光刻机产品发展及产业链各环节梳理

根据所用光源改进和工艺创新，光刻机经历了五代产品发展，每次改进和创新都显著提升了光刻机所能实现的最小工艺节点。

1.从 UV 到 EUV，正在向High-NA EUV 发展

根据所用光源改进和工艺创新，光刻机经历了五代产品发展，每次改进和创新都显著提升了光刻机所能实现的最小工艺节点。 （1）接触式光刻机：曝光方式为掩模版与半导体基片之间靠控制真空度实现紧密接触，使用光源分别为 g 线和 i 线。接触式光刻机由于掩模与光刻胶直接接触，所以易受污染，掩模版和基片容易受到损伤，掩模版寿命短。（2）接近式光刻机：曝光方式为掩模版与半导体基片之间为非紧密接触状态，掩模版不容易受到损伤，掩模版寿命长，但由于掩模版与基片之间有一定间隙，成像质量受到影响，分辨率下降。 （3）扫描投影式光刻机：中间掩模版上的 IC 版图通过光学透镜成像在基片表面，有效地提高了成像质量，投影光学透镜可以是 1∶1，但大多数采用精密缩小分步重复曝光的方式（如 1∶10，1∶5，1∶4）。IC 版图面积受限于光源面积和光学透镜成像面积。光学曝光分辨率增强技术的突破，把光刻技术推进到深亚微米及百纳米级。

（4）步进式扫描投影光刻机：以扫描的方式实现曝光，可以增大曝光面积和曝光效率，通过采用 193nm 的 ArF 准分子激光光源，实现光刻过程中掩模和硅片的同步移动，并同时实现将掩模图像缩小投影在硅片上，进行分步重复曝光，将芯片的最小工艺节点提升一个台阶。利用浸没式光刻技术，通过在光刻机投影物镜最后一个透镜下表面与硅片光刻胶之间充满高折射率的液体（如去离子水），进一步提高了光刻分辨率，把 193nm 光源的光刻工艺节点进化到22nm。（5）EUV 光刻机：采用波长为 13.5nm 的激光等离子体光源作为光刻曝光光源。即使其波长是 193nm 的 1/14，几乎逼近物理学、材料学以及精密制造的极限，将最小工艺节点推进至 7nm 仍然面临着种种难题。荷兰ASML 公司用于7nm工艺的EUV 光刻机共有 10 万个零件，其中 90%的关键设备来自世界各国。目前，EUV 光刻机可支持芯片制造商将芯片制程推进到3nm 制程左右，但是如果要继续推进到 2nm 制程甚至更小的尺寸，就需要更高数值孔径的High-NAEUV光刻机。相比目前 NA 为 0.33 的 EUV 光刻机，High-NA EUV 光刻机将NA 提升到0.55，可以进一步提升分辨率与成像能力，从而实现更先进制成的生产。当前该技术由阿斯麦公司研发中，公司预计在 2025 年实现出货。

2.产业链涉及范围广，所需供应组件众多，供应链管理难度高

光刻机产业链主要包括上游材料与组件、中游光刻机整机以及下游光刻机具体应用三大环节。光刻机涉及的内部零件种类众多，且越高端的光刻机组成越复杂，其核心组件包括光源系统、双工作台、物镜系统、对准系统、曝光系统、浸没系统、光栅系统等，其中光源、晶圆曝光台、物镜和对准系统的技术门槛较为显著。因此，光刻机企业往往具备高外采率、与供应商共同研发的特点。例如 ASML 公司用于 7nm 工艺的 EUV 光刻机共有 10 万个零件，其中90%的关键设备来自世界各国，在全球上、下游产业链共有 5000 多个供应商，分别提供的用于生产光刻系统的材料、设备、零部件和工具，ASML 只负责中游整机设计与各模块集成。

