必须申明的是：作者本身为经济学专业，撰写本文仅出于对光刻机的兴趣，希望能为非半导体专业的人士提供一点点信息增量。文中难免有疏漏或者错误，欢迎读者批评指正。本文参考资料，详见文末。

以下为正文：

1946年2月14日，美国宾夕法尼亚大学研制了全球第一台基于电子管的计算机，占地170平方米，重达30吨，有17468个电子三极管、7200个电子二极管、70000个电阻、10000个电容器、1500个继电器、6000多个开关。

晶体管是作为电子管的取代品而出现的。

晶体管使用硅、锗、氮化镓和碳化硅等半导体材料制成，可以简单理解为一种利用电信号控制开合的微型开关，其开关速度非常快，超过1000亿次/秒。

硅、锗等本身是绝缘体，但当加入某些材料并施加电场时，就会变得导电。比如，将四价硅掺杂加入少量三价硼和五价磷做出PN结（晶体管工作的基本结构），再加上金属氧化物做个控制门，就能做成某类晶体管。

海量晶体管密集排列，按特定设计互相连接，就是芯片。比如，12寸晶圆的直径是约300毫米，面积是70659平方毫米。先进芯片的晶体管密度能达到1平方毫米1亿个，整个芯片有上百亿个晶体管。

摩尔定律的本质目标就是在单位面积的芯片上容纳更多的晶体管，从而实现更强大的运算性能。

芯片的整个制造流程可以分解为晶圆制造、集成电路设计、芯片制造和芯片封测四个环节。

沙子被提纯成高纯度硅，冷却后成为硅锭，然后切片、清洗、抛光成硅晶圆（wafer）。在晶圆上沉积（半）导体或隔离材料薄膜（光刻胶），然后通过特定波长的光照射，将掩膜版上的集成电路图形转移到硅片的光刻胶层，然后再通过刻蚀把图形转移到衬底上，做出 裸芯片（die）——这个过程被称为“光刻”。 再对die进行加盖、加引脚、封装、测试——这几步的难度相对较低。

实际上整个光刻过程，总共需要经历沉积、旋转涂胶、软烘、对准与曝光、后烘、显影、坚膜烘焙、显影检测等8道工序。

具体来说，第一步需要进行清洗、脱水和硅片表面成底膜处理，以便增强硅片和光刻胶之间的粘附性（气相成底膜技术）。成底膜处理后，通过旋转涂胶的方法涂上光刻胶材料。涂胶后进行软烘，用以去除光刻胶中的溶剂。将掩膜版和硅片精确对准，然后进行曝光处理。曝光后需要对硅片再次烘焙，这样做可以使之后的化学反应更加充分，从而提高显影后的图形尺寸和分辨率。

通过旋转、喷雾、浸润等方式，利用化学显影剂溶解光刻胶上的可溶解区（一般是曝光环节中被光照射过的区域），将电路图形留在硅片表面，即显影——这一步非常关键。

显影后通过热烘挥发掉存留的光刻胶溶剂，提高光刻胶对硅片表面的粘附性（坚膜烘焙）。检查显影后的电路图是否完美无缺。检测合格后继续进行刻蚀、离子注入、去胶等步骤，并视需要重复光刻步骤，最终建立芯片的“摩天大楼”。

芯片制造属于半导体制造的前道工艺，对应的半导体制造设备（前道设备）主要有光刻机、刻蚀机、薄膜沉积设备、离子注入机、CMP设备、清洗机、前道检测设备和氧化退火设备，覆盖从光片到晶圆的成百上千道工序，直接决定了芯片制造工艺的质量。芯片封装和测试是后道工艺，对应的后道设备主要分为测试设备和封装设备。

实际上，光刻机可以分为 前道光刻机和后道光刻机。

前道光刻机用于芯片的制造，曝光工艺极其复杂，后道光刻机主要用于封装测试，实现高性能的先进封装，技术难度相对较小。

从晶圆制造厂资本开支来看，集成电路制造设备投资一般占集成电路制造领域资本性支出的70%～80%，且随着工艺制程的提升，设备投资占比也将相应提高。典型的集成电路制造设备投资中，氧化炉、涂胶显影机、光刻机、刻蚀机、薄膜沉积设备、离子注入设备、测试设备、抛光设备、清洗设备等前道工艺设备投资额占比较高（80%），后道工艺的封装测试设备投资额占比为20%。

其中，光刻机占前道设备投资的23%左右，是整个半导体产业链最昂贵的单体设备。如果考虑到光刻工艺步骤中的光刻胶、光刻气体、掩膜版、涂胶显影设备等诸多配套设施和材料投资，整个光刻工艺占芯片成本的30%左右。随着芯片技术的发展，重复步骤数增多，先进芯片需要进行20～30次光刻，光刻工艺的耗时可以占到整个晶圆制造时间的40%～50%。

目前，全球的光刻机市场被荷兰阿斯麦（ASML）、日本佳能（Canon）和尼康（Nikon）三大巨头垄断。

ASML是绝对的龙头，市占率超过60%，在当前最主流的DUV浸入式光刻机市场占据了最大的份额，同时独家垄断了顶级的EUV光刻机市场。尼康在中高端光刻机也有一定市占，佳能则集中在低端区域。2024年，ASML、Nikon、Canon的光刻机出货达683台，销售金额约264亿美元。EUV、ArFi、ArF三个高端机型共出货212台，其中ASML占比90%以上(201台）。

