【1 光刻劝诱：半导体制造的中枢装备】

光刻：芯片性能最要害的决定工艺。

1958年有了第一块集成电路之后，它的工艺本事就一直在快速发展。集成电路的工艺制程持续提高，晶体管的集成度也随着持续提高。英特尔创举东谈主戈登.摩尔（Gordon Moore）看到这个行业的发展情况，就建议了一个说法：在价钱不变的情况下，芯片里能容纳的晶体管数目八成每18到24个月就会翻一倍，这即是寰球都知谈的摩尔定律。芯片集成密度和可靠性一直在进步，这就激动了电子工业的创新，从大型机发展到个东谈主电脑，又发展到出动末端、物联网、东谈主工智能。

从1960年代起，芯片性能的发展大体上是按照摩尔定律来的。不外，这种高速的持续发展可不是当然而然就有的，它是集成电路联想、芯片坐褥、电子材料、半导体劝诱这些行业长期搞研发、持续改进才得来的。改进主要分两种：工艺和结构。工艺改进即是用更小的尺寸来作念器件和电路，让它们密度更大、元器件更多、可靠性更高；在器件结构联想上创新能让电路性能变好，能更好地按捺能耗，可靠性也更高。不论是减弱尺寸如故结构创新，都得有以光刻机为中枢的半导体劝诱来撑持。光刻机但是芯片制造的要害劝诱，像它这样的劝诱照旧阅历好几次首要的升级换代了。

光刻、刻蚀和薄膜千里积，这三个都是集成电路制造的主要工艺。除此除外，还有清洗、热处理、离子注入、化学机械抛光、量测这些形状。光刻这种本事呢，即是把联想好的图形从掩模版或者倍缩掩模版转印到晶圆名义的光刻胶上。光刻本事最早是用在印刷工业里的，而且一直以来都被用于制造印刷电路板。在20世纪50年代的时候，半导体产业就运行用光刻本事来制造晶体管和集成电路了。集成电路制造的时候，是通过刻蚀、千里积、离子注入这些技巧，把光刻胶上画好的图形滚动到晶圆名义的，是以说晶圆名义光刻胶的图案即是最基础的电路图案。晶圆上最基本的电路结构是靠光刻弄出来的，这样看的话，光刻在集成电路坐褥里是最贫寒的本事了。

光刻工艺完好的话包含好几个细分形状：1. 气相成底膜与增粘：把原始硅片清洗干净、脱干水分，再涂上增粘剂。2. 旋转涂胶：在晶圆名义涂上光刻胶，达到章程的厚度和均匀度，把边际和后面弥散的光刻胶清洗掉。3. 软烘：把光刻胶里的溶剂去掉。4. 瞄准和曝光：将掩膜版和晶圆精确瞄准之后进行曝光。5. 曝光后烘焙：用一定的温度把曝光产生的酸激勉出来，让部分光刻胶能在显影液里融化，进步显影的分辨率。6. 显影：喷显影液，把光刻胶上被光照过的区域融化掉，形成电路图形。7. 坚膜烘焙：加热烘干，进一步撤退残留的光刻胶溶剂，加多光刻胶的粘性。8. 显影检验：检测显影后的电路图案，若是不稳健条件就得再行进行光刻形状。当代集成电路频繁是多层结构的，在芯片坐褥的时候，光刻、刻蚀、千里积这些形状得屡次重叠，一层一层成型，终末形成完好的集成电路结构。

光刻机是光刻要害的要害劝诱，在半导体劝诱里，它的本事难度最高，单价也最高。荷兰ASML公司的光刻机，其供应链涵盖全球5000家供应商，用到了光学、电磁学、材料学、流膂力学、化学等领域顶尖的霸术效果。而且，光刻机包含精密自动化机械、高性能仿真软件、高智谋度传感器、图像识别算法等多个子模块。光刻本事是集成电路制造的中枢。从硅片运行，一直到键合垫片的刻蚀和去光刻胶收尾，哪怕是最浮浅的MOS IC芯片，也得经过5谈光刻工序，先进的集成电路芯片可能需要30谈光刻工序。集成电路制造很费时分，就算一天24小时不停工，作念完一个芯片也得花6到8周，而光刻工艺就占了系数这个词晶圆制造时分的40%到50%。

