中國(guó)光刻機(jī)行業(yè)一直處于發(fā)展的起步階段，盡管在技術(shù)上積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，已經(jīng)能夠制作出14納米左右的芯片，但是相對(duì)國(guó)外的工藝而言，這還有很大的差距，面臨著重重挑戰(zhàn)。目前，中國(guó)的光刻機(jī)主要供應(yīng)商有比亞迪、中微半導(dǎo)體(SMEE)和微電子集團(tuán)，但與國(guó)際知名光刻機(jī)廠商相比，中國(guó)光刻機(jī)的市場(chǎng)份額仍然較小。

其中，比亞迪作為中國(guó)最大的光刻機(jī)供應(yīng)商之一，其產(chǎn)品的精度和穩(wěn)定性已經(jīng)達(dá)到世界領(lǐng)先水平，比亞迪已經(jīng)成為全球光刻機(jī)市場(chǎng)上的重要力量。另外，2018年組建的華為芯片公司，也在大力推進(jìn)光刻機(jī)相關(guān)技術(shù)的研發(fā)，以實(shí)現(xiàn)自主生產(chǎn)、自主供應(yīng)，為實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)芯片走向全球市場(chǎng)做出貢獻(xiàn)。

然而，中國(guó)光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)還存在一些問(wèn)題，如國(guó)內(nèi)研發(fā)力量相對(duì)薄弱、進(jìn)口關(guān)鍵零部件的依賴度較高、高端市場(chǎng)需求難以滿足、產(chǎn)品技術(shù)水平相對(duì)落后等。因此，中國(guó)光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)將面臨很長(zhǎng)一段時(shí)間的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，需要加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)、加強(qiáng)國(guó)際合作和開放共享的態(tài)度，才能加快產(chǎn)業(yè)的向前發(fā)展。

光刻技術(shù)是半導(dǎo)體制造的核心技術(shù)之一，它通過(guò)使用特定波長(zhǎng)的光源，在晶圓表面制作出微小的電路圖案。隨著半導(dǎo)體工藝不斷向更高集成度、更低功耗、更高性能發(fā)展，光刻技術(shù)也面臨著不斷提高分辨率、降低成本、提高產(chǎn)能等挑戰(zhàn)。

目前，全球最先進(jìn)的光刻技術(shù)是EUV(極紫外)光刻技術(shù)，它使用波長(zhǎng)為13.5nm的極紫外光源，可以實(shí)現(xiàn)5nm甚至3nm以下的工藝節(jié)點(diǎn)。然而，EUV光刻技術(shù)也非常復(fù)雜和昂貴，目前全球只有荷蘭ASML公司能夠量產(chǎn)EUV光刻機(jī)，并主要供應(yīng)給臺(tái)積電、三星、英特爾等少數(shù)芯片制造商。中國(guó)在EUV光刻技術(shù)方面還有很大差距，但也在努力追趕。

成就與進(jìn)展

中國(guó)光刻技術(shù)取得了以下一些成就和進(jìn)展：

中科院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所提出了一種新的快速光學(xué)鄰近效應(yīng)修正技術(shù)，即基于虛擬邊與雙采樣率像素化掩模圖形，能夠提高光刻機(jī)對(duì)硅膜片的成像質(zhì)量，降低芯片制程難度，并通過(guò)仿真試驗(yàn)證明了這一理念的可行性。

上海微電子研發(fā)并投產(chǎn)了28納米制程的光刻機(jī)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在非先進(jìn)制程領(lǐng)域的空白，并有望將芯片制程提升到22納米、16納米、14納米。

中微公司研發(fā)并投產(chǎn)了3納米刻蝕機(jī)，實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)首臺(tái)自主研發(fā)的極紫外(EUV)刻蝕設(shè)備。

南大光電成功開發(fā)出ArF、KrF等系列光刻膠產(chǎn)品，并實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。