光刻机是半导体设备中最昂贵、最关键但也是国产化率最低的环节。

按照光源划分，市面上主流的光刻机可分为g-line、i-line、KrF、ArF、EUV五种，其中g-line逐渐走向边缘。国产光刻机主要集中在90nm制程的单工件台干式DUV（KrF、ArF）光刻机，且主要用于芯片的后道封测。

光刻产业链的高度复杂性主要体现在两点——

一是作为光刻核心设备的光刻机组件复杂，包括光源系统、照明系统、 物镜系统、浸入式系统、双工件台等在内的组件技术全球只有极少数几家公司能够掌握。ASML也不是一家就能造EUV，需要多家顶尖企业相互配合才可以完成。

二是与光刻机配套的光刻胶、光刻气体、掩膜版等半导体材料和涂胶显影设备等同样要求很高的技术含量。比如，宽谱 g/i/h线光刻胶基本完成国产替代，但高端KrF、ArF和EUV光刻胶基本被美国和日本的企业垄断，韩国企业占一点比重，中国大陆基本依靠进口。

瑞利准则：光刻的基础物理原理

光刻的过程是特定波长的光线穿过光掩膜版再通过透镜，将掩膜版上的集成电路图形成像到晶圆表面。我们知道，光在均匀介质中直线传播，所以理想的成像系统，点光源通过透镜后所成的像依然是一个完美的点。

但实际的光学系统中的透镜具有一定的孔径，光穿过透镜后会发生衍射，因此所成的像并不是一个点，而是一个“艾里斑”，能够区分两个光斑的最小距离，就是分辨率。分辨率在芯片制造中体现为投影光学系统在晶圆上可实现的最小线宽。

由于芯片越做越小，芯片上集成的晶体管越来越多，元件线路越来越密集，因此，光刻机需要达到更高的分辨率。光刻分辨率是光刻曝光系统最重要的技术指标，由光源波长、数值孔径、光刻工艺因子决定，即 瑞利准则（也称为瑞利第一公式）。

瑞利准则指衍射极限系统中的分辨率极限。可以用以下公式表示：

CD=k1•λ/NA

其中，CD（Critical Dimension）表示集成电路制程中的特征尺寸，即分辨率，λ为光源波长，NA（Numerical Aperture）是光学器件的数值孔径。k1为光刻工艺和材料相关的常数因子。

阿斯麦（ASML）认为，单次曝光中k1的物理极限为0.25。但通过组合使用计算光刻、多重图形等分辨率增强技术，光刻工艺因子已突破其理论极限0.25。数值孔径的计算公式为：

NA=n*sinα

指透镜与晶圆之间介质的折射率（n）和半孔径角（α）的正弦乘积。孔径角（2α）是指透镜光轴上的物体点与物镜前透镜的有效直径所形成的角度，它定义了可以收集多少光。在其他条件一定的情况下，更大的透镜直径允许更大的入射角，从而增加数值孔径。因此，光刻机的透镜最好在工艺能力允许的前提下尽可能做大一些。

孔径角与透镜的有效直径成正比，但与焦深（DoF）成反比。在光刻中，在透镜的焦点周围会有一个范围，在这个范围内的光刻胶能够清晰地曝光，如果超出这个范围，曝光的图像就会模糊，导致图案转移不均匀。

DoF是指在保持曝光成像质量的前提下，晶圆表面可以上下移动的距离，可以通俗理解为光刻的深度。焦深越大，层间误差越小。

焦深的计算公式（也称为瑞利第二公式）为：

显然，焦深也限制了NA的无限扩大。因此，在光源波长一定的情况下，可以通过增大数值孔径减小分辨率，但需要和DoF折中考虑。

技术演进：追寻光刻的最优参数

瑞利准则决定光刻机的技术路线有三个主要的突破方向：缩短光源波长，增大数值孔径，降低工艺因子。

对这三方面技术的突破，对应了光刻机的迭代。

（一）缩短光源波长

光源波长方面，主要经历了g-line，i-line，KrF，ArF，（F2），EUV五种，波长由436nm缩短至13.5nm，对应的芯片制程从800nm缩短至3nm。

一代和二代光刻机的光源来自高压汞灯，对应制程主要集中在0.8μm-0.25μm，即800-251nm（注：1μm=1000nm）。

高压汞灯是一种气体放电的电光源，橄榄型灯泡内密封有一个放电管、两个金属电极，并充有汞和氩气。汞灯工作时，初始启动时是低压汞蒸气和氩气放电，放电产生的热量使得汞蒸气升压，电弧收缩，高压汞蒸气产生电离激发，汞原子最外层的电子、原子和离子间产生碰撞而发光。高压汞灯光线的主要辐射范围为254-579nm谱线。365nm和436nm光源分别是高压汞灯中能量最高，波长最短的两个谱线。使用滤波器可以把紫外光i-line（365nm）或g-line（436nm）分离出来，作为第一、二代光刻机的光源。

三代和四代光刻机的光源主要是KrF（248nm）和ArF（193nm）准分子激光器，对应制程在65nm-350nm。

准分子激光技术始于上世纪60年代，光源工作介质一般为稀有气体及卤素气体，并充入惰性气体作为缓冲剂，工作气体受到放电激励，在激发态形成短暂存在的“准分子”，准分子产生辐射跃迁，形成紫外激光输出。不同的介质气体产生Kr2/Ar2/XeF/KrF/ArF/XeCl等激光辐射。