另外，在光刻工艺里，涂胶显影劝诱、量测劝诱还有光刻筹备软件系统，是和光刻机配套着运行的。涂胶显影劝诱能作念增粘处理，能涂光刻胶（抗反射层和抗水涂层也包括在内），能烘烤，能喷显影液，能清洗晶圆后面和去边，在浸没式光刻工艺里还能冲洗晶圆名义的去离子水（把水渍去掉）等。涂胶显影劝诱使命性能和工艺质地咋样，径直关系到光刻的良率。

量测劝诱会测量光刻后电路图形的套刻过错（几次光刻之间的）以及要害尺寸，还会扫描识别图案颓势，监控工艺质地，然后把信息反馈给光刻筹备系统来改进工艺。光刻筹备系统是光刻形状里的神经按捺中心：它能凭据给定的一些参数，高精度地仿真光刻的工艺过程、材料和环境，预测光刻驱散，这样能省下许多试错资本。而且，光刻筹备系统也会按照量测劝诱反馈的测量参数，对光刻劝诱的光照、聚焦、掩膜系统的各项建立参数进行颐养。

除了多样劝诱，光刻工艺里用到的光刻胶、掩膜版、电子特气等，本事壁垒也比较高。光刻胶（Photoresist）是一种薄膜材料，它被紫外光、电子束、离子束、X射线等照耀后，融化度会改造，这种耐蚀剂尖酸膜材料是由感光树脂、增感剂和溶剂这三种主要因素构成的对光敏锐的夹杂液体。光刻胶曝光后经显影液处理，就能留住所需的电路图案。光刻掩膜版（光罩Mask Reticle）是光刻工艺用的图形母版。它是在透明基板上用不透明的遮光薄膜形成掩膜图形结构，在曝光时把掩膜版上的图形信息滚动到光刻胶图形上。光刻用的电子特气主要有Ar/Ne/Xe、Kr/Ne、F2/Kr/Ne、F2/Ar/Ne。光刻气里的惰性气体和卤素气体被电子束激勉形成准分子后，准分子发生电子跃迁就能产生特定波长的光，也即是准分子激光。

1.2 光刻图谱：存在多种道路，扫描式光刻是主流。

在半导体坐褥的时候，光刻本事的发展有好几个阶段。战争/接近式光刻、光学投影光刻、分步（重叠）投影光刻这几种出现得比较早。集成电路坐褥大多用扫描式光刻、浸没式扫描光刻、极紫外光刻这些工艺。另外，X射线/电子束光刻、纳米压印、激光直写本事也许会是当年本事得回突破的标的。

1.2.1 战争/接近式光刻机（Aligner），这但是光刻劝诱的始祖呢。

1961年，好意思国的GCA公司造出了第一台战争式光刻机。在这种光刻机里，掩模盖和光刻胶图层是径直战争的，明朗透过掩膜曝光时能幸免衍射。不外，战争式光刻机的使命方式会损坏和混浊光刻胶与掩模版，坐褥良率不高，掩模版的寿命也短。为治理这些问题，就有了接近式光刻机，它的掩膜和名义光刻胶之间有个小闲逸。这种新联想让良率和使用寿命都提高了，可光在小闲逸里会有衍射风景，是以最高分辨率就唯有3微米傍边。这时候的光刻机厂商有Siemens、GCA、Kasper Instruments和Kulick＆Soffa这些，英特尔4004/3101即是阿谁时期典型的芯片居品。接近式或者战争式光刻的厂家咫尺还有德国苏斯和奥地利EVG呢，它们的劝诱主要用于MEMS、先进封装、三维封装、化合物半导体、功率器件、太阳能这些领域。