哈工大、清華團(tuán)隊(duì)研制出EUV曝光系統(tǒng)原型機(jī)，并在長(zhǎng)春光機(jī)所、上海光機(jī)所等單位的協(xié)助下進(jìn)行13.5納米光源、光學(xué)鏡頭等關(guān)鍵部件的研究。

北京華卓精科成功開發(fā)出雙工件臺(tái)EUV掩模檢測(cè)系統(tǒng)原型機(jī)，并通過(guò)國(guó)家級(jí)鑒定。

難點(diǎn)和挑戰(zhàn)

中國(guó)在EUV光刻技術(shù)方面雖然取得了一些進(jìn)展，但仍然面臨著諸多難點(diǎn)和挑戰(zhàn)。主要有以下幾個(gè)方面：

光源：EUV光刻機(jī)需要使用波長(zhǎng)為13.5nm的極紫外光源，這是一種非常難以產(chǎn)生和控制的光。目前國(guó)際上主要采用兩種方式產(chǎn)生EUV光源：DPP(放電產(chǎn)生等離子體)和LPP(激光產(chǎn)生等離子體)。DPP方式相對(duì)簡(jiǎn)單，但功率較低;LPP方式功率較高，但復(fù)雜度也高。目前國(guó)內(nèi)在DPP方式上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了100W功率輸出，但距離ASML使用的LPP方式的250W還有較大差距。

光學(xué)系統(tǒng)：EUV光刻機(jī)需要使用特殊的反射鏡來(lái)傳輸和聚焦EUV光束，這些反射鏡需要具備極高的表面精度、反射率、清潔度和穩(wěn)定性。目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)成功研制出了兩鏡EUV投影系統(tǒng)原型機(jī)，但距離ASML使用的四鏡或六鏡系統(tǒng)還有較大差距。

全套設(shè)備：EUV光刻機(jī)除了包括光源和光學(xué)系統(tǒng)外，還包括工件臺(tái)、掩模臺(tái)、測(cè)量系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等多個(gè)部分，這些部分都需要高度協(xié)調(diào)和集成，形成一個(gè)完整可靠的設(shè)備。目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)全套EUV光刻機(jī)的研制和生產(chǎn)。據(jù)悉，中芯國(guó)際已經(jīng)向ASML訂購(gòu)了一臺(tái)EUV光刻機(jī)，并計(jì)劃在2021年底或2022年初投入使用。2022年全球光刻機(jī)市場(chǎng)規(guī)模232.3億美元，三大巨頭ASML/Canon/Nikon壟斷市場(chǎng)。中國(guó)內(nèi)地的上海微電子光刻機(jī)技術(shù)在國(guó)內(nèi)領(lǐng)先，可量產(chǎn)90nm分辨率的ArF光刻機(jī)，28nm分辨率的光刻機(jī)也有望取得突破。光刻機(jī)主要由激光光源、物鏡系統(tǒng)和工作臺(tái)三個(gè)核心部分組成，它們之間相互配合完成更為精確的光刻。激光光源方面，EUV光源已確定為激光等離子體光源，中國(guó)科益虹源自主研發(fā)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的首臺(tái)高能準(zhǔn)分子激光器填補(bǔ)了中國(guó)在準(zhǔn)分子激光技術(shù)領(lǐng)域的空白。物鏡系統(tǒng)方面，卡爾蔡司是ASML透鏡、反射鏡、照明器、收集器和其他關(guān)鍵光學(xué)元件的唯一供應(yīng)商。雙工作臺(tái)技術(shù)難度很高，能夠掌握該項(xiàng)技術(shù)的只有荷蘭ASML。涂膠顯影領(lǐng)域國(guó)內(nèi)龍頭為沈陽(yáng)芯源微，2022年，公司披露在28nm及以上節(jié)點(diǎn)的光刻涂膠顯影工藝上可實(shí)現(xiàn)全面國(guó)產(chǎn)替代。

