光刻机工艺节点有哪些（光刻机的主要部件）

光刻工艺的原理是什么？

光刻工艺是利用类似照相制版的原理，在半导体晶片表面的掩膜层上面刻蚀精细图形的表面加工技术。也就是使用可见光和紫外光线把电路图案投影“印刷”到覆有感光材料的硅晶片表面，再经过蚀刻工艺去除无用部分，所剩就是电路本身了。光刻工艺的流程中有制版、硅片氧化、涂胶、曝光、显影、腐蚀、去胶等。

光刻是制作半导体器件和集成电路的关键工艺。自20世纪60年代以来，都是用带有图形的掩膜覆盖在被加工的半导体芯片表面，制作出半导体器件的不同工作区。随着集成电路所包含的器件越来越多，要求单个器件尺寸及其间隔越来越小，所以常以光刻所能分辨的最小线条宽度来标志集成电路的工艺水平。国际上较先进的集成电路生产线是1微米线，即光刻的分辨线宽为1微米。日本两家公司成功地应用加速器所产生的同步辐射X射线进行投影式光刻，制成了线宽为0.1微米的微细布线，使光刻技术达到新的水平。

高端光刻机为什么难“买”又难“造”？

光刻机被誉为半导体产业皇冠上的明珠。光刻机的主要作用是将掩模版上的芯片电路图转移到硅片上，在某种程度上来说，光刻工艺的决定了半导体线路的线宽，同时也决定了芯片的性能与功耗，越高端的芯片，所需要的光刻工艺也越先进。

“工欲善其事，必先利其器”，光刻机就是芯片制造中的那一把“利器”，也被誉为半导体产业皇冠上的明珠。光刻机的主要作用是将掩模版上的芯片电路图转移到硅片上，在某种程度上来说，光刻工艺的决定了半导体线路的线宽，同时也决定了芯片的性能与功耗，越高端的芯片，所需要的光刻工艺也越先进。

大家都知道，芯片很重要，离开了芯片，几乎所有电子设备都会失去作用。但要是离开光刻机，自然也就制造不出芯片，同样也不可能有手机、电脑等电子设备的产生。

光刻机的关键技术：以光为媒，刻化微纳于方寸之间

指甲盖大小的一枚芯片，内部却包含了上千万个晶体管，犹如一座超级城市，线路错综复杂，这跟光刻机的工作原理相关，其中涉及系统集成、精密光学、精密运动、精密物料传输、高精度微环境控制等多项先进学科。因此光刻机是所有半导体制造设备中技术含量最高的设备，具备极高的单台价值。

如果单纯从工作原理的角度来解析，光刻机并不复杂。“以光为媒，刻化微纳于方寸之间”，光刻机是通过串联的光源能力以及形状控制手段，将光束透射过画着线路图的校正，经过物镜补偿各种光学误差，将线路图成比例缩小后映射到硅片上，然后使用化学方法进行显影、刻蚀处理，最终得到刻在硅片上的电路图。

但是它最难的在于，需要在极小的空间内完成超精细的纳米级雕刻工艺，为具备这项能力。需要掌握的关键技术有很多，主要包括以下几种：

1、“微缩投影系统”即所谓的“光刻机镜头”。这种镜头不是一般的镜头，其尺寸可以达到高2米直径1米甚至更大。光刻机的整个曝光光学系统，可能需要20多块锅底大的镜片串联组成，将光学零件精度控制在纳米级别。每块镜片都由高纯度透光材料制成，还包括高质量抛光处理等过程，一块镜头的成本在数万美元上下;

2、既然叫做“光刻机”，所以“光源”也是光刻机的核心之一，要求光源必须发出能量稳定且光谱很窄很窄的紫外光，这样才能保证加工精度和精度的稳定性。按照光源的发展轨迹，光刻机从最初的紫外光源(UV)发展到深紫外光(DUV)，再到如今的极紫外光(EUV)，三者最大的不同在于波长，波长越短，曝光的特征尺寸就越小。

(资料源自上海微电子官网、东兴证券研究所，OFweek电子工程网制图)

最早的光刻机采用汞灯产生的紫外光源，从g-line一直发展到i-line，波长从436nm缩短到365nm。随后，业界利用电子束激发惰性气体和卤素气体结合形成的气体分子， 向基态跃迁时所产生准分子激光的深紫外光源，将波长进一步缩短至193nm，由于在此过程中遇到了技术障碍，因此采用浸没式(immersion)等技术进行矫正后，光刻机的极限光刻工艺节点可达28nm。