1.2.2 扫描投影/重叠步进光刻机（Stepper）：依旧能称心大线宽工艺。

1973年的时候，Perkin Elmer推出了Micralign100，这但是寰球上第一台投影式光刻机呢。它用的是汞灯当光源，孔径数值是0.17，分辨率能达到2微米。在使命的时候啊，扫描台托着硅片，和掩膜版一块儿同步出动。汞灯发出来的光，经过狭缝以后就变成均匀的照明光了，这光透过掩膜，就能把图案投影到光刻胶上。它这个对称的光路联想呢，能把球面镜产生的大部分像差给消撤退，Micralign让芯片坐褥的良率从10%提高到了70%。

1978年的时候，好意思国GCA公司弄出了第一台步进重叠投影光刻机，这是为了达到更高的进程条件。步进重叠光刻机呢，它不需要让掩模和圆片同步反向扫描，在结构上也用不着扫描掩模台和同步扫描按捺系统，是以结构比较浮浅，资本也比较低，性能还更平安。还有啊，它用的是减弱倍率的物镜（4:1或者5:1或者10:1），这样就把掩膜版的制作难度给裁汰了，能达到0.25微米以上线宽制程的工艺条件。咫尺，步进重叠光刻机在非要害层、封装这些领域还在用得挺多的，用的是g线或者i线光源，少数高端劝诱用的是KrF光源。

上海微电子装备公司在2009年就开发出了SSB500系列的步进重叠光刻机，到了2015年的时候，在封装领域它的商场占有率照旧达到了40%。

1.2.3步进扫描光刻机（Scanner）：这是主流光刻劝诱里通用的。

集成电路工艺制程到了0.25微米以后，步进扫描式光刻机在扫描曝光视场尺寸和曝光均匀性方面就更有上风了，徐徐变成了主流的光刻劝诱。它用26毫米8毫米的狭缝，以动态扫描的方式（也即是掩膜版和晶圆片同步清楚），照旧能够作念到26毫米33毫米的曝光场。把现时这个曝光场扫描完毕之后，就挪到下一个曝光场，一直到系数这个词晶圆片都曝光完为止。

步进扫描光刻机配置不同种类的光源（I线、KrF、ArF、EUV）后，就能撑持全部的集成电路工艺节点。不外，要达到高端工艺节点的性能条件，每一代步进扫描光刻机都得有首要的本事升级。就像步进扫描式光刻机，它26mm x 8mm的静态曝光场比较小，这让物镜系统制造起来没那么难；但是它的工件台和掩膜台是反向清楚的动态扫描方式，这样就对清楚系统的性能条件更高了。针对这个情况，荷兰的ASML公司在2001年第一次推出了双工件台，这个双工件台能称心先进工艺对速率、精度和平安性的条件。

1.3 多样各种的鼎新将光刻性能推到巅峰。

1990年的时候，好意思国SVGL公司弄出了Micrascan I步进扫描光刻机。从那以后，全球那些主流的光刻机厂商都在用步进扫描光刻旨趣。这里面，DUV步进扫描光刻机把7纳米及之前的全部工艺制程都给包揽了。从1990年到咫尺差未几30年了，集成电路制造工艺水平那但是变得天翻地覆。为了达到先进制程的多样条件，光刻机除了前边说的双工件台除外，还搞了好多其他的首要鼎新呢。

集成电路的工艺制程越高端，线宽就越小，这样光刻机就得有更高的曝光分辨率才行。这时候就得说到决定光刻分辨率的公式R = K1?λ/Na了。在这个公式里，K1是工艺因子常数，它和照明方式、掩膜类型、光刻胶显影性能这些参数干系；λ是光源的波长；Na是物镜的孔径数值。光刻契机持续增大物镜的孔径数值，还用波长更短的光源来进步分辨率。

1993年的时候，SVGL公司推出了Micrascan II型光刻机。这种光刻机用的是250nm的汞灯光源，分辨率能达到350nm，孔径数值是1.35。1995年，日本尼康推出了全球第一台用248nm的KrF光源的光刻机，它的分辨率能到250nm。1999年，尼康又推出了第一台用193nm的干式ArF光源的NSR - S302A光刻机，分辨率不到180纳米。从那以后，光源波长就一直停在193nm这个水平了，要想提高分辨率就得主要靠更正物镜，提高孔径数值。对于若何进一步提高分辨率这个事儿，各个厂家有不同的本事办法。日本的企业预备用157nm的F2光源；荷兰的ASML呢，它决定接纳台积电研发副总监林本坚建议的一个想法，即是在物镜镜头和晶圆之间加上去离子水来增大折射率。ASML在2004年推出了第一台浸没式光刻机（ArFi）TWINSCAN AT 1150i，很快就得到了客户的招供，商场份额也快速地提高了。

