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去年说到今年的芯片， 芯片制造已经成为吃瓜群众都能谈上几句的话题。当然很多人对芯片其实并不能有一个准确的定位。很多时候直接用芯片代替半导体、集成电路、晶圆等词汇，其实它们之间是有一定差异的。
芯片制造的过程，其实是个相当复杂的过程，芯片是多个学科共同作用的结晶。厂商在制造芯片的过程中，从前端工序、到晶圆制造工序，之后再到封装和测试工序，主要用到的设备依次包括，单晶炉、气相外延炉、氧化炉、低压化学气相沉积系统、磁控溅射台、光刻机、刻蚀机、离子注入机、晶片减薄机、晶圆划片机、键合封装设备、测试机、分选机和探针台等。
▲晶圆制造中的七个主生产区
在这几年的国家重点支持下，很多半导体核心设备实现了中高端国产化，离子注入机就是其中一个非常重要的突破，打破了欧美厂商独霸天下的局面。离子注入机可以帮助光刻机完成晶圆制造。光刻机在芯片制造工序中是最核心的设备，厂商必须要利用光刻机，才能把掩模版上的图形（电路结构）临时“复印”到硅片等半导体基材（表面已均匀涂有光刻胶）上，以便开展下一步工序。直到 2017 年 8 月，我们国家才拥有国产商用的“离子注入机”。
把离子注入机实现国产化的厂商是电科装备公司，是国内唯一具备成套离子注入机制造的厂商，其研发的离子注入机已经被应用到中芯国际生产线，虽然暂时无法达到美国应用材料公司的高端设备水平，但已经是 0 的突破了。
那我们再来说说光刻机：
光刻机的背景
光刻机是半导体产业中最关键设备，也被誉为半导体产业皇冠上的明珠。集成电路里的晶体管是通过光刻工艺在晶圆上做出来的，光刻工艺决定了半导体线路的线宽，同时也决定了芯片的性能和功耗。
工欲善其事，必先利其器，要想半导体产业突破技术封锁，要想开发先进的半导体制程，就必需要有先进的光刻机。
曾经辉煌的历史
很多人以为中国人自己做不出光刻机，以为中国的光刻机一直都很落后，但其实并不是。
下图是 1979 年中国上海产的 JKG-2 光刻机
值得注意的是，此系列光刻机如今仍在市场销售，jkg-3 型光刻机是 1981 年研制成功的，此后研发停止。
而且中国不只是能研发制造成系列光刻机的不只是一个地方，就小编查到的来说，就至少有三个：
1979 年 1445 所研发的 gk-4 光刻机
值得注意的是 1978 年出品的英特尔 8086cpu 的制程是 3 微米。对应的是光刻机的曝光最细条宽（又称为分辨率）性能。
1982 年科学院 109 厂的 KHA-75-1 光刻机
这些光刻机在当时的水平均不低，从 jkg 系列至今仍在销售的情况来看，都具有不错的使用价值。
还有零零碎碎的的比如 1979 年的
了解电子历史的都应该清楚，这些玩意电子表和袖珍计算器在 80 年代无论是在国际上还是国内都是相当前卫和先进的产品。
另外的还有 1981 年的 16 万像素的 ccd，这可是数码相机的基础啊，在当时绝对的高精尖。
因此中国的半导体计算机其实并不是很多人印象中的一直很落后，而是改革开放后才没落的。1983 年后，由于中国半导体产业失去了其最大的主顾，军队。而在产业化方面又远远比不上西方成熟规模化的供应链，而半导体产业是个赢者通吃的游戏，再加上当时政策导向下的利润压力，中国半导体产业在与国外产业市场竞争中全面落败进而被放弃就成了必然的选择。
当然，历史终究是历史。天道规律从未改变也未曾偏颇，所做出的的选择终究会在不断的发展中显现。
这些年来，国内也出现了不少设备厂商，以及研究机构在对光刻机进行研发。如上海微电子、中电科四十五所、中电科四十八所等。所以并不是中国人自己不研制光刻机，尤其是研制前道光刻机，而是因为在研制出达到国际一流的光刻机中，所面临的困难既太多，又太难。那么，在我国光刻机的发展现状如何呢？我们和国外的光刻机设备厂商存在哪些差距呢？在具体到每个厂商市场和产品介绍之前，本文会先介绍一下关于光刻机的关键技术及原理。希望抛砖引玉，让真正懂行的人来说说。
