复杂的部件之一，卡尔蔡司是 ASML 透镜、反射镜、照明器、收集器和其他关键光学元件的唯一供应商。尽管与卡尔蔡司、尼康等公司还有非常大的差距，但奥普光学提供的镜头已经可以做到 90nm 。

6.高端光刻机都采用了双工作台，能够提高 3 倍以上的生产效率。双工作台技术难度很高，精确度要求极高，能够掌握该项技术的只有荷兰 ASML 。清华大学和华卓精科合作研发出光刻机双工作台，精度为 10nm ，虽然比不上 ASML 的水平，但也算填补了国内空白。

7.涂胶显影设备是光刻工序中与光刻机配套使用的涂胶、烘烤及显影设备，涂胶显影领域国内龙头为沈阳芯源微， 2022 年，公司披露在 28nm 及以上节点的光刻涂胶显影工艺上可实现全面国产替代。

8.我国半导体光刻胶对外依赖程度达 80% 以上，适用于 6 英寸晶圆的 g/i 线光刻胶自给率为 20% ，适用于 8 英寸晶圆的 KrF 光刻胶自给率小于 5% ，适用于 12 英寸晶圆的 ArF 光刻胶目前基本靠进口。

光刻技术是利用光刻胶将光掩模上的图形转移到基片上的技术工艺。光刻工艺包括涂胶、曝光、显影等核心过程，光刻机是光刻工艺中最为重要的设备。光刻母版是制造掩膜版的重要步骤。光刻机结构复杂，核心部件达十余种。全球光刻机市场规模 232.3 亿美元， ASML/Canon/Nikon 三大巨头垄断市场。中国内地占 ASML 销售额 14% ，上海微电子光刻机技术在国内领先。激光光源、物镜系统以及工作台是光刻机的核心部分，数值越小芯片性能越强。

1.光刻技术是在特定波长的光照作用下，借助光刻胶将光掩模上的图形转移到基片上的技术工艺。光刻工艺首先光源穿过光掩模，并通过透镜使得光掩模缩小，最终使光落于覆盖有光刻胶的基板上；在此过程中，光掩模遮盖区域的光刻胶底片不会变硬，在刻蚀过程中被剥落，从而完成对底片的雕刻。

2.光刻工艺的一般流程包括涂胶、曝光、显影等核心过程，分别涉及涂胶机、光刻机和显影机。其中，光刻机由于技术壁垒高、单台成本高，为光刻工艺中最为重要的设备。准备光刻母版 (reticle) 是其中一个步骤。光刻母版是在玻璃或石英板的镀薄膜铬层上生成分层设计电路图的复制图。光刻母版可直接用于进行光刻，也可以用来制造掩膜版。掩膜版是在玻璃底板表层镀铬。在加工完成后，在掩膜版表面会覆盖许多电路图形的副本。掩膜版是用整个晶圆表面来形成图形。

3.瑞利准则 CD=k1·A/NA ，光源波长、数值孔径为影响分辨率的主要因素。芯片大小是决定芯片成本的重要因素，芯片越小，一张晶圆片上可切割的芯片越多，芯片成本就越低。芯片临界尺寸 ( 即光刻系统能够识别的最小尺寸，也即光学分辨率 ) 公式为 CD=k1-A/NA ，其中 CD 为芯片的临界尺寸，入为光源波长， NA 是光学器件的数值孔径，定义可以收集多少光， k1 为与芯片制造相关的常数因子， ASML 认为其物理极限是 k1=0.25 。光刻机技术路线主要从前两个方面进行技术突破：光源波长方面，光源由最初的 g 线发展至目前的极紫外 E UV ，波长由 436nm 缩短至 13.5nm ； EUV 光线下芯片制程可达 3nm ， AS ML 为目前全球唯一的 E UV 供应商，且其正在进一步研发 2nm 甚至 1.x nm 制程的芯片。数值孔径方面，浸没式技术的应用大大减小了折射角度，使得投影物镜的直径得以进一步增加。