光刻机若是接纳浸没式系统的话，明朗照到晶圆名义时，等效于134nm的波长。再加上物镜一直在改进，孔径数值NA最大能到1.35呢，这样整台机器的半周期分辨率（half - pitch）就能进步到小于38纳米的程度，这就可以称心28纳米工艺的条件了。不外，制程等级到了22纳米的时候，光刻机的分辨率就不够用了，各个晶圆厂都纷繁引入了多重膜版工艺。

多重掩膜版工艺包含好几个细分类型。在这之中，双重曝光（DE）最先在28纳米节点运诓骗用，目的是提高图形质地。另外呢，曝光 - 固化 - 曝光 - 刻蚀（LFLE）、双重光刻（LELE）、三重光刻（LELELE）以及自瞄准多重图形（SAMP）这些本事，也接踵在14/16nm - 7nm工艺节点起到了贫寒的作用。多重掩膜版工艺持续发展，这就对光刻劝诱有了更高的条件。

首先，光刻机得严格按捺套刻过错，这样才能保证两次光刻能精确对都，否则就会出现电路错位或者高度均匀性有偏差的情况。是以呢，光刻机进行了升级，接纳了更精确的瞄准系统和清楚系统，还配备了更高等的套刻过错测量劝诱。其次，接纳双重光刻（LELE）之类的步履会让每次曝光的图案间距变成正本的两倍，可对图案本人线宽的条件并莫得裁汰。在这种情况下，光刻机就需要有更好的图案质地和平安性，光学畸变也要更小。

对于5纳米及更小的制程节点来说，分辨率更高的极紫外光刻机（EUV）是必不可少的劝诱。为啥呢？当工艺节点到了7纳米这个级别之后，自瞄准四重图形（SAQP）之类的就成了光刻工艺的主要决议，同期也带来了一些本事难题。第少许，自瞄准四重图形和三重光刻有许多配套的形状，像刻蚀、薄膜千里积、去胶和膜层剥离这些，工艺一下子变得卓著复杂，要保持良率很辞谢易。第二点，多重曝光用的193nm光源，它本人的分辨率有极限，成像才智没法称心5纳米或者更高制程的需求。EUV光刻机还能裁汰10 - 7纳米级别芯片坐褥的复杂程度。

DUV用的是准分子激光光源，EUV光刻就不通常了，它用的是13.5nm波长的等离子体光源。咋得到这个光源的呢？即是用二氧化碳激光器去打雾化的锡（Sn）金属液滴，把这些液滴挥发成等离子体，再靠高价锡离子能级间的跃迁就能得到了。EUV明朗波瑕瑜，在空气中卓著容易被招揽，是以使命环境得抽成真空，而且它不行被玻璃透镜折射。正本的物镜就被硅与钼镀膜的布拉格反射器（这是一种多层镜面，能把许多小反射麇集成一个更强的反射）给取代了。德国蔡司（Zeiss）这个光学公司能坐褥出寰球上最平的镜面，这就使得EUV明朗经过好屡次反射后能准确地投射到晶圆上。咫尺ASML最先进的EUV劝诱是NXE 3600D，分辨率能到13纳米，适用于3 - 5纳米的芯片制程，以后预备进一步提高孔径数值来进步分辨率呢。