光刻机关键技术及工作原理
光刻机就是放大的单反，光刻机就是将光罩上的设计好集成电路图形通过光线的曝光印到光感材料上，形成图形。最核心的就是镜头，这个不是一般的镜头，可以达到高 2 米直径 1 米，甚至更大。
光源：
光源是光刻机核心之一，光刻机的工艺能力首先取决于其光源的波长。下表是各类光刻机光源的具体参数：
最早光刻机的光源是采用汞灯产生的紫外光源(UV: Ultraviolet Light)，从 g-line 一直发展到 i-line，波长缩小到 365nm，实际对应的分辨率大约在 200nm 以上。
随后，业界采用了准分子激光的深紫外光源(DUV: Deep Ultraviolet Light)。将波长进一步缩小到 ArF 的 193nm。不过原本接下来打算采用的 157nm 的 F2 准分子激光上遇到了一系列技术障碍以后，ArF 加浸入技术(Immersion Technology)成为了主流。
所谓浸入技术，就是让镜头和硅片之间的空间浸泡于液体之中。由于液体的折射率大于 1，使得激光的实际波长会大幅度缩小。目前主流采用的纯净水的折射率为 1.44，所以 ArF 加浸入技术实际等效的波长为 193nm/1.44=134nm。从而实现更高的分辨率。F2 准分子激光之所以没有得以发展的一个重大原因是，157nm 波长的光线不能穿透纯净水，无法和浸入技术结合。所以，准分子激光光源只发展到了 ArF。
这之后，业界开始采用极紫外光源(EUV: Extreme Ultraviolet Light)来进一步提供更短波长的光源。目前主要采用的办法是将准分子激光照射在锡等靶材上，激发出 13.5nm 的光子，作为光刻机光源。目前，各大 Foundry 厂在 7nm 以下的最高端工艺上都会采用 EUV 光刻机，其中三星在 7nm 节点上就已经采用了。而目前只有荷兰 ASML 一家能够提供可供量产用的 EUV 光刻机。
分辨率：
光刻机的分辨率(Resolution)表示光刻机能清晰投影最小图像的能力，是光刻机最重要的技术指标之一，决定了光刻机能够被应用于的工艺节点水平。
套刻精度：
套刻精度(Overlay Accuracy)的基本含义时指前后两道光刻工序之间彼此图形的对准精度(3σ)，如果对准的偏差过大，就会直接影响产品的良率。对于高阶的光刻机，一般设备供应商就套刻精度会提供两个数值，一种是单机自身的两次套刻误差，另一种是两台设备（不同设备）间的套刻误差。
工艺节点：
工艺节点(nodes)是反映集成电路技术工艺水平最直接的参数。目前主流的节点为 0.35um、0.25um、0.18um、90nm、65nm、40nm、28nm、20nm、16/14nm、10nm、7nm 等。传统上(在 28nm 节点以前)，节点的数值一般指 MOS 管栅极的最小长度(gate length)，也有用第二层金属层(M2)走线的最小间距(pitch)作为节点指标的。
节点的尺寸数值基本上和晶体管的长宽成正比关系，每一个节点基本上是前一个节点的 0.7 倍。这样以来，由于 0.7X0.7=0.49，所以每一代工艺节点上晶体管的面积都比上一代小大约一半，也就是说单位面积上的晶体管数量翻了一番。这也是著名的摩尔定律(Moore's Law)的基础所在。一般而言，大约 18~24 个月，工艺节点就会发展一代。
