光刻技术发展史简述（光刻机的发展历史）

中国光刻机发展历史

光刻机（Mask Aligner) 又名：掩模对准曝光机，曝光系统，光刻系统等，是制造芯片的核心装备。它采用类似照片冲印的技术，把掩膜版上的精细图形通过光线的曝光印制到硅片上。

生产集成电路的简要步骤：

利用模版去除晶圆表面的保护膜。

将晶圆浸泡在腐化剂中，失去保护膜的部分被腐蚀掉后形成电路。

用纯水洗净残留在晶圆表面的杂质。

其中曝光机就是利用紫外线通过模版去除晶圆表面的保护膜的设备。

一片晶圆可以制作数十个集成电路，根据模版曝光机分为两种：

模版和晶圆大小一样，模版不动。

模版和集成电路大小一样，模版随曝光机聚焦部分移动。

其中模版随曝光机移动的方式，模版相对曝光机中心位置不变，始终利用聚焦镜头中心部分能得到更高的精度。成为的主流[1] 。

主要厂商

曝光机是生产大规模集成电路的核心设备，制造和维护需要高度的光学和电子工业基础，世界上只有少数厂家掌握。因此曝光机价格昂贵，通常在 3 千万至 5 亿美元。

光刻机的品牌众多，根据采用不同技术路线的可以归纳成如下几类：

高端的投影式光刻机可分为步进投影和扫描投影光刻机两种，分辨率通常七纳米至几微米之间，高端光刻机号称世界上最精密的仪器，世界上已有1.2亿美金一台的光刻机。高端光刻机堪称现代光学工业之花，其制造难度之大，全世界只有少数几家公司能够制造。国外品牌主要以荷兰ASML（镜头来自德国），日本Nikon（intel曾经购买过Nikon的高端光刻机）和日本Canon三大品牌为主。

位于我国上海的SMEE已研制出具有自主知识产权的投影式中端光刻机，形成产品系列初步实现海内外销售。正在进行其他各系列产品的研发制作工作。

生产线和研发用的低端光刻机为接近、接触式光刻机，分辨率通常在数微米以上。主要有德国SUSS、美国MYCRO NXQ4006、以及中国品牌。

光刻机的制造为什么这么难?

首先，光刻机的透镜，光源技术难度大，研发要求历史和时间比较长。

其实光刻机的发展历史非常悠久，从90年代开始，发达国家就已经开始研究光刻机的相关技术。其中美国著名厂商asml负责研发，在硬件方面他们采用德国蔡司的透镜。并且其他的相关硬件都来自于其他高科技国家。所以说光刻机技术不仅仅是一个国家就能够研发出来的，它还需要全球不同的国家为其提供生产力和科技的支持。举一个简单的例子说明，美国生产的7纳米芯片，是利用光刻技术将数据集成到芯片上。并且在制作过程当中要非常严格地掌控光的大小。这远比制作一个普通的相机要难，因为相机只需要控制光圈，而光刻机不仅仅是要控制光的大小，还要能够利用光。

其次，光刻机的研发需要大量的资金支持，很多企业难以承担高昂的研发费用。

美国等发达国家研究光刻机，几乎每年都有超过90个亿的资金作为研发费用。到目前为止这些掌握光刻机技术的国家大约都花费了约4000亿元。并且目前光刻机市场的老大asml几乎可以说是整个光刻机技术的垄断者。他们每年投入的研发费用，几乎是某些世界500强企业的三个季度的收入。所以说对于我国很多中小企业来说，他们没有充足的资金去研发光刻机。并且加上目前市场已经存在一定的饱和，这些新研发的企业如果大量将产品投产到市场当中，无疑会使得竞争对手和自己两败俱伤。

最后，我国的光刻机技术刚起步，仍然面临着许多难题需要攻克。

从目前我国在相关行业发展历史分析，只有上海微电子装备和合肥芯硕半导体有限公司在研究光刻机方面取得了一定的进步。并且从目前来看，上海微电子装备已经能够研发出90纳米工艺的芯片。而另外一家公司能够研发出半导体直写的光刻机。并且已经能够实现最高200纳米的量产技术。