1.4 电子束、纳米压印：可能匠心独具

电子束或者激光直写本事呢，即是用带电粒子或者激光径直去轰击物体的名义，这样就能一次性在方针基片上弄出纳米图案构造来。它无谓去制作那种很贵的掩膜版，坐褥前的准备时分也比较短。这里面的激光直写光刻照旧用在PCB制造上了。电子束光刻的分辨率卓著高（能达到10纳米这种级别），曝光精度也高，以后很可能成为除EUV光刻除外的另一个选拔。不外咫尺电子束光刻本事有个局限，即是使命服从低，不行用在大规模集成电路坐褥里。以后的多电子束光刻说不定能治理这个问题。纳米压印是用电子束这类本事把电路图案刻在掩膜上，接着通过掩膜让物体上的团聚物变形，再用某种步履让团聚物固定住，这样就把图案滚动好了。纳米压印有分辨率高、资本低的优点，但也有本事上的问题，像刻套过错大、颓势率高，还有掩膜版容易被混浊。

【2 光刻机：多种先进系统的精确组合】

2.1 光刻机举座构造

光刻机是工业居品里最复杂的一种，它的本色包含照明、投影物镜、工件台、掩模台、瞄准与测量、掩模传输、晶圆传输这些主要系统。另外，还有环境与电气系统、光刻筹备（OPC）和掩膜优化（SMO）软件、显影涂胶劝诱来赐与撑持。它主要的性能方针是分辨率、套刻精度和产率。集成电路在发展的过程中，光刻机的各个系统也在持续优化升级，双工件台本事和浸液本事先后被运用起来，接纳全反射式光学系统的极紫外光刻机照旧用于大规模坐褥了。为了达到持续提高的性能方针条件，光刻机的各个构成系统持续冲破光学、精密机械、材料等领域的本事限定，把许多高精尖本事交融到了一都。

2.2 光源系统：光刻机能量的着手。

i线（波长为365nm）以及波长更长的光刻机，其使用的光源是高压汞灯。这种高压汞灯能够提供254到579nm波长的光。通过使用滤波器，就可以有选拔性地把i线（365nm）、H线（405nm）或者G线（436nm）作为光刻机的照明光源。

KrF和ArF/ArFi光刻机把准分子激光器作为光源，使命旨趣是这样的：惰性气体（Kr、Ar）在电场和高压环境下，跟卤族元素气体（F2、Cl2）起响应，就生成不平安的准分子。处于激勉态的准分子会持续解析，还会开释出深紫外（DUV）光子。KrF和ArF准分子离别开释波长为248nm、193nm的光子。准分子激光是脉冲式的，脉冲频率、输出功率、持续时分、平安性等都是它要害的本事参数。光源输出功率越高，曝光时分就越短，光刻机产能也就越高。好意思国Cymer和日本GIGAPHOTON的最新式光源，输出功率照旧达到120W，脉冲频率是6000Hz，脉冲持续时分在100 - 150ns之间。

裁汰光源系统能耗和激光腔的更换资本，这亦然削减光刻资本的贫寒方式。DUV光源裁汰功耗、蔓延激光腔使用寿命主要有三种办法。其一，提高腔体里面件的绝缘性。腔体内气体在电极间的流动靠电扇（CFF）驱动，提高绝缘性能够减少19％的能耗。其二，强化气体的预电离（pre - ionization）。电极间距八成10mm，如果气体不进行预电离，电极间很难形成平安放电，电极损耗也会加多。其三，对电极名义作念特殊处理。电极损耗会限定激光腔的使用寿命，其损耗程度和产生的激光脉冲次数（laser pulse）成正比例关系。放电时，气体中的F会持续腐蚀金属电极。电极经过特殊名义处理后，抗腐蚀和抗离子溅射才智大幅增强，这样能让激光腔的使用寿命蔓延到600亿次脉冲以上。

光刻本事对光源输出功率和频宽的条件越来越高，单激光腔结构的光源没办法同期输出高功率和精确频宽了。于是就引入了双腔结构的主漂浮 - 放大本事，它的基本念念路是，让主漂浮腔产生能量小、频宽窄的种子光，再把这种子光注入放大腔，输出大能量脉冲，这样就能得到频宽窄、功率大的优质激光输出了。