如今，业界最先进的光刻机是EUV光刻机，将准分子激光照射在锡等靶材上，激发出波长13.5nm的光子作为光刻机光源。EUV光刻机大幅度提升了半导体工艺水平，能够实现7nm及以下工艺，为摩尔定律的延续提供了更好地方向。而业界也只有ASML一家能够提供EUV设备，处于产业金字塔顶端;

3、分辨率，对光刻工艺加工可以达到的最细线条精度的一种描述方式。光刻的分辨率受光源衍射的限制，所以与光源、光刻系统、光刻胶和工艺等各方面都有关系，总体来说，分辨率和光源波长的关系可以用公式“R(分辨率)=K1(工艺参数)λ(光源波长)/NA(光学镜头的数值孔径)”;

4、工艺节点，是反映芯片技术工艺水平最直接的参数。工艺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，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，因此单位面积上的晶体管数量将翻番，这就是著名的摩尔定律。一般18～24个月，工艺节点就会发展一代。

工艺节点发展以28nm为分水岭，虽然依然按照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远落后于节点数值变化。比如英特尔当时统计数据显示，他们20nm工艺的实际性能已经相当于三星14nm和台积电的16nm工艺。更麻烦的是，不同厂商工艺节点换算方法不一，导致了很多理解上的混乱。因此，只有对芯片有很高要求的产品才会采用28nm及以下先进工艺。当然，发展到现在，台积电已经开发出了更为先进的5nm工艺并实现量产，今年下半年就会有搭载相关芯片的产品面世。

高端光刻机为什么难买又难造?

一般来说，一条芯片生产线上需要好几台光刻机，而一台光刻机的造价也非常高，其中成像系统和定位系统最贵，整台设备算下来造价三千万到五亿美元不等。此外，光刻机上的零部件还包括来自瑞典的轴承、德国的镜头、美国的光栅、法国的阀件等等，都属于各个国家的高端工艺产品。

光刻机的折旧速度非常快，每天大概就要花费3～9万人民币，将其称为“印钞机”也不为过。正是因为光刻机昂贵的造价和上文中提到的各项高先进技术，ASML一年也只能制造出20多台EUV光刻机。

这么昂贵的设备，ASML公司一年卖出几台就够养活整个公司了，中国市场一直以来都是ASML看好的重点业务区域，但是却偏偏不能向中国出售高端光刻机，为什么呢?这里就要提到《瓦森纳协定》。比如中芯国际苦苦等待的EUV光刻机，虽然设备一直没到，但是也没有因此停止研发进程，已经在14nm的基础上研发出“N+1”、“N+2”工艺，等同于7nm工艺，公司联合首席执行官兼执行董事梁孟松也透露出，现阶段哪怕不用EUV光刻机，也可以实现7nm工艺。但想要大规模成熟量产，依然离不开EUV光刻机。

中国又被誉为“制造大国”，既然买不着，那自己造如何?

在过去，搜狐能 copy 雅虎，淘宝能 copy eBay，滴滴 copy Uber，那咱们能不能 copy 一个ASML出来自己造光刻机?要知道，ASML可谓是当前光刻机领域的“一哥”，尽管尼康和佳能与之并称“光刻机三巨头”，但在支持14nm及以下的光刻机上，唯有ASML一家独大。

“光刻机之王”ASML的成功难以复制。ASML出身名门，由原本荷兰著名的电器制造商飞利浦公司半导体部门独立拆分出来，于2001年更名为 ASML。

在ASML背后，还有英特尔、三星、台积电、SK海力士等半导体巨头为其撑腰，只有投资了ASML，才能成为其客户，拿到光刻机产品的优先供货权。多方资本注入下，ASML也有了更多强化自身实力的机会：

2001年，ASML收购美国光刻机厂商硅谷集团获得反射技术，市场份额反超佳能，直追尼康;

2007年，ASML收购美国 Brion 公司，成为ASML整体光刻产品战略的基石;

2012年，ASML收购全球知名准分子激光器厂商Cymer，加强光刻机光源设备及技术;

2016年，ASML收购台湾半导体设备厂商汉微科，引入先进的电子束晶圆检测设备及技术;

2016年，ASML收购德国卡尔蔡司子公司24.9%股份，加强自身微影镜头技术;

2019年，ASML宣布收购其竞争对手光刻机制造商Mapper知识产权资产。

在上文中提到，光刻机设备融合了多门复杂学科，不仅种类繁多，还要求是当前该领域最先进的技术，放眼当下没有任何一家公司敢说自己能在这些领域都做到最好。也就只有ASML能够不断通过自研、收购等方式，一步步走上神坛。

说出来很多人可能不信，我国最早研发光刻机的时候，ASML还没有出现。资料记载，1977年也就是中国恢复高考那年，我国最早的光刻机-GK-3型半自动接近式光刻机诞生，由上海光学机械厂试制。