氟化氪（KrF）、氟化氩（ArF）准分子激光器由于在输出能量、波长、线宽、稳定性等方面的优势，成为最重要的紫外和深紫外波段的激光光源，被用于光刻领域。

目前使用最广泛的深紫外光刻机（Deep Ultr***iolet Lithography，DUV）一般***用ArF光源，加入浸入式技术的光刻机被称为ArFi光刻机（多出的这个i代表加入了浸入式技术），加入浸入式技术并通过多重曝光技术最高可以实现7nm制程。

第五代也是最新一代光刻机的光源为EUV（13.5nm），极紫外光（Extreme Ultr***iolet Lithography，EUV）本质不是激光，而是等离子体辐射光源（LPP），但其产生过程需要使用高功率激光器轰击金属锡（Sn）。

EUV光刻机对应制程为1-7nm，ASML是目前全球唯一的EUV光刻机供应商。

目前已知有4种方案可以获得EUV光源，分别是激光激发等离子体技术（LPP）、气体放电等离子技术（DPP）、激光辅助放电技术（LDP）、稳态微聚束技术（SSMB）。

全球只有ASML子公司Cymer和日本Gigaphoton两家企业可以生产EUV光源（但这两家企业也需要其它企业提供核心部件），使用的都是主流的LPP技术。LPP技术是使用20kW以上的高功率二氧化碳（CO2）激光器在真空腔内连续两次精准轰击从发生器中以每秒5万次的频率被喷射出来直径20μm的高纯度Sn靶。

第一次轰击使用低强度的预脉冲撞击圆形锡滴使其膨胀，变成薄饼型。由于薄饼锡受光面积大，光强增大。然后第二次高强度的主脉冲以全功率撞击薄饼锡，锡原子被电离，产生高温、高密度的等离子体云，就在这团等离子体冷却衰变的极短瞬间，锡离子会释放出波长为13.5纳米的极紫外光子。收集镜捕获等离子体发出的EUV辐射（13.5nm），将其集中起来传递至曝光系统。

现存商用型EUV光刻机的极紫外光源在600w左右，但是由于转化效率低，最终只有2%～4%最终转化为有用的13.5nm EUV光，其余能量即为废热。

如果要提升功率，则需要在单位时间内提升高纯度Sn的喷射速度和激光命中次数。文章开头提到的ASML此次的技术创新，实际上就是实现了在Sn滴喷射频率倍增（10万次）的情况下，通过重构激光脉冲策略保证命中准确率，进而提高EUV光源功率。这实际上是一个非常复杂的系统性工程，涉及 在极高频率下保持锡滴大小、位置和速度的极度均一、热管理、锡碎片的清理以及光学元件的保护等等。

从瑞利准则可以推断，缩短光源波长是提高分辨率最直接的方法，但光源发展到ArF（193nm）时，光源迭代速度放缓，ASML、Canon、Nikon等巨头开始将目光转向提高数值孔径，并出现了F2（光源演进）与ArF+immersion（增大NA）的路线之争。

（二）增大数值孔径

数值孔径方面，当物镜直径面临瓶颈时，***用非球面元件、浸没式装置、引入反射元件减小折射角度，也可以进一步增大数值孔径（NA）。

光刻技术经过了接触式、接近式、投影式三次迭代。20世纪60年代的接触式光刻技术适用于小规模集成电路（分辨率在亚微米级），单次曝光整个衬底，且接触式光刻的掩膜版与晶圆表面直接接触，很容易产生划痕，降低晶圆良率和掩膜版的使用寿命。

为解决上述问题，20世纪70年代产生了接近式光刻技术，晶圆和掩膜版之间留有间隙且以氮气填充。虽然解决了划痕的问题，但光由玻璃介质进入气体介质，会发生衍射。衍射效应改变了光的角度，限制了分辨率极限（2μm）。

另外，对于接触式和接近式光刻技术，掩膜版图形和晶圆尺寸是1:1的关系，限制了线宽。

20世纪70年代中后期，出现了投影式光刻技术。投影式光刻可以借助物镜投影成像，缩小投影尺寸，进一步提高分辨率。

但投影式光刻依然面临衍射效应，线宽越低，受衍射效应影响越大。因此，需要增大投影物镜直径来提升入射角（α），从而扩大数值孔径（NA）来接受更多的光。但当线宽小于65nm时，物镜直径已经增大到导致物镜内聚焦的光角度越来越大，再经过折射效应（n），射出投影物镜的光角度接近水平，无法在晶圆表面成像。引入非球面结构后，在不改变物镜口径的情况下改变了折射角度，将NA提升至0.9，接近（干式光刻的）物理极限。

此时，Nikon选择着重攻克波长更短的F2（157nm）光源，但透镜材料仅能用氟化钙（CaF2），光刻胶也需要重新研制，研发成本和产业换代应用的成本都很高。ASML则***用台积电（研发副总林本坚）的建议：放弃突破157nm，退回到技术成熟的ArF（193nm）光源，在投影物镜和晶圆间加纯水，从而增大介质折射率，由于水对193nm光的折射率高达1.44（空气=1），那么波长可缩短为193/1.44=134nm＜F2（157nm），NA值达到1.07。此后又进一步引入反射镜，***用折反式光学系统，配合浸没式，将NA提升到1.35（极限值）。

所以，增大NA的技术路径发展趋势为（干式）球面镜、非球面镜、（浸没式）非球面镜、折返式。

浸入式技术原理虽然看起来简单易懂，但从理论构思到工业应用，需要攻克气泡消除、水渍控制、水温温控、光刻胶设计等技术难关，需要深厚的流体动力学技术积累，对颗粒、溶解氧、温度、离子等进行控制，保证水质、温度和压力。