但是到了 28nm 之后的工艺，节点的数值变得有些混乱。一些 Foundry 厂可能是出于商业宣传的考量，故意用一些图形的特征尺寸(Feature Size)来表示工艺节点，他们往往用最致密周期图形的半间距长度来作为工艺节点的数值。这样一来，虽然工艺节点的发展依然是按照 0.7 倍的规律前进，但实际上晶体管的面积以及电性能的提升则远远落后于节点数值变化。更为麻烦的是，不同 Foundry 的工艺节点换算方法不一，这便导致了很多理解上的混乱。根据英特尔的数据，他们 20nm 工艺的实际性能就已经相当于三星的 14nm 和台积电的 16nm 工艺了。
上图为英特尔公布的 10nm 节点详细工艺参数对比。由图可以明显看到，同样 10nm 工艺节点上，英特尔的晶体管密度大约是三星和台积电的两倍。
以上内容简单介绍了集成电路工艺节点的相关知识，有兴趣的读者可以自行去搜索更深入的内容。我们现在来说一下光刻机对于工艺节点发展的影响和贡献。
在 65nm 工艺及以前，工艺节点的数值几乎和光刻机的最高分辨率是一致的。由于镜头 NA 的指标没有太大的变化，所以工艺节点的水平主要由光源的波长所决定。ArF 193nm 的波长可以实现的最高工艺节点就是 65nm。
而到了 65nm 以后，由于光源波长难于进一步突破，业界采用了浸入式技术，将等效的光源波长缩小到了 134nm。不仅如此，在液体中镜头的 NA 参数也有了较大的突破。根据 ASML 产品数据信息，采用浸入技术之后，NA 值由 0.50–0.93 发展到了 0.85–1.35，从而进一步提高了分辨率。同时，在相移掩模(Phase-Shift Mask)和 OPC(Optical Proximity Correction)等技术的协同助力之下，在光刻设备的光源不变的条件下，业界将工艺节点一直推进到了 28nm。
而到了 28nm 以后，由于单次曝光的图形间距已经无法进一步提升，所以业界开始广泛采用 Multiple Patterning 的技术来提高图形密度，也就是利用多次曝光和刻蚀的办法来产生更致密图形。
值得特别注意的是，Multiple Patterning 技术的引入导致了掩模(Mask)和生产工序的增加，直接导致了成本的剧烈上升，同时给良率管理也带来一定的麻烦。同时由于前述的原因，节点的提升并没有带来芯片性能成比例的增加，所以目前只有那些对芯片性能和功耗有着极端要求的产品才会采用这些高阶工艺节点技术。于是，28nm 便成为了工艺节点的一个重要的分水岭，它和下一代工艺之间在性价比上有着巨大的差别。大量不需要特别高性能，而对成本敏感的产品(比如 IOT 领域的芯片)会长期对 28nm 工艺有着需求。所以 28nm 节点会成为一个所谓的长节点，在未来比较长的一段时间里都会被广泛应用，其淘汰的时间也会远远慢于其它工艺节点。
根据业界的实际情况，英特尔和台积电一直到 7nm 工艺节点都依然使用浸入式 ArF 的光刻设备。但是对于下一代的工艺，则必须采用 EUV 光源的设备了。目前全球只有 ASML 一家能够提供波长为 13.5nm 的 EUV 光刻设备。毫无疑问，未来 5nm 和 3nm 的工艺，必然是 EUV 一家的天下。事实上，三星在 7nm 节点上便已经采用了 EUV 光刻设备，而中芯国际也订购了一台 EUV 用于 7nm 工艺的研发。
为方便读者理解，上图是我们整理的各个工艺节点和工艺及光刻机光源类型的关系图。
光刻设备及供应商概览
了解了光刻设备的基本知识，接下来我们便可以具体了解目前全球几家主要供应商的光刻机的情况了。
目前市场上主要的光刻机供应商有荷兰的 ASML、日本的 NIKON 和 CANON，以及中国大陆的上海微电子装备(SMEE)。
上图是从几家供应商的网站上收集到的目前在售的所有光刻机的列表及相关参数。需要注意的是，目前光刻设备按照曝光方式分为 Stepper 和 Scanner 两种。
