光刻機的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀如何？在技術上存在哪些差距？

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

其中，比亞迪作為中國最大的光刻機供應商之一，其產(chǎn)品的精度和穩(wěn)定性已經(jīng)達到世界領先水平，比亞迪已經(jīng)成為全球光刻機市場上的重要力量。另外，2018年組建的華為芯片公司，也在大力推進光刻機相關技術的研發(fā)，以實現(xiàn)自主生產(chǎn)、自主供應，為實現(xiàn)國產(chǎn)芯片走向全球市場做出貢獻。

然而，中國光刻機產(chǎn)業(yè)還存在一些問題，如國內(nèi)研發(fā)力量相對薄弱、進口關鍵零部件的依賴度較高、高端市場需求難以滿足、產(chǎn)品技術水平相對落后等。因此，中國光刻機產(chǎn)業(yè)將面臨很長一段時間的挑戰(zhàn)和機遇，需要加強技術研發(fā)、加強國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。

光刻技術是半導體制造的核心技術之一，它通過使用特定波長的光源，在晶圓表面制作出微小的電路圖案。隨著半導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，全球最先進的光刻技術是EUV(極紫外)光刻技術，它使用波長為13.5nm的極紫外光源，可以實現(xiàn)5nm甚至3nm以下的工藝節(jié)點。然而，EUV光刻技術也非常復雜和昂貴，目前全球只有荷蘭ASML公司能夠量產(chǎn)EUV光刻機，并主要供應給臺積電、三星、英特爾等少數(shù)芯片制造商。中國在EUV光刻技術方面還有很大差距，但也在努力追趕。

成就與進展

中國光刻技術取得了以下一些成就和進展：

中科院上海光學精密機械研究所提出了一種新的快速光學鄰近效應修正技術，即基于虛擬邊與雙采樣率像素化掩模圖形，能夠提高光刻機對硅膜片的成像質(zhì)量，降低芯片制程難度，并通過仿真試驗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，填補了國內(nèi)在非先進制程領域的空白，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，實現(xiàn)了國內(nèi)首臺自主研發(fā)的極紫外(EUV)刻蝕設備。

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

哈工大、清華團隊研制出EUV曝光系統(tǒng)原型機，并在長春光機所、上海光機所等單位的協(xié)助下進行13.5納米光源、光學鏡頭等關鍵部件的研究。

北京華卓精科成功開發(fā)出雙工件臺EUV掩模檢測系統(tǒng)原型機，并通過國家級鑒定。

難點和挑戰(zhàn)

中國在EUV光刻技術方面雖然取得了一些進展，但仍然面臨著諸多難點和挑戰(zhàn)。主要有以下幾個方面：

光源：EUV光刻機需要使用波長為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方式相對簡單，但功率較低;LPP方式功率較高，但復雜度也高。目前國內(nèi)在DPP方式上已經(jīng)實現(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。

光學系統(tǒng)：EUV光刻機需要使用特殊的反射鏡來傳輸和聚焦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。目前國內(nèi)已經(jīng)成功研制出了兩鏡EUV投影系統(tǒng)原型機，但距離ASML使用的四鏡或六鏡系統(tǒng)還有較大差距。

全套設備：EUV光刻機除了包括光源和光學系統(tǒng)外，還包括工件臺、掩模臺、測量系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等多個部分，這些部分都需要高度協(xié)調(diào)和集成，形成一個完整可靠的設備。目前國內(nèi)還沒有實現(xiàn)全套EUV光刻機的研制和生產(chǎn)。據(jù)悉，中芯國際已經(jīng)向ASML訂購了一臺EUV光刻機，并計劃在2021年底或2022年初投入使用。2022年全球光刻機市場規(guī)模232.3億美元，三大巨頭ASML/Canon/Nikon壟斷市場。中國內(nèi)地的上海微電子光刻機技術在國內(nèi)領先，可量產(chǎn)90nm分辨率的ArF光刻機，28nm分辨率的光刻機也有望取得突破。光刻機主要由激光光源、物鏡系統(tǒng)和工作臺三個核心部分組成，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，中國科益虹源自主研發(fā)設計生產(chǎn)的首臺高能準分子激光器填補了中國在準分子激光技術領域的空白。物鏡系統(tǒng)方面，卡爾蔡司是ASML透鏡、反射鏡、照明器、收集器和其他關鍵光學元件的唯一供應商。雙工作臺技術難度很高，能夠掌握該項技術的只有荷蘭ASML。涂膠顯影領域國內(nèi)龍頭為沈陽芯源微，2022年，公司披露在28nm及以上節(jié)點的光刻涂膠顯影工藝上可實現(xiàn)全面國產(chǎn)替代。