Nikon光刻机主要集中于DUV光刻机（干式和浸入式），也是全球除了ASML以外唯一能生产浸入式光刻机的厂商。

当然，按照数值孔径的计算公式（NA=n*sinα），理论上通过研究新的光学材料和浸没液可以通过改变折射率和入射角进一步提高NA，但深紫外光和极紫外光的波长太短且光子能量很高，很容易被光学材料和浸入液吸收，可用作透镜的材料有限，当前的方案主要有熔融石英（Fused silica）和氟化钙（CaF2），熔融石英技术成熟且热膨胀系数低，是DUV的首选，CaF2加工难度大、成本高，但会在镜头特定位置添加CaF2校正系统色差。

（三）降低工艺因子

ASML原来认为单次曝光中k1的物理极限为0.25。但通过组合使用计算光刻、离轴照明、相移掩膜等分辨率增强技术（RET），k1已突破0.25。

衍射效应导致成像模糊，如果想要得到清晰的电路，就需要对光路上的组成部分做修改，因此，掩膜版图形与芯片上最终成型的晶体管、器件、互联线路图形并非一一对应。比如，光刻一个简单的“十”字，掩膜版的图形可能复杂到像人类大脑的剖面图。没有强大的计算光刻能力，很难实现这样复杂的掩模版设计。

通过改进光源系统和掩膜图形，尽可能消除图像失真，进而提高分辨率的过程，就是计算光刻。

常见的计算光刻技术包括光学邻近效应修正（OPC）、亚分辨率辅助（SRAF）、光源－掩膜协同优化技术（SMO）、多重图形技术（MPT）、反演光刻技术（ILT）等，涉及电磁物理、光化学、计算几何、迭代优化和分布式计算等复杂计算。

在2023年开发者大会上（GPU Technology Conference, GTC）上，英伟达（NVIDIA）、台积电（TSMC）、阿斯麦和新思科技（Synopsys）联合宣布，完成全新的人工智能（AI）加速计算光刻技术软件库cuLitho。cuLitho的核心是一组并行算法，计算光刻工艺的所有部分都可以并行运行。已知软件库中有多项用于实现不同功能的技术，如cuDOP用于衍射光学，cuCompGeo用于计算几何，cuOASIS用于优化，cuHierarchy用于AI。

英伟达称，基于GPU的cuLitho计算光刻技术，其性能比当前光刻技术工艺提高了40倍以上，原来需要4万个CPU系统才能完成的工作，现在仅需用500个GPU（NVIDIA DGX H100）系统即可完成，使用cuLitho的晶圆厂每天的光掩模产量可增加3-5倍，而耗电量可以比当前配置降低9倍。

从长远来看，cuLitho将带来更好的设计规则、更高的密度和产量，以及AI驱动的光刻技术，不仅使晶圆厂能够提高产量、减少碳足迹，还能为2nm及更高工艺的High-NA EUV光刻工艺奠定基础。

有意思的是，芯片是人工智能的算力底座，如今，AI技术又被应用在芯片设计中，反过来促进了算力水平的提升。

除计算光刻外，离轴照明技术（OAI）通过***用特殊光源将正入射光转换为斜入射光，使得同等数值孔径可以容纳更多的高阶光，从而曝光更小尺寸结构以提高分辨率。当两个光源进行成像时会在重合部分产生干涉效应，使光强增大，导致两个光源不能有效地区分开，相移掩膜技术（PSM）通过改变掩膜结构对其中一个光源进行180度相移，两处光源产生的光会产生相位相消，光强相消，可以区分开两个光源，从而提高分辨率。

上述三个方向的技术演进，一直支撑着光刻机的代际迭代。

目前占据市场主流的依然是DUV光刻机，浸入式DUV光刻机的单次曝光主要生产28nm及以上制程的芯片，ArFi+双重曝光可以生产22/20/16/14nm，多重曝光可以生产7nm甚至5nm制程。但当制程微缩至10nm及以下时，多重曝光大幅增加了光刻、刻蚀、沉积等工艺的复杂度，也带来良率损失的风险，使得晶圆光刻成本增加2-3倍。实际上，在22nm节点之后，DUV已经很难再实现优化，只能重新开发新的极紫外光源（13.5nm）。而随着EUV光刻机的出现，芯片制程最小可以达到3nm。

下一代光刻机又回到了提升数值孔径的路线，标准的EUV光刻机的数值孔径是0.33。目前ASML正在研发High-NA EUV光刻机（Twinscan NXE:5000/5200）的数值孔径为0.55，制程可达2nm、1.8nm，在分辨率和套刻精度上的性能表现将比目前的EUV系统高70%，即将量产。

虽然业界已经在讨论超数值孔径（Hyper-NA，NA>0.7）的EUV光刻机，但技术难度和制造成本都将极高，产业化的可能性不大。

结构拆解：ASML的EUV光刻机

ASML是全球唯一能够生产EUV光刻机的公司，通过对ASML的EUV光刻机进行粗略的拆解，可以直观呈现光刻机的模块构成进而***其技术难点。

EUV光刻机共有约10万个零件，重达180吨，包含晶圆输运系统、双工作台、掩膜版输运系统、系统测量与校正系统、曝光系统、浸没系统、物镜系统、光源系统、光栅系统、减震系统等十几个模块。从技术原理来看，光刻机的三大核心，分别是光源系统、物镜系统、双工作台。

值得申明的是，EUV整机的10万个零部件由分布在全球的5000多家供应商提供，其中约90%的关键设备来自外国而非荷兰本土，ASML实质上只负责光刻机设计与模块集成。