80年代其实开了个好头，1981年，中国科学院半导体所成功研制出JK-1型半自动接近式光刻机样机。1982年国产KHA-75-1光刻机的诞生，估计跟当时最先进的佳能相比也就相差4年。1985年中国第一台分步投影式光刻机诞生，跟美国造出分布式光刻机的时间差距不超过7年。这些都说明当时中国其实已经注意到了投影光刻技术的重要性，只是苦于国内生产工艺尚不成熟，所以很难实现量产。

80年代末期，“造不如买”的思想席卷了大批制造企业，我国半导体产业研发进程出现了脱节，光刻机产业也未能幸免。

虽然后续一直在追赶国外列强的脚步，但产业环境的落后加上本来就与世界先进企业有差距，使得中国终究没有在高端光刻机领域留下属于自己的痕迹。

“眼看他起朱楼，眼看他楼塌了”，80年代初期奠定的中国光刻机产业基础就这样被轻视了。这也是为什么我国光刻机产业一直赶不上国外的原因，再加上光刻机制造所需要的各种零部件，也都受到不同程度的管制，如今想再追回来，实在太难。

中国高端光刻机正在路上

2001年， 科技 部和上海市于2002年共同推动成立上海微电子装备公司，承担国家“863计划”项目研发100nm高端光刻机。据悉，中电科四十五所当时将其从事分步投影光刻机团队整体迁至上海参与其中;

2008年， 科技 部召开国家 科技 重大专项"极大规模集成电路制造装备及成套工艺"推进会，将EUV技术列为下一代光刻技术重点攻关的方向。中国企业也将EUV光刻机列为了集成电路制造领域的发展重点对象。

如今，国内从事光刻机及相关研究生产的除了上海微电子装备、合肥芯硕半导体、江苏影速集成电路装备以外，还有清华大学精密仪器系、中科院光电技术研究所、中电科四十五所等高校/科研单位。

在研发成果上，2016年，清华大学“光刻机双工件台系统样机研发”项目成功通过验收;2016年，清华大学“光刻机双工件台系统样机研发”项目成功通过验收;2018年，国家重大科研装备研制项目“超分辨光刻装备”通过验收，也是世界上首台用紫外光源实现22nm分辨率的光刻机，意义在于用便宜的光源实现较高的分辨率，用于一些特殊制造场景。

可以看到，在光刻机的自主研发进程上，中国也取得了很大的进步。但相对来说比较缓慢，要想真正研发出高端光刻机，需保证多个学科和领域的技术水平达到或者超过世界先进水平，任何一环节落下都会影响产品的性能。

这是美国的精准打击，有本事查查这个馊点子是如何出笼？我觉得正是我们50年代人掌舵时缺乏几乎所有科学知识，被自己权力切割，连同40后与60后的纽带一同切掉，30后已失能，40后除做房地产的尖子，其余趋向失能，50后是鸿沟的分界，权力中心做自然科学的极少，人才都是做买卖的，买不到自然只有造，说造，得创新，虽然少，但不乏有能做光学化学电学，机电一体化的，光电的组织能力，基本都要退休能要吗？后来60，70都是40，50教的，他们都缺乏系统边缘渗透交融能力，天天喊隔行如隔山，各霸一方，搞这种综合高 科技 设备既缺乏专业精通，又少有隔行合作的气量，包括航空发动机也一样，他瞄准了不打这，那打什么？

因为世界上的高端光刻机只有荷兰在生产，产量有限所以难买。光刻机融合了工业制造的几乎各个方面的高精技术所以也难造。

高端光刻机难买是因为以美国为首的西方国家对中国进行严密的技术封锁，难造是因为光刻机是高 科技 的集成产品，在我国基础如此薄弱的情况下还能取得如此成绩本身就是一个奇迹，假以时日，光刻机也会象盾构机一样被攻克。

难买是别个不想让你超越自己！难造是因为之前有配套设施没把它当回事！接下来重视起来了就不难造了！

光刻机，是什么。怎样制作？

光刻机是芯片制造的核心设备之一，按照用途可以分为好几种：有用于生产芯片的光刻机；有用于封装的光刻机；还有用于LED制造领域的投影光刻机。

用于生产芯片的光刻机是中国在半导体设备制造上最大的短板，国内晶圆厂所需的高端光刻机完全依赖进口，本次厦门企业从荷兰进口的光刻机就是用于芯片生产的设备。

二、工作原理

在加工芯片的过程中，光刻机通过一系列的光能量、形状控制手段，将光束透射过画着线路图的掩模，经物镜补偿各种光学误差，将线路图成比例缩小后映射到硅片上，然后使用化学方法显影，得到刻在硅片上的电路图。