1.2022年全球光刻機市場規(guī)模232.3億美元，三大巨頭ASML/Canon/Nikon光刻機營收分別為161/20/15億美元，市場份額達82%/10%/8%;出貨量分別為345/176/30臺，市場份額63%/32%/5%。從EUV、ArFi、ArF三個高端機型的出貨來看，ASML仍維持領先地位，出貨量分別占100%/95%/87%。2.中國內(nèi)地的上海微電子光刻機技術在國內(nèi)領先，目前已可量產(chǎn)90nm分辨率的ArF光刻機，28nm分辨率的光刻機也有望取得突破。3.光刻機主要由激光光源、物鏡系統(tǒng)和工作臺三個核心部分組成，它們之間相互配合完成更為精確的光刻。4.為了實現(xiàn)更精確的光刻，必須提高分辨率，減少光源波長是重要手段。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)：美國的Cymer和日本的Gigaphoton。中國科益虹源自主研發(fā)設計生產(chǎn)的首臺高能準分子激光器填補了中國在準分子激光技術領域的空白。5.物鏡是光刻機中最昂貴最復雜的部件之一，卡爾蔡司是ASML透鏡、反射鏡、照明器、收集器和其他關鍵光學元件的唯一供應商。盡管與卡爾蔡司、尼康等公司還有非常大的差距，但奧普光學提供的鏡頭已經(jīng)可以做到90nm。6.高端光刻機都采用了雙工作臺，能夠提高3倍以上的生產(chǎn)效率。

雙工作臺技術難度很高，精確度要求極高，能夠掌握該項技術的只有荷蘭ASML。清華大學和華卓精科合作研發(fā)出光刻機雙工作臺，精度為10nm，雖然比不上ASML的水平，但也算填補了國內(nèi)空白。7.涂膠顯影設備是光刻工序中與光刻機配套使用的涂膠、烘烤及顯影設備，涂膠顯影領域國內(nèi)龍頭為沈陽芯源微，2022年，公司披露在28nm及以上節(jié)點的光刻涂膠顯影工藝上可實現(xiàn)全面國產(chǎn)替代。8.我國半導體光刻膠對外依賴程度達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口。光刻技術是利用光刻膠將光掩模上的圖形轉(zhuǎn)移到基片上的技術工藝。光刻工藝包括涂膠、曝光、顯影等核心過程，光刻機是光刻工藝中最為重要的設備。光刻母版是制造掩膜版的重要步驟。光刻機結(jié)構(gòu)復雜，核心部件達十余種。全球光刻機市場規(guī)模232.3億美元，ASML/Canon/Nikon三大巨頭壟斷市場。中國內(nèi)地占ASML銷售額14%，上海微電子光刻機技術在國內(nèi)領先。

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

準備光刻母版(reticle)是其中一個步驟。光刻母版是在玻璃或石英板的鍍薄膜鉻層上生成分層設計電路圖的復制圖。光刻母版可直接用于進行光刻，也可以用來制造掩膜版。掩膜版是在玻璃底板表層鍍鉻。在加工完成后，在掩膜版表面會覆蓋許多電路圖形的副本。掩膜版是用整個晶圓表面來形成圖形。3.瑞利準則CD=k1·A/NA，光源波長、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)能夠識別的最小尺寸，也即光學分辨率)公式為CD=k1-A/NA，其中CD為芯片的臨界尺寸，入為光源波長，NA是光學器件的數(shù)值孔徑，定義可以收集多少光，k1為與芯片制造相關的常數(shù)因子，ASML認為其物理極限是k1=0.25。

光刻機技術路線主要從前兩個方面進行技術突破：光源波長方面，光源由最初的g線發(fā)展至目前的極紫外E UV，波長由436nm縮短至13.5nm;EUV光線下芯片制程可達3nm，AS ML為目前全球唯一的E UV供應商，且其正在進一步研發(fā)2nm甚至1.x nm制程的芯片。數(shù)值孔徑方面，浸沒式技術的應用大大減小了折射角度，使得投影物鏡的直徑得以進一步增加。4.光刻機結(jié)構(gòu)復雜，核心部件達十余種。

ASML光刻機由照明光學模組、光罩模組和晶圓模組組成。光刻機技術復雜，往往生產(chǎn)一臺光刻機需要上千家供應商，主要組件包括雙工作臺、光源系統(tǒng)、曝光系統(tǒng)、浸沒系統(tǒng)、物鏡系統(tǒng)、光柵系統(tǒng)等，配套設施包括光刻膠、掩膜版、涂膠顯影等。5.2022年全球光刻機市場規(guī)模232.3億美元，ASML/Canon/Nikon三大巨頭壟斷市場。根據(jù)SEMI預測，2022年光刻機占半導體設備市場份額達23%，市場規(guī)模232.3億美元。其中，全球光刻機三大巨頭ASML/Canon/Nikon光刻機營收分別為161/20/15億美元，市場份額達82%/10%/8%;出貨量分別為345/176/30臺，市場份額63%/32%/5%。從EUV、ArFi、ArF三個高端機型的出貨來看，ASML仍維持領先地位，出貨量分辨占100%/95%/87%。