整体结构：多种先进系统的精准组合

光刻机是最复杂的工业产品之一，其本体由光源系统、曝光系统和工作台系统三大核心系统组成，主要性能指标有分辨率、套刻精度和产率。其中，光源系统负责发射紫外光束，曝光系统（主要包括照明系统和投影物镜系统）负责缩小光束，工作台系统负责承载晶圆。这三大系统的研发制造难度大，目前国际上只有少数几家企业掌握核心技术，例如全球领先的准分子激光器厂商—美国Cymer公司，掌握光源系统的核心技术；德国 Zeiss 公司研发制造的物镜系统在业内遥遥领先；荷兰 ASML 研发的双工作台系统则是工作台系统的代表。此外，还有环境与电气系统、光刻计算（OPC）与掩膜优化（SMO）软件、显影涂胶设备提供支持。具体来看，紫外光从光源系统生成后，被导入照明系统，在这里，光需要被整理，包括改变光的形状、实时测量光强度、调整光的均匀度，离开照明系统的光还必须控制部分的遮挡与开合，以提供掩模版的扫描。扫描穿过掩模版的光会进入投影物镜系统。投影物镜系统将光聚焦在晶圆表面预涂的光阻上，实现把掩模版上的图案成像在晶圆上。

光源系统：稳定产生特定波长的光线

光源系统的功能是稳定产生光刻所需的特定波长的光线。从高压汞灯光源到DUV深紫外光光源再到 EUV 极紫外光源，光刻机的光源系统不断发展进化。目前，全球仅美国 Cymer 公司具备 EUV 光源产业化能力，而DUV 光源除Cymer 外，日本Gigaphoton 厂商也能生产。 （1）UV 光刻机采用高压汞灯作为光源。高压汞灯能提供254～579nm 波长的光。使用滤波器可以选择性的使用 i 线（365nm）、h 线（405nm）或g 线（436nm）为光刻机提供照明光源。高压汞灯的本质是一种气体放电电光源，汞蒸气被能量激发，汞原子最外层电子受到激发从而跃迁，落回后放出光子。放电管内充有启动用的氩气和放电用的汞。 （2）DUV 光刻机大多采用准分子激光器（ArF、KrF）作为光源。其工作原理是向惰性气体（Ar、Kr）和卤素气体（Cl2、F2）的混合气体施加高压短脉冲，产生惰性元素的卤化物（ArF、KrF），这些化合物同时具备激发态（E1）和基态（E0），由于基态的化合物不稳定，容易分解为单质，激发态向基态跃迁的过程将持续进行，并释放出特定波长的光子（193nm、248nm）。目前，全球能生产光刻用高重频准分子激光器的公司仅有美国Cymer 公司和日本Gigaphoton 公司，其最新型号光源的输出功率已达到120W，脉冲频率6000Hz，脉冲持续时间 100-150ns。Cymer 公司于 2013 年被ASML 收购，目前占据了光刻机光源 80%以上的市场份额。科益虹源是我国国内唯一、全球第三家从事光刻准分子激光技术全链条研发和产业化的公司，193nm ArF 准分子激光器完成出货，打破海外垄断局面。

（3）EUV 光刻机采用高纯度锡（Sn）电离产生的极紫外光作为光源，是目前世界上领先的光源。极紫外光的本质不是激光，但其产生的过程需要用到高功率激光器。目前获取 EUV 光源的主流方案是 CO2激发的 LPP（激光等离子体）光源。其工作原理是，在真空腔体中，熔融锡液滴以每秒5 万次的频率从发生器中等间隔喷射出来，每个锡滴的大小保持在 7.5-13μm 左右。当锡滴经过中心区域时，被 20kW 以上的高功率 C02激光器的两个连续脉冲击中，第一个低强度预脉冲撞击圆形锡滴使其膨胀，变成薄饼型；接着第二个高强度主脉冲以全功率撞击薄饼锡。两次高能激光脉冲可将该锡滴瞬间加热至 50000K，从而使锡原子跃升至高能态，在回归至基态的过程中释放出 13.5nm 的极紫外光，经收集镜导入到曝光系统中。EUV 光源系统主要由主脉冲激光器、预脉冲激光器、光束传输系统、锡液滴靶、锡回收器、收集镜等构成。目前主流的 EUV 光源系统由荷兰ASML 公司、德国TRUMPF公司和德国 Zeiss 公司合作研发制造而成。其中，ASML 作为集成商提供扫描仪和生成液滴的组件，Zeiss 提供 EUV 镜头，TRUMPF 提供专门定制的CO2激光器。