（一）光源系统

深紫外光是准分子光源，由激光器产生，极紫外光本质是等离子体辐射光源，不能由准分子激光器产生。ASML***用的是主流的激光激发等离子体（LPP）技术，即由高能激光两次精准轰击Sn靶激发高强度的等离子体，收集并捕获等离子体发出的13.5nm EUV辐射，将其集中起来传递至曝光系统。

所以，EUV光源系统由光的产生、光的收集和传输、光谱的纯化与均匀化三大单元组成。

第一个技术难点是制造高功率光源。

极紫外光刻需要光源功率至少达到250w，倒推激光器的激发功率要达到20kW以上。目前能提供EUV光源的仅有ASML子公司Cymer和日本Gigaphoton，二者均使用基于电调制***源加多级功率放大器的纳秒脉冲光纤激光器（Master Oscillator Power-Amplifier, MOPA）和预脉冲相结合的方案轰击Sn靶。Cymer使用通快激光放大器，Gigaphoton使用三菱电机生产的放大器，结构和原理类似。

与传统的固体和气体激光器相比，光纤激光器的转换效率更高，结构简单，光束质量高（有助于降低衍射效应），体积小，散热效果更好，使用寿命更长等特点。

第二个技术难点在于光的收集和均化。

首先，EUV的波长为13.5nm，很容易被包括镜头玻璃在内的材料吸收，所以需要使用反射镜来代替透镜。普通打磨镜面的反射率不够高，必须使用布拉格反射器（Bragg Reflector），它是一种复式镜面设计，可以将多层的反射集中成单一反射。其次，空气也会吸收EUV并影响折射率，所以光路通过的腔体必须是真空状态。最后，保证分辨率还需要对光进行均匀化。ASML***用的是FlexRay照明器，由能量均衡组件、光束分割组件、微反射镜阵列和傅里叶变换镜组组成，本质上是一个微光机电系统（Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems, MOEMS），核心器件是一组（64×64个）场镜和光瞳镜，均为可转动的微反射镜阵列（MMA），通过改变每一个反射镜的角位置改变照明光瞳，最后出来的光就被均匀化了。照明系统共约1.5万个组件，重1.5吨。

第三个技术难点在于光源的稳定传输。

使激光束以极大功率稳定传输的照明系统非常复杂。以通快（TRUMPF）的激光器为例，核心组件有高功率***模块、由4—5个谐振腔组成的高功率放大链路、光束传输系统和光学平台。放大器将几瓦的CO2激光脉冲连续放大10000倍以上，达到40kW。从***光发生器到Sn靶的整个照明系统有500多米的光路，对所有零部件的要求都非常苛刻。

另外，EUV在照明系统中的每一次反射都会损失约三成能量，经过反射镜阵列，最后到达晶圆的光线大概只能剩下2%左右。反射过程中被吸收的能量也必须用大功率散热系统进行冷却。光源的稳定性和聚光元件的保护也是巨大的挑战，因为用于激发的激光器本身存在抖动，激光与等离子体作用时产生的污染将会对光源聚光元件造成影响和破坏。

（二）物镜系统

EUV从光源系统发出后，首先进入照明系统，优化光束，接着光穿过掩模版，再经过投影物镜，将掩模版上图案聚焦成像在晶圆表面的光刻胶上。在早期的低分辨率光刻机中，物镜结构有全反射型、全折射型、折反射型、透射型等多种结构。由于EUV波长短、穿透性强，DUV所用的透射式系统无法使极紫外线偏折，故而物镜系统中只能使用全反射的投影系统。全反射系统设计要求光束相互避让，误差容忍度低，对光学元件加工的要求极高，其性能的高低直接决定了光刻机的分辨率和套刻精度。

2010年，ZEISS研发出全球第一套EUV光学系统，2012年量产。最新一代EUV光刻机投影物镜约有2万个组件，重2吨。ZEISS是ASML光刻机所用透镜、反射镜、照明器、收集器和其他关键光学元件的全球唯一供应商。

第一个技术难点是原子级的平整度。

EUV光刻机的反射镜最大直径1.2米，面形精度峰谷值0.12纳米，表面粗糙度20皮米（0.02纳米），这意味着如果把镜片放大到德国那么大，表面粗糙度也只有0.2毫米。

第二个技术难点是多层镀膜工艺。

由于EUV能量很高，会引起反射镜表面的化学反应和损伤。所以，反射镜需要高度纯净的材料和多层表面镀膜，EUV物镜的镀膜由钼和硅的交替纳米层制作，最高达100层，且多层膜厚度误差在0.025纳米（原子级别）。镀膜工艺由蔡司（ZEISS）与弗朗霍夫应用光学与精密工程研究所（Fraunhofer IOF）共同研发。

第三个技术难点是真空洁净度要求。

由于绝对的平整度要求，任何环境中的微小颗粒都会对工艺质量造成极大破坏，所以整套系统要求极高的真空洁净度，蔡司（ZEISS）位于奥伯科亨（Oberkochen）的总部实验室能达到该要求。

第四个技术难点是浸入式技术。

EUV目前主要***用局部浸入式，即在投影物镜最后一个透镜的下表面与光刻胶之间充满高折射率的液体（纯水），并保证水随着光刻机在晶圆表面做扫描运动，其好处是对系统的改造小，工件台与干式系统相同，并可以保留原有的对准系统和调平调焦系统。不过，仍需要克服浸润液气泡、镜头表面腐蚀、套刻精度受限等技术难题。 目前只有ASML和尼康两家公司掌握浸入式技术。