激光光源使命的时候，它里面的测量模块会对各项运行参数进行测量，把这些参数记载到系统里，然后传输给光刻机以及晶圆厂里面的数据系统。这些景色参数包含输出能量、波长、频宽、束斑时势、束斑位置还有发散度等。有些数据能让工艺工程师监测光刻工艺稳不平安，还能实时发现多样特殊情况。

EUV光源是当下最先进的光源。EUV光刻机用的是靠CO2激勉的LPP光源，主若是由主脉冲激光器、预脉冲激光器、光束传输系统、锡液滴靶、锡回收器、辘集镜等构成的。EUV光源主若是这样使命的：在真空腔里，把高温熔化何况加上电磁场让它处于等离子体景色的锡从喷枪里阻隔着喷出来，每个锡滴的大小八成在7.5 - 13微米。锡滴经过中心区域的时候，装在腔壁上的高分辨率相机就会捕捉到锡滴，然后反馈给筹备机。筹备机把定位按捺、激光光束轴、定时按捺器等系统的数据详细起来，按捺激光枪连气儿放射两个脉冲击中这个锡滴。第一个激光脉冲能把锡滴压成饼状，第二个脉冲紧接着再击中这个锡滴，这两次高能激光脉冲能一下子把这个锡滴加热到50000K，这样锡原子就跳到高能态，再回到基态的时候就开释出13.5nm的紫外光，紫外光经过辘集镜被导入到曝光系统里。

超导磁场系统在EUV腔的外面，它能让EUV腔内有很强的磁场，这样一来，辘集器镜面就不会被锡等离子体弄出来的高速锡离子给影响了。EUV光源的输出功率是个很贫寒的性能方针。咫尺最先进的NXE 3400C型光刻机，输出功率照旧能到250瓦了，以后也许能升级到300瓦呢。下一代的High - NA光刻机预备把功率进步到500瓦。

2.3 照明和物镜投影系统：精确成像。

照明和投影物镜系统准不准确、稳不平安，这对把掩膜版上的图案精确滚动到晶圆上有着决定性兴味，它但是光刻机的中枢部件呢。咫尺主流光刻机的照明和投影物镜系统里都有光学颐养功能组件，这个组件能凭据掩膜版的图案，再都集光刻优化算法，接纳最好的曝光优化决议。光刻机靠照明系统、掩膜版、投影物镜和光刻筹备相互配合，来达成最好光刻决议。

照明系统在光源和掩模台中间，它的作用是颐养照明光场在空间和角谱上的踱步，给掩膜版提供最得当曝光的照明光场（不同掩膜疆域案需要不同的照明光场）。主要作用有：完毕均匀照明、改造不同的照明方式、按捺晶圆的曝光剂量。晶圆名义一个格点的曝光剂量是照明光场在扫描方进取的能量总数，它的踱步对分辨率均匀性有径直影响，是以照明均匀性是要害性能方针之一。照明系统里的能量监测单位，能测量准分子激光器发出的单个脉冲能量，还能颐养激光器的单脉冲能量，让累积的能量达到预定的曝光剂量。可变透过率单位会依据曝光剂量和均匀性的条件改造光的透过率，从而颐养照明光的强度。

早期的光刻机是靠衍射光学元件（DOE）来颐养照明方式（也即是光瞳时势）的。激光光源发出来的光，经过准嫡派统变成平行光以后，就投射到衍射光学元件上，接着被折射到特定的场地，这样就形成了特定的照明方式。八成在2010年的时候，有了光源掩模协同优化（SMO）本事，这个本事能对照明光场进行像素化编程，可以很快生成任何一种照明模式。SMO系统最要害的是一个可编程微反射镜阵列，这个阵列里有好几千个微反射镜呢，每个微反射镜都能在照明系统光瞳面上弄出一个光点。SMO系统能够按捺各个微反射镜的偏转角度，颐养每个微反射镜的指向，这样就能得到想要的方针光源。掩膜版的图形也会按照SMO、光学相近效应修正（OPC）这些光刻筹备软件模拟仿真出来的驱散去颐养。