4.光刻机结构复杂，核心部件达十余种。 ASML 光刻机由照明光学模组、光罩模组和晶圆模组组成。光刻机技术复杂，往往生产一台光刻机需要上千家供应商，主要组件包括双工作台、光源系统、曝光系统、浸没系统、物镜系统、光栅系统等，配套设施包括光刻胶、掩膜版、涂胶显影等。

5.2022年全球光刻机市场规模 232.3 亿美元， ASML/Canon/Nikon 三大巨头垄断市场。根据 SEMI 预测， 2022 年光刻机占半导体设备市场份额达 23% ，市场规模 232.3 亿美元。其中，全球光刻机三大巨头 ASML/Canon/Nikon 光刻机营收分别为 161/20/15 亿美元，市场份额达 82%/10%/8% ；出货量分别为 345/176/30 台，市场份额 63%/32%/5% 。从 EUV 、 ArFi 、 ArF 三个高端机型的出货来看， ASML 仍维持领先地位，出货量分辨占 100%/95%/87% 。

6.中国内地占 ASML 销售额 14% ，上海微电子光刻机技术在国内领先。 2019 年以来， ASML 对中国内地销售额呈现持续增长态势， 2022 年中国内地销售额占比达 14% 。上海微电子光刻机技术在国内领先，目前已可量产 90n m 分辨率的 ArF 光刻机， 28nm 分辨率的光刻机也有望取得突破。

7.光刻机主要就是由激光光源、物镜系统以及工作台这三个核心部分组成，它们之间相互配合就是为了完成更为精确的光刻，数值越小芯片性能也就越强，当然难度也就大。

8.光刻机激光光源是其中一个核心部分，浸没式 193nm 准分析激光器突破， EUV 有新进展。

激光光源是实现更精确的光刻的关键，提高分辨率的方法有减少波长和提高数值孔径。 EUV 光刻机面市时间表的延后主要是因为光源功率和光学精度的要求难以满足。 EUV 光源由光的产生、光的收集、光谱的纯化与均匀化三大单元组成。物镜是光刻机中最昂贵最复杂的部件之一，浸没式光刻物镜涵盖了多个学科领域最前沿。全折射式结构型式为主流。

1.激光光源是实现更精确的光刻的关键，提高分辨率的方法有减少波长和提高数值孔径。目前最顶尖的光刻机的光源波长达到 13.5nm ，也被称为极紫外光。改变环境的折射率，折射率越大孔径也就越大，于是人们研究出了浸入式光刻机，它是将光学系统浸入水中，通过水来进行折射，从而实现更高的折射率提高数值孔径。

2.EUV光刻机面市时间表的延后主要是因为光源功率和光学精度的要求难以满足。光源功率迟迟无法达到 250 瓦的工作功率需求，光学透镜、反射镜系统对于光学精度的要求极高，生产难度极大。这两大原因使得 ASML 及其合作伙伴难以支撑庞大的研发费用。

3.EUV光源由光的产生、光的收集、光谱的纯化与均匀化三大单元组成。相关的工作元器件主要包括大功率 CO2 激光器、多层涂层镜、负载、光收集器、掩膜版、投影光学系 (Xe 或 Sn) 开成等离子体，等离子利用多层膜反射镜多次反射净化能谱，获得 13.5nm 的 EUV 光。 CO2 激光器一般采用 TRUMPF 或者 Mitsubishi electronic 研制的激光发射器。极紫外光的波长为 13.5nm ，这种光容易被包括镜头玻璃内的材料吸收，所以需要使用反射镜来代替透镜。

4.光的纯化与均一性各个厂家用的都不一样， Nikon 是一种叫 fly-eye 的镜头。这种镜片用很多块凸透镜组成，光打到上面就会在各个地方产生汇聚的作用，这样在 relay lens 的帮助下，一个平行的均匀的光产生了。 ASML 用的是一种叫 quad-rod 的玻璃长方体，光在里面反射很多次，最后出来的光就被均匀化了。光源系统发展到今天，主流的 EUV 光源已确定为激光等离子体光源 (LPP) ，目前只有两家公司能够生产：一家是美国的 Cymer(2012 年被 ASML 收购 ) ，另外一家是日本的 Gigaphoton 。