此前EUV光刻机的上市时间不断被延后，主要有两大方面的原因，一是所需的光源功率迟迟无法达到250w的工作功率需求；二是光学透镜、反射镜系统对于光学精度的要求极高，生产难度极大。物镜的制作不仅需要***用精度最高的打磨机和最细的镜头磨料，还需要顶级的“技术工人”。在光学镜头的生产工序中，仅光学表面成形抛光技术（Computer Controlled Optical Surface, CCOS）就有小磨头抛光、应力盘抛光、磁流变抛光、离子束抛光等高难度的超精密工序。高端光刻机整机价格超过3亿美元，镜头的价值接近0.6亿，成本占比相当大。

上述两方面的原因甚至使得ASML难以独立支撑庞大的研发费用支出，不得不在2012年向三星、台积电、英特尔联合体出售23%的股权，融资支持EUV光刻机的研发，并约定上述三家拥有优先供货权。

此后，ASML收购了全球领先的准分子激光器供应商Cymer，并以10亿欧元现金入股光学系统供应商ZEISS，加速EUV光源和光学系统的研发进程，这两次并购也是促成EUV光刻机研发成功的重要原因。

（三）双工件台

工件台是承载晶圆的平台，也被称为承片台，由吸盘模块、驱动模块、导向模块、位置测量模块和运动控制模块组成。承片台上有真空吸盘用于固定硅片，宏动模块是承载微动模块的运动装置，主要完成长行程运动，微动模块实现纳米精度的运动，共同完成硅片的定位和传输，超精密位移测量系统负责实时高精度位置测量和反馈。

早期的工件台为单工件台形式，单个工件台串联执行上下片、测量、对准和曝光等工序，产出效率较低。而2000年，ASML的双工件台（TWINSCAN）推向市场，***用“直线电机+气浮导轨+激光干涉仪”的方案。

双工件台的基本运行原理是两个工件台联动运行，当位于曝光工位的工件台做曝光时，位于测量工位的工件台提前完成上片、对准、三维形貌测量等工序，之后两个工件台互换位置，如此循环。双工件台比单工件台的效率提升3倍以上，也更能适应浸入式光刻的需求，避免了物镜系统与硅片间的水膜影响硅片测量的准确性，提升了光刻精度。

2008年，新一代NXT平台***用了创新型材料，并使用磁悬浮平面电机和平面光栅测量技术，生产效率再提高30%。

深紫外ArFi光刻机和EUV光刻机使用的都是新一代的NXE双工件台。

第一个技术难点是高加速度。

目前投产的EUV光刻机（NXE:3600D），12寸晶圆的光刻生产速度为170片/小时以上，下一代NXE:3600E和NXE:4000F的吞吐量都将扩容到220片/每小时，这意味着承片台需要以高达7g的加速度高速移动。7g的加速度意味着从0km/h加速到100km/h只要约0.4秒，而F1赛车需要2.5秒。

第二个技术难点是精确对准。

EUV的套刻精度（芯片制造需要层层叠加，每次重叠的误差称为套刻精度）要求是2nm以下。晶圆从传送模组到承片台的机械误差高达数千nm。投影物镜和晶圆表面的高低差累计也可达到500-1000nm。所以，每次曝光前，双工件台必须与计算光刻软件结合，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，在曝光阶段进行实时校正。目前能够掌握该项技术的只有ASML。

第三个技术难点是稳定运动。

EUV光刻机的运动控制模块可以做到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。位置测量模块***用平面光栅技术，两个工件台上分别布置4个光栅编码器，具有4个面内测量信息和4个面外垂向测量信息，利用8个位移测量信息得到六自由度位移，精度可以做到0.06nm。

总之，EUV光刻机几乎逼近目前物理学、材料学以及精密制造的极限。所以EUV不仅是顶级精密制造的学问，更以前沿科学研究为基础。上海微电子装备公司（SMEE）董事长对EUV光刻机的精度有过形象的比喻：相当于两架大飞机从起飞到降落，始终齐头并进，一架飞机上伸出一把刀，在另一架飞机的米粒上刻字，还不能刻坏。

光刻机的国产化进程

实际上，中国光刻机的实验室研制起步并不晚，早在70年代就研制出接触式曝光系统，但产业化落地严重滞后。

为强化国内半导体产业链自主研发能力，国务院于“十二五”规划期间推出“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”重大专项，简称“02专项”，旨在突破集成电路制造装备、材料、工艺、封测等核心技术，形成完整的产业链和较强的国际竞争力。

国产光刻机的主要企业为上海微电子（SMEE），上海微电子自主研发的90nm制程SSA600/20步进扫描投影光刻机正是通过承担“02专项”的“90nm光刻机样机研制”项目。该光刻机于2018年3月面世，可满足国内重要机构使用需求，不受国外限制。SSA600/20光刻机的核心零部件约占所有零部件的70%—80%，都已经实现国产化，剩下20%未国产化的部分主要是板卡等非核心零部件，如果有必要，随时可以实现国产替代。但SSA600/20的产能和良率较ASML还有较大差距，且主要用于集成电路的后道封测。

国产光刻机还处于单工件台干式DUV阶段，光源主要是i-line、KrF和ArF。最新消息是上海微电子的28nm光刻机样机已经交付企业测试，实际制程对应45nm左右。但样机验收和产业应用是两个概念。样机验收只需要成功完成晶圆曝光即可。到工厂应用，至少要两年时间才能得到足够的良率数据，如果一切顺利，将良率调优到90%以上可能还需要3—5年时间。ASML的光刻机发到台积电，也需要两年左右的时间安装、调试，才能正式量产。另有消息说某知名厂商通过购买尼康的光刻机进行改造，通过多重曝光技术也实现了高制程芯片的量产，但具体细节不得而知。