照明系统：优化成像过程

照明系统为投影物镜成像提供特定光线角谱和强度分布的照明光场。照明系统位于光源与投影物镜之间，是复杂的非成像光学系统，主要功能是为投影物镜成像提供特定光线角谱和强度分布的照明光场。在过程中，对光束进行扩束、调整光的形状、提升光的均匀度、控制曝光剂量，并提供稳定照明。

照明系统的组成部件包括： （1）光束处理单元：与光源相连，主要实现光束扩束、光束传输、光束稳定和透过率控制等功能，其中光束稳定由光束监测和光束转向两部分组成。（2）光瞳整形单元：光刻机需要针对不同的掩膜结构采用不同的照明模式，以增强光刻分辨力，提高成像对比度。光瞳整形单元通过光学元件调制激光束的强度或相位分布，实现多种照明模式。不同的照明方式，比如圆形、环形、二级、四级光源下，光刻机分辨率不同。例如：光穿过掩模版上的图案时会产生衍射效应，线宽越小，衍射角度越大，1阶衍射光超过投影物镜外就无法成像。如果将点光的形状改成环状光或其他形状，1阶衍射光就可以被收进物镜且图像对比度清晰。 （3）光场匀化单元：用于生成特定强度分布的照明光场。引入透射式复眼微透镜阵列，每个微透镜将扩束准直后的光源分割成多个子光源，每个子光源经过科勒照明镜组后在掩膜面叠加，从而实现高均匀性的照明光场。（4）中继镜：在掩膜面上形成严格的光束强度均匀的照明区域并将中间的平面精确成像在掩模版平面。

投影物镜系统：实现光线的聚焦

投影物镜系统的功能是实现光线聚焦，其性能决定光刻机的分辨率及套刻精度，是精准成像的关键。投影物镜要将照明模组发射出的1 阶衍射光收进物镜内，再把掩模版上的电路图案缩小，聚焦成像在晶圆上的光阻层上，并且需要补偿光学误差。投影物镜主要由多枚镜片组成，典型的投影物镜包含近30 块镜片，60个光学表面，最大直径达 0.8m。

物镜的特点是直径大、镜片多、镜片可动。ASML DUV 光刻机中的先进机种的投影物镜直径大于 40cm，增加投影物镜的直径可以提高数值孔径，进而提高光刻机分辨率。此外，ASML DUV 光刻机投影物镜的高度超过1 米，镜片数量超过15片，单个透镜的光学特性会导致图像失真，需要组合透镜来修正图像形变。采用可动镜片可以消除镜头组装及光刻生产等过程中所产生的各种像差。可动镜片覆盖了垂直修正、倾斜修正和多向修正。 不同的光刻机采用不同的投影物镜系统方案。DUV 光刻机物镜系统主要由多个透镜组成，NA 一般在 0.6-1.3 之间，分辨率可支持的极限工艺制程在10nm左右；EUV 光刻机使用 13.5nm 的极紫外光，由于极紫外光无法通过普通的光学材料，因此其物镜系统主要由多个反射镜组成，NA 一般在 0.25-0.35 之间，分辨率可以突破到 10nm 以下。EUV 反射镜目前全球仅 Zeiss 一家具备产业化能力，DUV透镜除Zeiss 外 Nikon、Canon 等厂商也具备制造能力。