光学相近效应修正（OPC）系和解般是和SMO系和解起运行的。从180纳米制程节点起，集成电路里的最小线宽就照旧比光源波长小了。曝光的时候，相邻图形明朗会产生插手和衍射效应，这就会让图像变形，酿成晶圆上的图形和掩模上的图形互异很大（线条会变窄、窄线条端点会收缩、图形拐角变得圆滑）。OPC系统能凭据光照情况和电路图案，对掩模上的图形作念些稳健颐养，这样就能抵偿这种效应了。

在掩膜版和晶圆中间的投影物镜系统，也能借助筹备光刻系统跟SMO、OPC本事相都集的方式，达成照明、掩膜、投影物镜一都优化的效果，让光刻机成像质地得以提高。投影物镜会把掩膜疆域形按一定的缩放比例（一般是4:1）投射到硅单方面上。因为掩模图形的线宽是硅片上的4倍，是以掩模制造难度裁汰了，掩模颓势对光刻的影响也变小了。不外，光源的波长一直在减小，这使得投影物镜能用的材料种类越来越少。深紫外（DUV）波段的时候，大部分光学材料的透过率都卓著低，唯有熔融石英和氟化钙能当材料用，全寰球也就少数几家材料供应商能提供。

哪怕是用最高等级材料作念出来的透镜，像差也没法幸免。物镜镜片永劫分曝光后的热效应、镜片老化变形、光学元件有颓势以及透镜本事本人在光学上的局限，这些都会引发像差。在这当中，对像差影响最大的是明朗穿过透镜后的波前畸变，泽尼克多项式能够用来形容波前畸变。联想光刻机光学系统的时候，得谈判64阶的尼克多项式系数的影响。先进的集成电路光刻工艺对像差条件卓著严。高端光刻机（浸没式/EUV）的像差和畸变照旧降到1纳米以下了。为了能灵验按捺图像畸变，光刻机的投影物镜系统在使命的时候会实时颐养自身的光学元件。

投影物镜系统里的光学元件颐养机制，是和OPC、SMO这些光刻筹备系和解起使命的。主要的使命方式有两种：一种是在光瞳近邻加一个能局部加热的光学元件，靠按捺这个元件局部温度的改造来让材料折射率发生变化，这样就能抵偿高阶波像差了；还有一种是在投影物镜的光路里加个变形镜，通过按捺变形镜的时势变化来改造光程，从而完毕对高阶波像差的抵偿。

EUV光源发出的极紫外光波长是13.5纳米，这种光险些能被系数光学材料强烈招揽。是以呢，EUV光刻机的照明系统和投影物镜系统只可用全反射式结构。EUV的反射镜对加工精度的条件卓著高，它的名义镀着钼/硅多层膜，还有一层2 - 3纳米的钌保护膜。钌膜能灵验放慢钼/硅的氧化速率，还能裁汰碳在名义千里积的速率。

2.4工件台系统：光刻产能和精确瞄准的要害所在。

荷兰ASML公司在2000年发明推出了双工件台系统，这个系统被叫作念TWINSCAN系统。双工件台系统里有两个工件台，它们相对孤苦，还能同期使命。一个工件台承载着晶圆进行曝光的时候，另一个工件台就在给晶圆作念瞄准测量之类的准备使命。品级一个工件台完成曝光形状以后，这两个工件台就交换位置和功能。

双工件台使命的时候呢，晶圆会先在测量工件台上装片，作念完三维形貌测量。之后，两个工件台交换位置来到曝光的场地，和掩模瞄准后就进行扫描曝光。旧式光刻机唯有一个工件台，晶圆的高下片、测量、瞄准、曝光得按规矩一个一个来。但双工件台光刻机就不通常了，许多测量、校正使命能在非曝光工件台上作念，这样曝光位置的使用服从就大大进步了。双工件台这个发明让光刻机的产能提高了不少。传统单工件台光刻机的产能很难进步100WPH，但是基于双工件台的ASML浸没式光刻机产能照旧能超200WPH了，有些新式光刻机产能都快接近300WPH了。

双工件台的联想能灵验进步产能，还能给光刻过程里的测量形状留出更多时分。掩模台和工件台得高精度同步清楚，否则成像位置会偏移，分辨率和套刻精度都会裁汰。另外，高端光刻机在多重曝光工艺里用得许多，这些工艺对晶圆、工件台、掩膜版之间的瞄准精度条件卓著高。