光源方面，中国已经可以制造高能准分子激光器，甚至不乏一些国际市占率还不错的优质企业，有一些光学元件、激光器件也供货ASML，TRUMPF，Lumentum等国际企业。不过，目前国内的激光器还是在DUV光源，EUV光源研发则刚刚起步，仅有实验室级别的DPP-EUV光源。前段时间，清华大学提出了稳态微聚束技术（SSMB）方案，也很有前景，但尚未得到产业应用。

物镜方面，技术节点已经突破90nm，反射镜的面形精度PV可以做到30nm（ASML EUV PV<0.12nm），表面粗糙度可以做到0.5nm（ASML EUV 表面粗糙度<30pm）。物镜的真空腔体也可以自主制造。

双工件台仍处于实验室阶段。产学合作研发的实验室阶段的双工件台的运动精度已经可以达到10nm，但还没有正式的产业化应用。另外，目前的工件台主要适配于干式光刻机，应用于浸入式光刻机的工件台仍在研发。

另外，国内对整个多重曝光技术的掌握程度还比较低。多重曝光技术将原本一层光刻的图形拆分到多个掩模上，利用光刻Litho和刻蚀Etch实现更小制程，可以在牺牲良率和产量的情况下生产更低制程的芯片，比如使用DUV光刻多重曝光可以实现7nm制程。

国内光刻机当前重点攻关的是浸入式ArFi光刻机（波长等效134nm）。如果顺利突破，这就意味着国产光刻机迈进DUV光刻机的高端行列。

突破路径：ASML的启示

（一）复盘ASML的历史

1955年，贝尔实验室开始***用光刻技术。1961年，GCA公司制造出第一台接触式光刻机。20世纪80年代，尼康发布了第一台商用步进式光刻机NSR-1010G。1984年尼康与GCA各占据30%市场份额，同年ASML刚刚成立。

ASML从一个默默无闻的小公司逐步成长为光刻机霸主的历程发展历史中有几个里程碑***。

1991年，ASML公司推出PAS 5500这一具有业界领先的生产效率和精度的光刻机。PAS 5500的模块化设计使得同一个系统能够生产多代先进芯片。PAS 5500也为ASML带来几家关键的客户，包括台积电，三星和现代，这些客户是公司后来实现盈利的关键。

19***年，为了突破193nm波长，英特尔和美国能源部牵头成立了EUV LLC联盟，成员包括摩托罗拉、IBM以及若干美国知名研究机构，但联盟早期成员没有光刻机厂商，于是ASML顺势加入并共享研究成果。随后，ASML就开始了漫长的EUV光刻机研发过程。

2001年，公司推出TWINSCAN系统和革命性的双工作台技术，一般的光刻机只有一个工作台，需要先测量，再曝光，而双工作台技术实现测量与曝光同时进行，在对一块晶圆曝光的同时测量对准另外一块晶圆，一下子把生产效率提升了35%以上。

2003年，ASML与台积电合作推出浸入式光刻机。尽管同期尼康基于F2光源（157nm）和干式微影技术的90nm产品和电子束投射（EPL）产品样机研制成功，但相对于尼康的全新研发，ASML的产品属于改进型成熟产品，在为半导体芯片厂商节约大量成本的同时实现工艺提升，半导体厂商只需对现有设备进行微调就能将蚀刻精度提升1-2代，并且其缩短光波的效果也优于尼康产品（多缩短25nm）。可以想象，几乎没有厂商愿意选择尼康的产品，尼康在高端光刻机领域的“溃败”由此开始。

此后，尼康痛定思痛选择调转方向研发浸没式光刻系统，并推出NSR-S622D、NSR-S631E、NSR-S635E等产品，但半导体设备更新换代迅速且投资很高，新产品总是需要至少1～3年时间由前后道多家厂商通力磨合，可谓一步慢、步步慢。ASML在浸入式系统上的先行优势使其有更充裕的时间改进设备、提高良率，产品可靠性自然领先尼康。

从此，代表日本高端光刻机的尼康逐渐败给了日后的高端光刻龙头ASML。

2006年，ASML推出EUV光刻机的原型机。由于EUV光刻机的研发难度极大，2013年ASML才推出第一台EUV量产产品，进一步加强行业垄断地位。

（二）三大策略

ASML光刻机***用模块化的设计、制造、集成和调试。各模块系统与单元组件分别在ASML产业链联盟伙伴和关键供应商内部完成，之后交由ASML组装，然后再分解成若干单元，将其包装并空运到用户的Fab厂房，再次进行整机安装调试。这种模式加快了ASML新产品开发速度，缩短了产品上市周期。实际上，光刻机90%的关键设备来自外国而非荷兰本国，ASML作为整机公司，只负责光刻机设计与集成各模块，需要全而精的上游产业链做坚实支撑。

纵览ASML的发展历史，ASML主要***取了几方面的合作创新策略：

第一，通过收购/入股，深度绑定上游供应商。

2000年以来ASML历经7次主要收购，包括美国光刻机制造商SVG，美国计算光刻软件公司Brion，美国EUV光源制造商Cymer，获取了上游光源、镜头等光刻机关键部件的领先技术。多次并购加速了EUV光源和光学系统的研发进程，也是EUV光刻机能研发成功的重要原因。2016年收购***的汉微科（HMI），吸收其电子束晶圆检测能力；2017年收购蔡司（Zeiss）24.9%的股份；2019年收购荷兰电子束光刻厂家M***er做技术储备；2020年收购Berliner Glas，主要提供晶圆台和夹具、掩膜卡盘和镜块。