5.中国科益虹源公司自主研发设计生产的首台高能准分子激光器，以高质量和低成本的优势，填补中国在准分子激光技术领域的空白，其已完成了 6k HZ 、 60w 主流 ArF 光刻机光源制造，激光器上的 KBF 晶体由中科院旗下的福晶科技提供。同时，科益虹源也是上海微电子待交付的 28 纳米光刻机的光源制造商。

6.物镜是光刻机中最昂贵最复杂的部件之一，浸没式光刻物镜涵盖了光学、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。随着光刻分辨率的不断提高，光学光刻机中采用的投影物镜结构型式经历了一个演变和筛选过程。在早期的低分辨率光刻机中，全反射型、全折射型、折反射型多种结构型式并存：在目前的高分辨率光刻机中，以全折射式结构型式为主流。

7.物镜系统的控制是光刻机中最重要的一环，物镜波像差是影响光刻机分辨率的主要因素之一。物镜波像差的控制需要对物镜的制造工艺、材料、设计等多个方面进行优化。此外，物镜系统的偏振像差也需要进行全面控制，以保证光刻图形的准确性和稳定性。

8.浸没式光刻机是目前主流的光刻机类型之一，其优势在于可以提高数值孔径，从而提高分辨率。同时，浸没式光刻机还可以减少光刻过程中的像差和光学畸变，提高光刻图形的准确性和稳定性。然而，浸没式光刻机的制造难度和成本都比较高，需要在多个方面进行技术创新和优化。

德国卡尔蔡司是荷兰 ASML 公司的唯一光学元件供应商，合作超过三十年。 ASML 的双工作台技术和沉浸式技术难度极高，国内企业启尔机电在浸液控制系统上取得了重大突破。光刻胶市场规模小，全球主要生产企业集中在日本和美国，我国对外依赖程度达 80% 以上，国产高端光刻胶稀缺。

1.德国卡尔蔡司是荷兰 ASML 公司的唯一光学元件供应商，合作超过三十年。卡尔蔡司为 ASML 提供透镜、反射镜、照明器、收集器等关键光学元件。 ASML 与卡尔蔡司签订了独家协议，如果卡尔蔡司无法维持和提高生产水平， ASML 可能无法履行订单。

2.高端光刻机都采用了双工作台技术，一个工作台负责测量，另一个工作台可以曝光晶圆，完成后，两个工作台交换位置和智能，从而提高 3 倍以上的生产效率。双工作台技术难度很高，精确度要求极高，能够掌握该项技术的只有荷兰 ASML 。有媒体传出清华大学和华卓精科合作研发出光刻机双工作台，精度为 10nm ，虽然比不上 ASML 的水平，但也算填补了国内空白。

3.目前，国产光刻机还处于 DUV 阶段。而 DUV 光刻机也分三类，即 KrF 、 ArF 、 ArFi 。 ArFi 沉浸式光刻机最关键的就是沉浸式技术， ArF 波长为 193nm ，加入沉浸式技术后就可以达到 134nm 。一旦能够实现突破，那么就等于迈进了 DUV 光刻机中的高端行列。近些年国内企业启尔机电在浸液控制系统上取得了重大突破。

4.光刻胶是半导体制造过程中的重要材料，市场规模约为 19 亿美元，仅占整个半导体市场的 0.34% 。不同的光刻胶产品适用于不同的光刻机，从光刻机的发展历程来看， IC 工艺节点也逐渐变小。全球的光刻胶生产企业主要集中在日本与美国，在最为尖端的 ArF 干法光刻胶、 ArF 浸没式光刻胶和 EUV 光刻胶产品领域，日本与美国厂商拥有绝对的垄断地位。