Stepper 是传统地一次性将整个区域进行曝光；而 Scanner 是镜头沿 Y 方向的一个细长空间曝光，硅片和掩模同时沿 X 方向移动经过曝光区动态完成整个区域的曝光。和 Stepper 相比，Scanner 不仅图像畸变小、一致性高，而且曝光速度也更快。所以目前主流光刻机都是 Scanner，只有部分老式设备依旧是 Stepper。上表中如果没有特别注明，都是属于 Scanner 类型。
国外光刻机发展
荷兰 ASML：强大的研发能力换来业界话语权
ASML （全称：Advanced Semiconductor Material Lithography，ASML Holding N.V），中文名称为阿斯麦（中国大陆）、艾司摩尔（中国台湾），是总部设在荷兰 Veldhoven 的全球最大的半导体设备制造商之一，向全球复杂集成电路生产企业提供领先的综合性关键设备。ASML 的股票分别在阿姆斯特丹及纽约上市。另外，ASML 的大股东是英特尔，三星和台积电（TSMC）。
由于 ASML 是业界公认的领头羊，我们便以它为对象进行研究。由上表可知，ASML 的产品一共有四个系列，非严格地，我们正好可以将其按照技术水平分为四个档次。
从其它三家的产品列表中可以看到，目前其它几家都没有正式发布的 EUV 级别产品能够和 ASML 一较高下，只有 Nikon NRS 系列有 ArF 浸入式光刻机，参数指标上勉强可以达到 ASML 高端产品的水准。但是从业界的反馈来看，Nikon 高端系列实际性能相比 ASML 同档次设备仍有不小差距，尤其是在套刻精度上远远达不到官方宣称水准，以至于 Nikon 光刻设备在售价不到 ASML 同类产品一半的前提下，依旧销售不佳。
ASML 一直以来保持了高研发投入（甚至让自己的客户掏钱），因此其专利申请量也长期保持高位。第一波高速上涨来自 2000 至 2004 年，这一时期 Intel、AMD、VIA 及 IBM 等企业设计的半导体芯片性能快速提升，为了克制芯片在高频率运行时产生的高温，他们对半导体制程提出了越来越高的要求，这间接导致了光刻机技术的不断提升。不过由于光物理性质的影响，在光刻机发展到 193nm 后，研发陷入了困局。几大芯片巨头合力将 193nm 沉浸式光刻技术延伸至 15nm 令光刻机企业研发及专利申请下滑。但是沉浸式光刻终于在 7nm 之后难以再次发展，EUV 成为了解决这一问题的关键，近些年里 ASML 相关技术专利申请再次进入增长阶段。
作为一家荷兰的企业，ASML 的专利地理布局上却值得我们思考。其在全球各地专利申请量的排名，依次是美国、日本、中国台湾、韩国以及中国。这个顺序的有意思之处在于 ASML 的专利地理布局是根据客户及竞争对手两个因素进行布局。美国既有 ASML 的几大客户，如 Intel 和德州仪器，又有 ABM、Applied Materials、Lam Research、及 Rudolph Technologies 等竞争对手，自然是重中之重。
上图显示了 ASML 公司近 3 年的研发方向和关注技术的时间变化趋势。通过了解过去 3 年内重点技术的专利战略，我们借此来分析 ASML 公司近来关注重点的变化。如 H01L 半导体器件的方面 ASML 的申请量下滑，可能意味着其已经完成了 EUV 光刻机半导体器件的设计；而 G02B 光学元件及 H05G X 射线技术两个 IPC 分类下专利申请量的增加，也行意味着 ASML 还在改善光刻技术中光学组件的性能以及 X 射线的强度。
正如 ASML 让 Intel、三星和台积电投资自己，共同承担 EUV 的研发成本，ASML 也投资了在光刻中起到关键作用的光学设备企业 Carl Zeiss。