1.2022年全球光刻機(jī)市場(chǎng)規(guī)模232.3億美元，三大巨頭ASML/Canon/Nikon光刻機(jī)營(yíng)收分別為161/20/15億美元，市場(chǎng)份額達(dá)82%/10%/8%;出貨量分別為345/176/30臺(tái)，市場(chǎng)份額63%/32%/5%。從EUV、ArFi、ArF三個(gè)高端機(jī)型的出貨來(lái)看，ASML仍維持領(lǐng)先地位，出貨量分別占100%/95%/87%。2.中國(guó)內(nèi)地的上海微電子光刻機(jī)技術(shù)在國(guó)內(nèi)領(lǐng)先，目前已可量產(chǎn)90nm分辨率的ArF光刻機(jī)，28nm分辨率的光刻機(jī)也有望取得突破。3.光刻機(jī)主要由激光光源、物鏡系統(tǒng)和工作臺(tái)三個(gè)核心部分組成，它們之間相互配合完成更為精確的光刻。4.為了實(shí)現(xiàn)更精確的光刻，必須提高分辨率，減少光源波長(zhǎng)是重要手段。EUV光源已確定為激光等離子體光源，目前只有兩家公司能夠生產(chǎn)：美國(guó)的Cymer和日本的Gigaphoton。中國(guó)科益虹源自主研發(fā)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的首臺(tái)高能準(zhǔn)分子激光器填補(bǔ)了中國(guó)在準(zhǔn)分子激光技術(shù)領(lǐng)域的空白。5.物鏡是光刻機(jī)中最昂貴最復(fù)雜的部件之一，卡爾蔡司是ASML透鏡、反射鏡、照明器、收集器和其他關(guān)鍵光學(xué)元件的唯一供應(yīng)商。盡管與卡爾蔡司、尼康等公司還有非常大的差距，但奧普光學(xué)提供的鏡頭已經(jīng)可以做到90nm。6.高端光刻機(jī)都采用了雙工作臺(tái)，能夠提高3倍以上的生產(chǎn)效率。

雙工作臺(tái)技術(shù)難度很高，精確度要求極高，能夠掌握該項(xiàng)技術(shù)的只有荷蘭ASML。清華大學(xué)和華卓精科合作研發(fā)出光刻機(jī)雙工作臺(tái)，精度為10nm，雖然比不上ASML的水平，但也算填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。7.涂膠顯影設(shè)備是光刻工序中與光刻機(jī)配套使用的涂膠、烘烤及顯影設(shè)備，涂膠顯影領(lǐng)域國(guó)內(nèi)龍頭為沈陽(yáng)芯源微，2022年，公司披露在28nm及以上節(jié)點(diǎn)的光刻涂膠顯影工藝上可實(shí)現(xiàn)全面國(guó)產(chǎn)替代。8.我國(guó)半導(dǎo)體光刻膠對(duì)外依賴程度達(dá)80%以上，適用于6英寸晶圓的g/i線光刻膠自給率為20%，適用于8英寸晶圓的KrF光刻膠自給率小于5%，適用于12英寸晶圓的ArF光刻膠目前基本靠進(jìn)口。光刻技術(shù)是利用光刻膠將光掩模上的圖形轉(zhuǎn)移到基片上的技術(shù)工藝。光刻工藝包括涂膠、曝光、顯影等核心過(guò)程，光刻機(jī)是光刻工藝中最為重要的設(shè)備。光刻母版是制造掩膜版的重要步驟。光刻機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，核心部件達(dá)十余種。全球光刻機(jī)市場(chǎng)規(guī)模232.3億美元，ASML/Canon/Nikon三大巨頭壟斷市場(chǎng)。中國(guó)內(nèi)地占ASML銷售額14%，上海微電子光刻機(jī)技術(shù)在國(guó)內(nèi)領(lǐng)先。