现代光学工业之花——光刻机

光刻机（Mask Aligner）是采用类似照片冲印的技术，把掩膜板上的精细图形通过光线的曝光印制到硅片上的设备，是制造芯片的核心装备，也是目前顶尖 科技 的代表。中美 科技 竞争下，因光刻机使用部分美国技术，华为自研的高端芯片供应链被掐断，中芯国际也无法采购最先进的EUV。高端光刻机已成为当前中国半导体的软肋。

高精度光刻机的制造工艺极其复杂，核心零件便有8万个左右，共需要超10万个零部件，因此，光刻机也有了“现代光学工业之花”的称号。如此高的制造门槛，也就导致了光刻机制造领域的玩家也寥寥无几。“头部玩家”基本被荷兰阿斯麦（ASML），日本的尼康和佳能垄断：

佳能光刻机

佳能光刻机的 历史 始于对相机镜头技术的高度应用。佳能灵活运用20世纪60年代中期在相机镜头开发中积累的技术，研发出了用于光掩膜制造的高分辨率镜头。此后，为了进一步扩大业务范围，佳能开始了半导体光刻机的研发，并于1970年成功发售日本首台半导体光刻机PPC-1，正式进入半导体光刻机领域。目前，佳能的光刻机阵容，包括i线光刻机和KrF光刻机产品线。佳能已累计出货5600余台光刻设备，覆盖众多领域，尤其是在步进光刻机细分市场，佳能有超过80%的市场份额，受到了中国客户的喜爱。

尼康光刻机

尼康则是凭借相机时代的积累，在日本半导体产业全面崛起的初期，一度成长为全球光刻机巨头，独占行业50%以上的份额。手里的大客户英特尔，IBM，AMD，德州仪器等几乎每天堵在尼康门口等待最新的产品下线，一时风光无两。然而，在美国政府将EUV技术视为推动本国半导体产业发展的核心技术后，美国便将自己一手支持的当 时尚 属小角色的阿斯麦推上前台，并在半导体干湿刻法的技术之争中胜出，尼康也由此开始衰落。其昔日的客户和盟友纷纷背叛，晶圆代工厂基本都将尼康的光刻机排除在大门之外。尼康目前出货的光刻机基本只能卖给三星，LG，京东方等用来生产面板。受各业务下滑影响，尼康不得不进行了多次的大规模裁员。

ASML光刻机

ASML现在则是光刻机制造领域无可争议的霸主。它为半导体生产商提供光刻机及相关服务，其TWINSCAN系列是世界上精度最高，生产效率最高，应用最为广泛的高端光刻机型。全球绝大多数半导体生产厂商，都向ASML采购TWINSCAN机型，比如英特尔（Intel）、三星（Samsung）、海力士（Hynix）、台积电（TSMC）、中芯国际（SMIC）等。

市场上的主力机种是XT系列以及NXT系列，为ArF和KrF激光光源，XT系列是成熟的机型，分为干式和沉浸式两种，而NXT系列则是主推的高端机型，全部为沉浸式。

ASML基于极紫外（EUV）光源的新型光刻机，型号定为NXE系列，是一个划时代的产品，关键尺寸在10nm以下的芯片晶圆，只能用EUV光刻机生产，ASML实现了该领域的100%垄断。

在国产光刻机制造企业当中，上海微电子相对比较出色。

目前，上海微电子能量产的光刻机是在90nm，其主要在低端光刻机领域发力，在低端领域拿下全球40%的市场份额。而中国有80%的低端光刻机都来自于上海微电子。今年，上海微电子将交付中国首台28nm immersion式光刻机，制程技术进步不小。

以上对比可以看出，中国和日本在光刻机领域已存在不小的差距，而在与全球顶尖供应链厂商ASML相比时，更是难以企及。难怪ASML公司总裁放言，就算把图纸给我们的公司，也永远仿造不出顶级光刻机！这话虽然听着让人非常不爽，但是不得不承认这就是现阶段的现实问题！

如今，在美国霸权限制横行之下，中国已深深明白了光刻机的极端重要性。每个中国人也都心知肚明，只有我们自己真正拥有，才能无所畏惧。在芯片问题亟待解决的今天，加上国家的大力引导，中国人自己的高端光刻机必将更早成为现实。