Carl Zeiss 是 ASML 最重要的长期策略合作伙伴，长期以来为 ASML 的光刻设备提供最关火键且高效能的光学系统。在下文的 EUV 相关专利申请排名上，Carl Zeiss 更是占据了头把交椅，这也说明了其在 EUV 相关光学设备上无可替代的地位。为了获得优先供货和在 2020 年代初期就能够让芯片制造行业使用搭载全新光学系统的新一代 EUV 光刻设备，ASML 和 Carl Zeiss 决定进一步强化合作关系。
日本 Nikon 和 Canon：退出高端光刻机角逐台
Canon 早已在很多年前便放弃了在高端光刻机上的竞争，目前产品主要集中在面板等领域。目前他们还在销售的集成电路光刻设备在指标标上只相当于 ASML 的低端产品 PAS5500 系列。
Nikon 作为世界上仅有的三家能够制造商用光刻机的公司之一，似乎在这个领域不被许多普通人知道，许多人只知道 Nikon 的相机做的好，却不知道 Nikon 光刻机同样享誉全球。
Nikon (7731.JP)成立于 1917 年，是总部设在日本东京，主要分四个事业领域，分别精密设备公司、映像公司、仪器公司及其他(包括 CMP 装置事业、测量机事业、望远镜事业等)。
荷兰 ASML 一步步占据市场统治地位，Nikon 光刻机唯一剩下的优势就是同类机型价格不到 ASML 的一半。但给予 Nikon 致命一击的还是英特尔，在新制程中停止采购 Nikon 的光刻机，据悉，所有主流半导体产线中只有少数低阶老机龄的光刻机还是 Nikon 或者 Canon 的。毕竟现在英特尔，三星和台积电都成为 ASML 的股东了。
在 EUV 技术领域内，ASML 已经与其他竞争者之间拉开了差距。虽然其并未排名第一，但是排名第一的卡尔蔡司（Carl Zeiss）属于光学仪器企业，蔡司为 ASML 等光刻机企业提供光学组建。而 ASML 较其直接竞争对手 NIKON（尼康）和 CANON（佳能）在 EUV 专利数量上有很大的优势，甚至比 NC 两家之和还要多。
日本一桥大学创新研究中心教授中马宏之，曾对日本微影双雄尼康与佳能的败因深入检讨。他在研究论文指出，ASML 微影机台有 90％以上零件向外采购，这一比例远高于竞争对手 Nikon 和 Canon，“这种独特的采购策略，是 ASML 成为市场领导者的关键。”
中马宏之认为，高度外包的策略，让 ASML 可以快速取得各领域最先进的技术，让自己专注在客户的需求，以及系统整合等两大关键重点。
国产光刻机主要厂商
上海微电子装备(SMEE)
作为国内光刻设备的龙头企业，由于起步较晚且技术积累薄弱，目前最先进的光刻设备也只能提供最高 90mn 的工艺技术。单从指标上看，基本也和 ASML 的低端产品 PAS5500 系列属于同一档次。
SMEE 专利申请趋势图
合肥芯硕半导体有限公司
合肥芯硕半导体有限公司成立与 2006 年 4 月，是国内首家半导体直写光刻设备制造商。该公司自主研发的 ATD4000，已经实现最高 200nm 的量产。
合肥芯硕重点专利技术
无锡影速半导体科技有限公司
无锡影速成立与 2015 年 1 月，影速公司是由中科院微电子研究所联合业内资深技术团队、产业基金共同发起成立的专业微电子装备高科技企业。影速公司已成功研制用于半导体领域的激光直写 / 制版光刻设备、国际首台双台面高速激光直接成像连线设备（LDI），已经实现最高 200nm 的量产。
无锡影速专利主要发明人
国内外光刻机发展差距
从数据上来看，国外光刻机龙头 ASML 与国内佼佼者们之间的技术差距巨大。尽管如此，但我们也在努力追赶中。
5 月 24 日“极大规模集成电路制造装备与成套工艺”专项（02 专项）项目“极紫外光刻胶材料与实验室检测技术研究”完成了 EUV 光刻胶关键材料的设计、制备和合成工艺研究、配方组成和光刻胶制备、实验室光刻胶性能的初步评价装备的研发，达到了任务书中规定的材料和装备的考核指标。项目共申请发明专利 15 项（包括国际专利 5 项），截止到目前，共获得授权专利 10 项（包括国际专利授权 3 项）。