激光光源、物鏡系統(tǒng)以及工作臺(tái)是光刻機(jī)的核心部分，數(shù)值越小芯片性能越強(qiáng)。1.光刻技術(shù)是在特定波長(zhǎng)的光照作用下，借助光刻膠將光掩模上的圖形轉(zhuǎn)移到基片上的技術(shù)工藝。光刻工藝首先光源穿過(guò)光掩模，并通過(guò)透鏡使得光掩?？s小，最終使光落于覆蓋有光刻膠的基板上;在此過(guò)程中，光掩模遮蓋區(qū)域的光刻膠底片不會(huì)變硬，在刻蝕過(guò)程中被剝落，從而完成對(duì)底片的雕刻。2.光刻工藝的一般流程包括涂膠、曝光、顯影等核心過(guò)程，分別涉及涂膠機(jī)、光刻機(jī)和顯影機(jī)。其中，光刻機(jī)由于技術(shù)壁壘高、單臺(tái)成本高，為光刻工藝中最為重要的設(shè)備。

準(zhǔn)備光刻母版(reticle)是其中一個(gè)步驟。光刻母版是在玻璃或石英板的鍍薄膜鉻層上生成分層設(shè)計(jì)電路圖的復(fù)制圖。光刻母版可直接用于進(jìn)行光刻，也可以用來(lái)制造掩膜版。掩膜版是在玻璃底板表層鍍鉻。在加工完成后，在掩膜版表面會(huì)覆蓋許多電路圖形的副本。掩膜版是用整個(gè)晶圓表面來(lái)形成圖形。3.瑞利準(zhǔn)則CD=k1·A/NA，光源波長(zhǎng)、數(shù)值孔徑為影響分辨率的主要因素。芯片大小是決定芯片成本的重要因素，芯片越小，一張晶圓片上可切割的芯片越多，芯片成本就越低。芯片臨界尺寸(即光刻系統(tǒng)能夠識(shí)別的最小尺寸，也即光學(xué)分辨率)公式為CD=k1-A/NA，其中CD為芯片的臨界尺寸，入為光源波長(zhǎng)，NA是光學(xué)器件的數(shù)值孔徑，定義可以收集多少光，k1為與芯片制造相關(guān)的常數(shù)因子，ASML認(rèn)為其物理極限是k1=0.25。

光刻機(jī)技術(shù)路線主要從前兩個(gè)方面進(jìn)行技術(shù)突破：光源波長(zhǎng)方面，光源由最初的g線發(fā)展至目前的極紫外E UV，波長(zhǎng)由436nm縮短至13.5nm;EUV光線下芯片制程可達(dá)3nm，AS ML為目前全球唯一的E UV供應(yīng)商，且其正在進(jìn)一步研發(fā)2nm甚至1.x nm制程的芯片。數(shù)值孔徑方面，浸沒(méi)式技術(shù)的應(yīng)用大大減小了折射角度，使得投影物鏡的直徑得以進(jìn)一步增加。4.光刻機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，核心部件達(dá)十余種。

ASML光刻機(jī)由照明光學(xué)模組、光罩模組和晶圓模組組成。光刻機(jī)技術(shù)復(fù)雜，往往生產(chǎn)一臺(tái)光刻機(jī)需要上千家供應(yīng)商，主要組件包括雙工作臺(tái)、光源系統(tǒng)、曝光系統(tǒng)、浸沒(méi)系統(tǒng)、物鏡系統(tǒng)、光柵系統(tǒng)等，配套設(shè)施包括光刻膠、掩膜版、涂膠顯影等。5.2022年全球光刻機(jī)市場(chǎng)規(guī)模232.3億美元，ASML/Canon/Nikon三大巨頭壟斷市場(chǎng)。根據(jù)SEMI預(yù)測(cè)，2022年光刻機(jī)占半導(dǎo)體設(shè)備市場(chǎng)份額達(dá)23%，市場(chǎng)規(guī)模232.3億美元。其中，全球光刻機(jī)三大巨頭ASML/Canon/Nikon光刻機(jī)營(yíng)收分別為161/20/15億美元，市場(chǎng)份額達(dá)82%/10%/8%;出貨量分別為345/176/30臺(tái)，市場(chǎng)份額63%/32%/5%。從EUV、ArFi、ArF三個(gè)高端機(jī)型的出貨來(lái)看，ASML仍維持領(lǐng)先地位，出貨量分辨占100%/95%/87%。