一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、激光刻蚀等工序。经过一次光刻的芯片可以继续涂胶、曝光。越复杂的芯片，线路图的层数越多，也需要更精密的曝光控制过程。

为什么只有荷兰能制造最先进的光刻机，而美国不行？

在芯片制造过程中，有这么一项步骤：利用紫外线去除晶圆表面的保护膜。用以完成这一个步骤的机器，我们称它为光刻机。

芯片制造，光刻机是核心设备。目前在光刻机领域，有四个档次，分别是超高端、高端、中端和低端，分别对应的节点是5/7nm工艺、7-28nm工艺、28-65nm工艺和65-90nm工艺。

如今，任何电子设备几乎都离不开芯片，而自从芯片工艺进入到7nm时代后，需要用到一台顶尖的EUV光刻机设备，才能制造7nm、5nm等先进制程工艺的芯片产品。目前，这种顶尖的EUV极紫外光刻机，只有荷兰光刻机巨头ASML（阿斯麦）才能制造。

如果没有光刻机，即使能设计出最为先进的芯片，也无法进行制造和封装等后续的操作。这也就是为什么华为海思研发的基于5nm工艺的麒麟9000芯片，在国际上都享有盛名，但没有高端EUV光刻机的支持，就算拿到世界第一，也无用武之地。

为什么最顶尖的光刻机是来自荷兰，而不是美国？

20世纪60-70年代，光刻机的早期发展阶段，美国是走在世界前面的。那时的光刻机原理很简单，就是把光通过带电路图的掩膜投影到涂有光敏胶的晶圆上，那时的晶圆也只有1英寸大小。

80年代左右，由于美国的扶持，一些装配产业向日本转移，日本也抓住了机遇，在半导体领域趁势崛起。90年代，日本的半导体产业成为了全球第一，出口额超过美国。

1984年，荷兰光刻机厂商ASML成立，此时的阿斯麦只是飞利浦和一家小公司ASM International以50:50的比例组成的合资公司，最初员工只有31人。在成立初期，ASML没钱没客户，甚至只能在简易木板房工作。

1997年，英特尔和美国能源部牵头组建EUV LLC前沿技术组织，集成了通讯巨头摩托罗拉、IBM、芯片巨头AMD，以及能源部下属三大国家实验室：劳伦斯-利弗莫尔国家实验室、桑迪亚国家实验室和劳伦斯伯克利实验室。

这些实验室是美国 科技 发展的幕后英雄，之前的研究成果覆盖物理、化学、制造业、半导体行业的各种前沿 科技 。

此时的美国政府将EUV技术视为推动本国半导体产业发展的核心技术，并不太希望外国企业参与其中，但是此时美国本土光刻机企业已是“扶不起的阿斗”。

最后，ASML同意在美国建立一所工厂和一个研发中心，以满足所有美国本土的产能需求，保证55%的零部件均从美国供应商处采购，并接受定期审查，才被纳入美国EUV LLC联盟。

这也就是为什么说“ASML一半是欧洲的，一半是美国的。”

ASML被允许加入EUV LLC之后便顺风顺水一飞冲天，而尼康和佳能却被排除在外，从而失去了未来的门票。

十多年来，ASML一直都占据着全球第一的位置，而ASML的总裁也曾表示，即使他们将EUV光刻机制造的图纸公开，也没有一家公司可以顺利制造出来。

EUV光刻机，这台比原子弹还难造的机器，单台售价超过1.2亿美元，虽然价格高昂，却依旧供不应求，甚至有些国家就算出价再高也买不到。

一台顶级的EUV光刻机重达180吨，包含大约10万个零部件，全球供应商超过5000家，需要40个集装箱运输。即使你购买到了ASML的EUV光刻机，如果没有他们的帮助，你也无法正常安装使用，整个光刻机设备的安装调试就需要一年时间。

虽然ASML是一家荷兰公司，但它的背后却有着欧盟及美国的力量，很多关键技术都是由美国及欧盟国家提供的。一台顶尖EUV光刻机的零部件中，美国光源占27%、荷兰腔体和英国真空占32%、日本材料占27%、德国光学系统占14%，它是全世界顶尖技术的结晶。

目前中国的光刻机领域还处于初步发展阶段，上海微电子已经能够实现90nm光刻机量产。但是90nm之后，还有65nm、45nm、32nm、22nm、14nm、10nm、7nm、5nm，这些节点技术一步一个坎，有些坎几年都未必能更新出一代。万里长征才开始第一步。

文 深挖DIG