中国科学院大学微电子学院与中芯国际集成电路制造有限公司在产学研合作中也取得新进展，成功在光刻工艺模块中建立了极坐标系下规避显影缺陷的物理模型。通过该模型可有效减小浸没式光刻中的显影缺陷，帮助缩短显影研发周期，节省研发成本，为确定不同条件下最优工艺参数提供建议。该成果已在国际光刻领域期刊 Journal of Micro-Nanolithography MEMS and MOEMS 发表。
中国目前有 90 纳米，用 90 纳米的升级到 65 纳米不难。但是 45 纳米就是一个技术台阶了。45 纳米的研发比 90 纳米和 65 纳米难很多。如果解决了 45 纳米那个可以升级到 32 纳米不难。但是下一步升级到 22 纳米，不能直接 45 纳米升级到 22 纳米了。22 纳米用到了很多新的技术。
中国 16 个重大专项中的 02 专项提出光刻机到 2020 年研发出 22 纳米。2015 年出 45 纳米的并且 65 纳米的产业化。45 纳米是目前主流的光刻机工艺，包括 32 纳米的还有 28 纳米基本都是在 45 纳米的侵入深紫外光刻机上面改进升级来的。所以中国掌握 45 纳米的很重要。45 纳米光刻机是一个很重要的台阶，达到这个水平后，在 45 纳米光刻机上面进行物镜和偏振光升级可以达到 32 纳米。
另外，用于光刻机的固态深紫外光源也在研发，我国的光刻机研发是并行研发的，22 纳米光刻机用到的技术也在研发，用在 45 纳米的升级上面。还有电子束直写光刻机，纳米压印设备，极紫外光刻机技术也在研发。对光刻胶升级，对折射液升级，并且利用套刻方法可以达到 22 纳米到 14 纳米甚至 10 纳米的水平。相应的升级的用的光刻胶，第 3 代折射液等也在相应的研发中。
所以，目前单纯从技术层面上看，全球光刻设备的格局是：ASML 一家独占鳌头，成为唯一的一线供应商；Nikon 凭借多年技术积累，勉强保住二线供应商地位；而 Canon 只能屈居三线；SMEE 作为后起之秀，暂时勉强也挤入三线的档次，但由于光刻设备对技术积累和供应链要求极高，未来要想打入二线则非常艰难，短期内难有实质性突破。目前看来，如果没有特别原因，这一格局在未来的很长时间里都不会有任何太大变化。
上表为小编通过三家上市公司财报统计的 2017 年度光刻机销售数量。由数据可知，几家在市场份额的格局上几乎和技术格局一致，唯一的一些区别是 Canon 在面板领域拥有较大市场份额，使得它在低端光刻设备上有相对较大的销售量和份额。
小结
中国目前的光刻机技术还处在探索阶段，当然一些小成就还是有的，这并不能作为我们高枕无忧的资本，我们与国外先进技术还有很大的差距。
尤其是极紫外光刻技术方面，国外技术封锁严重，而国内想要研究又面临这难度大，瓶颈多等困扰。可喜的是，去年 “极大规模集成电路制造装备及成套工艺”国家科技重大专项“极紫外光刻关键技术研究”项目顺利通过验收。突破了制约我国极紫外光刻发展的超高精度非球面加工与检测、极紫外多层膜、投影物镜系统集成测试等核心单元技术，成功研制了波像差优于 0.75 nm RMS 的两镜 EUV 光刻物镜系统，构建了 EUV 光刻曝光装置，国内首次获得 EUV 投影光刻 32 nm 线宽的光刻胶曝光图形。
这对于我国极紫外光刻技术的研发来说是很重要的一步，但也只是小小的一步，我国还有很长的路要走。冰冻三尺非一日之寒，脚踏实地，潜心研究，未来会告诉我们答案。
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