投影物镜系统技术壁垒高，德国 Zeiss 为业内龙头，国内茂来光学正在发力。随着分辨率要求不断提高，光刻机投影物镜结构越来越复杂，对光学材料、光学加工、光学镀膜等要求达到目前工业水平的极限，是光刻机中技术壁垒最高的零部件之一。目前的技术难点主要集中在以下两个方面：（1）镜头平整度作为重要参数之一，对光刻过程中的图案分辨率和图案形状控制有着至关重要的影响。在光刻过程中，光线通过物镜进入光刻胶层，形成所需的图案，如果物镜表面不平整，会导致光线通过物镜后发生散射或偏折，使得光线聚焦到不同的位置，从而影响图案的分辨率和形状控制。顶级单反相机镜头加工产生的像差在 200nm 以上，而 ASML 的 ArF DUV 投影物镜像差在2nm 内。高端光刻机镜头的价值量接近 0.6 亿美元，成本占比大。 （2）制造高质量的物镜需要先进的工艺和精密的设备，一般来说加工流程包括高精度机床铣磨成型、小磨头抛光、磁流变抛光、离子束抛光、镀膜等步骤，离子束抛光是其中的关键步骤，离子束抛光利用离子轰击需要抛光的物体表面，以快速地去除材料表面的缺陷和凸起，同时不会产生新的表面缺陷。新一代EUV光刻机的反射镜的面形精度为 PV 小于 0.12nm，表面粗糙度小于30pm，原子级别的光洁度，全球仅 Zeiss 能达到。国内茂莱光学 PV 小于30nm，表面面形RMS 小于5nm，表面粗糙度小于 0.5nm，供货上海微电子，应用于i 线光刻机物镜中。

工作台系统：承载晶圆、精确对准

工件台主要起承载晶圆的作用。每一次曝光前都需要将硅片和工件台对准，而后通过将光罩和工件台对准以实现光罩和硅片的对准，从而将图形精确地复制到需要光刻的区域。 与单工作台相比，双工作台（Twinscan）效率提高了35%，精度提高了10%，有效提高了光刻机的产能。光刻机双工作台由两个工件台组成，两个工件台同时独立工作，负责完成步进运动、曝光扫描、对准扫描、上下硅片等功能。工作台分为 1 号和 2 号，2 号工件台处于物镜下方，对晶圆进行调平调焦、曝光、刻片等操作，与此同时 1 号台进行待刻晶圆的上片下片；当2 号台刻片完成，工件台系统进行换台，1 号工件台换到物镜下方进行刻片，2 号台进行上片下片，如此循环往复实现光刻机的高效生产。 ASML 是全球首家应用双工件台的企业，注册了大量的专利，并且在磁悬浮驱动方面积累了大量技术，优势显著。近年来，Nikon 也推出了Tandem Stage工件台，相较其过去工件台有大幅性能提升。

双工作台的技术难点在于需要速度快、对准精度高以及运动稳定：（1）速度快：目前全球领先的 DUV 光刻机，晶圆的光刻生产速度为300片/h，1个影像单元的曝光成像约 0.1 秒，实现这个成像速度，晶圆平台需以高达7g的加速度高速移动。7g 的加速度意味着从 0 加速到 100km/h 只要约0.4 秒，F1赛车需要 2.5 秒。 （2）精确对准：面临的难点有偏移——芯片制造需一层层向上叠加，每次重叠的误差称为套刻精度，要求是 1-2nm。晶圆从传送模组到晶圆平台上，会产生机械误差，一般是数千纳米的偏移。高低差——投影物镜太大，对焦点上下可接受的影像范围小于 100nm。而晶圆表面高低不平，累加晶圆平台的高低差，晶圆表面不同位置的光阻高度可相差 500-1000nm。因此每次曝光前，须针对每片晶圆做精密量测，截取到晶圆每一个区块纳米等级的微小误差，在曝光阶段实时校正。（3）运动稳定：稳定运动——利用 balance mass 吸收平衡晶圆平台所施加于机座的反作用力，使整座机台完全静止。稳定定位——晶圆要在完成量测后，要在极短的曝光时间内完美定位，ASML 光刻机可达到精度为0.06 纳米的传感器确认精准定位。稳定运作——晶圆平台为减少磨损采用悬浮的移动方式，达成较高速的运动和持久稳定的运作。

产业专题报告：光刻机市场