第二，鼓励客户参股公司，构筑利益共同体。

2012年，公司推出“Customer Co-Investment Program”，该***允许其大客户对ASML进行少数股权投资，英特尔、台积电、三星投资总计约39亿欧元取得23%的股份，并向ASML提供13.8亿欧元的研发资金，同时享受EUV光刻机的优先供货权。

第三，重视研发投入，并***取开放合作的研发模式。

技术创新是推动ASML增长的最重要因素，ASML的技术创新理念是合作开放，通过全球产业链分工合作，***取模块化外包协同联合开发策略，构建了以ASML为核心的产业链联合体。公司开放式创新系统中包含了大学、研究机构、合作伙伴等，建立一个强大的知识技术共享网络，ASML可以快速获得行业内前沿技术的相关知识。包含了比利时的Imec、上海集成电路研发中心、荷兰ARCNL、EUV LCC、蔡司等。

2019年，ASML与一些大学、研究机构和高科技公司参与了欧盟补贴的项目，这系列的项目围绕着光刻、计量和工艺开发三大核心技术领域，每一项技术都在推动公司创新过程中发挥着至关重要的作用。

（三）绕路超车

其实，除了光刻机，研究人员还提出了一些潜在的替代方案。比如，纳米压印技术（NIL）。这种技术将印有电路图案的掩模压印在晶圆表面的抗蚀剂上，通过类似于印章的形式制造集成电路，将掩模上的精细电路图案转移到晶圆上，可在单个压印件中形成复杂的二维或三维电路图案。

由于不依赖EUV光源，这种制造技术的成本更低。现在日本已经初步将这一技术用于生产闪存芯片，未来或许有进一步扩大应用的空间。

定向自组装（DSA）。这是一种利用材料自身的分子排列规律，诱导光刻材料在硅片上自发组成需要的图案的方法，它比传统光刻分辨率更高，加工速度也不受影响，但它对材料控制的要求特别高。现在比利时的Imec、美国的MIT实验室都已经建立了实验室产线，未来有产业化的可能。

电子束光刻（EBL）。这种技术实际上是利用高能电子束代替激光器光源，直接在晶圆上进行雕刻。它的分辨率实际上比EUV光刻还高（可以达到0.768nm），但刻蚀速度非常慢，无法满足商业化需求，目前主要用在量子芯片等高精度、小批量的芯片生产中。

总结：光刻攻关需久久为功

受《瓦森纳协议》等国外技术管制影响，中国几乎无法向所有参与半导体产业链的国家购买尖端技术和相关设备，国产高端光刻机也就无法像ASML一样通过全球合作、并购突破，只能依托本土光刻组件和配套设施产业链自主研发。

不过，EUV被ASML垄断，但短期内DUV才是行业主流的应用产品，且国外的技术封锁主要集中在双工件台的DUV，目的是提高中国的商业化应用成本。中国在干式、单工件台的KrF、ArF光刻机制造方面已经取得了不少经验。在技术路径上，下一代光刻机所应用的浸没式技术的成功已经通过ASML和尼康之争的过程得到验证，本土企业可以少走弯路。

但区别于其他工艺，光刻机的组件及配套设施极度复杂，毫不夸张地说，光刻机自身即可自成产业链。所以，光刻机的制造研发绝不是某一个企业能够单独完成的，必然需要很多顶尖企业相互配合。在这种情况下，指望在一两个点上取得突破就战胜所有其他对手是不现实的， ASML即很好的例证。

与其说ASML是一家荷兰企业，不如说它是一家全球企业。说“集全球之力，成一家ASML”也不为过。 ASML所有的机型从研发到成为主流都经历了十多年到二十多年的时间，即使光刻机的关键技术取得了突破，后续还有稳定性、良率、价格、市场需求等因素，几乎每一项因素都会决定这个机型的前途命运。

弯道超车谈起来容易，但在十几、二十年的时间里能坚持下来的企业凤毛麟角。只要一个方面出现差错，都有可能功亏一篑，历史上在这方面的教训非常多。

当然，我们也不必气馁，只要我们在光刻机突破方面（实际上所有的技术突破都是如此），抱着实事求是的态度，踏踏实实地解决一个个问题，做好长时间攻关的战略准备，利用好光刻机研发对产业、学界带来的机会，内省自己的产业发展生态和科教体制机制，对光刻机的研发，实际上也是对基础学科基础研究能力的锤炼。

所谓“但行好事，莫问前程”，即如是。

—— · END · ——

No.6798 原创首发文章｜作者 贾铭

作者简介：真名孙丰伟。青年经济学者，研究领域为行为与实验经济学，关注宏观经济、国际关系，同时对一切事物保持好奇。

部分参考资料：光学光刻和极紫外光刻，上海科学技术出版社；光刻机各环节国产化情况，民生证券；光刻机行业报告：从0到1，星辰大海，中泰证券；光刻机光学：国产之路道阻且长，“中国蔡司”未来可期，国金证券；摘取光刻机***上的明珠-ASML，平安证券；国产半导体设备研究框架，方正证券；工业***上的明珠，光刻机及其零部件，中金公司；复盘ASML发展历程，探寻本土光刻产业链投资机会，西南证券；光刻机深度：筚路蓝缕，寻光刻星火，中航证券

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