5.2021年行业 CR6 约为 88% ，市场集中度高。东京应化、 JSR 、住友化学、富士胶片四大日本企业分别占据 27% 、 13% 、 12% 、 8% 的市场份额，陶氏化学占据 17% 的市场份额，韩国东进占据 11% 的市场份额。我国半导体光刻胶对外依赖程度达 80% 以上，尤其是国产高端光刻胶稀缺。

6.光刻胶分为正性、负性两大类，涂层曝光并显影后，曝光部分被溶解，未曝光部分留下来，为正性光刻胶，反之则是负性光刻胶。按曝光光源和辐射源的不同，又可分为紫外正 / 负性光刻胶、深紫外光刻胶、 X- 射线胶、电子束胶、离子束胶等；根据下游不同的应用，光刻胶可分半导体光刻胶、 LCD 光刻胶、 PCB 光刻胶以及其他光刻胶。

7.我国在尖端半导体光刻胶产品上虽有一定的技术储备和产品验证，但是在量产层面完全处于空白。适用于 6 英寸晶圆的 g/i 线光刻胶自给率为 20% ，适用于 8 英寸晶圆的 KrF 光刻胶自给率小于 5% ，适用于 12 英寸晶圆的 ArF 光刻胶目前基本靠进口。

8.光刻胶市场规模虽小，但随着半导体市场的不断扩大，光刻胶市场也将得到进一步的发展。我国应加强技术研发和产业布局，提高自主创新能力，降低对进口光刻胶的依赖程度，以满足国内半导体产业的需求。

中国芯源微公司推出首台浸没式高产能涂胶显影机，可覆盖国内 28nm 及以上所有工艺节点的生产线对 T RACK 的要求，能配合各种主流光刻机量产。全球前道涂胶显影设备销售额年均复合增长率达 10.58% ， 2023 年预计将达到 24.76 亿美元。涂胶显影领域国内龙头为芯源微，其产品包括光刻工序涂胶显影设备和单片式湿法设备，可用于 8/12 英寸单晶圆处理及 6 英寸及以下单晶圆处理。 2022 年，光刻机市场份额前三的公司为 ASML 、 Nikon 和 Canon ，其中 ASML 占据市场份额超过 80% 。

1.涂胶显影设备是光刻工序中与光刻机配套使用的涂胶、烘烤及显影设备，包括涂胶机、喷胶机和显影机。随着集成电路制造工艺自动化程度及客户对产能要求的不断提升，在 200mm 及以上的大型生产线上，此类设备一般都与光刻设备联机作业，组成配套的圆片处理与光刻生产线，与光刻机配合完成精细的光刻工艺流程。

2.全球前道涂胶显影设备销售额由 2013 年的 14.07 亿美元增长至 2018 年的 23.26 亿美元，年均复合增长率达 10.58% 。智研咨询预计 2023 年将达到 24.76 亿美元。

3.中国前道涂胶显影设备销售额由 2016 年的 8.57 亿美元增长到 2018 年 8.96 亿美元， 2023 年将达到 10.26 亿美元。

4.根据 VLSI Research 数据， 2019 年全球集成电路制造前道晶圆加工领域用涂胶显影设备市场主要被日本 TEL 所垄断，占比超过 91% ，芯源微占比约为 0.7% ； 2020 年 TEL 的全球市场占比约 87% 。

5.涂胶显影领域国内龙头为沈阳芯源微，公司成立于 2002 年，是由中科院沈阳自动化研究所发起创建的国家高新技术企业，公司主要从事半导体专用设备的研发、生产和销售，产品包括光刻工序涂胶显影设备和单片式湿法设备，可用于 8/12 英寸单晶圆处理及 6 英寸及以下单晶圆处理。 2022 年，公司首台浸没式高产能涂胶显影机可覆盖国内 28nm 及以上所有工艺节点的生产线对 T RACK 的要求，能配合各种主流光刻机量产，即在 28nm 及以上节点的光刻涂胶显影工艺上可实现全面国产替代，目前在客户端已完成验收。

6.2022年，光刻机市场份额前三的公司为 ASML 、 Nikon 和 Canon ，其中 ASML 占据市场份额超过 80% 。

来源：材料汇

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