晶圆和掩膜版上有特殊的瞄准图形，这俩东西在一定范围内时，光刻机的光学系统才能瞄准捕捉到，是以工件台和掩膜台得有预瞄准功能。工件台和晶圆有瞄准记号，ATHENA瞄准系统能凭据瞄准记号详情它们的位置。另外，工件台上有TIS传感器，TIS瞄准系统把掩膜上的TIS记号投射到工件台的TIS传感器上，这样就能算出掩膜图形和晶圆的相对位置了。TIS和ATHENA瞄准系统主要靠光学旨趣使命，更先进的瞄准系统会用更多波段的光源，来进一步进步瞄准精度。

硅片曝光的时候，工件台得不停地进行步进、加快、扫描、延缓之类的清楚。要想高产率，工件台的步进速率、加快度和扫描速率就得很高。咫尺高端的ArF光刻机套刻精度照旧能到1.4nm了。为了达到这些方针，工件台的定位精度都到亚纳米级了，速率能到1m/s，加快度能到30m/s甚而更高。而且，工件台/掩模台在高速下的这些方针，对超精密机械本事的条件很高。

光刻机的物镜有聚焦深度，在这个聚焦深度除外的光刻胶没法灵验曝光。是以，在对掩模图形曝光的时候，系数这个词晶圆名义都得处在焦深里。但晶圆名义不是卓著平整，卓著是经过屡次刻蚀、千里积以后就更不屈了。是以在曝光之前，必须对晶圆面进行高精度的调焦调平。先由调焦调平传感器详情最好的焦面距离和歪斜量，再通过工件台来退换，让晶圆名义要曝光的区域处于焦深范围内。先进的ArFi光刻机焦深在100nm以下，是以双工件台得有纳米级的退换才智。

【3 光刻劝诱商场规模大，国产亟待零的突破】

3.1 芯片制程若是升级，光刻劝诱在资本里占的比重就会持续升高。

光刻机在半导体前谈制造劝诱里排首位，是最大的半导体劝诱细分商场。它是集成电路制造的要害劝诱，在全球半导体劝诱商场里，光刻机所占的比例进步24%。而且，随着半导体的制程升级，晶体管尺寸变小，图案滚动更难了，光刻机的贫寒性以及开支占比很可能会进一步提高。

不雅研寰宇估算，2021年全球光刻机商场规模有181亿好意思元，2022年预测能达到201亿好意思元。显影涂胶劝诱是和光刻劝诱配套的，2021年它的商场规模超30亿好意思元。

光刻劝诱单价高涨，光刻机销售数目也快速增长，这让全球光刻劝诱商场持续扩大。2020年运行，受疫情影响电子居品需求增大、新动力车浸透率提高等因素影响，全球半导体商场进入景气周期。凭据IC Insights的统计，2020 - 2022年全球半导体商场规模预测会从4926亿好意思元增长到6548亿好意思元。在这时间，晶圆厂积极扩大产能，光刻机录用周期越来越长。为了确保劝诱能录用，各个晶圆厂都提前下单订购劝诱，这就进一步提高了光刻机的销量。

出货量一直在加多，与此同期，光刻机的单价也在持续高涨。芯片制程持续更新换代，光刻机的种类也随着发生变化。逻辑制程到了5纳米节点以后，就得用EUV光刻机了，光刻劝诱的开支占比一下子提高了不少；DRAM芯片从1A节点起，也运行渐渐使用EUV光刻机；3D NAND芯片因为有了多层叠堆本事，还在用比较旧式的光刻机，光刻劝诱的开支占比就有所裁汰了。总体来看，ArFi和EUV这些高端光刻机的占比是提高了的。一台EUV光刻机的售价进步1亿好意思元，这就把平均售价给举高了。

3.2 ASML在商场上险些处于把持地位。

在半导体前谈光刻机的商场里，ASML、Nikon、Canon这三家公司把着商场呢，商场麇集程度很高，名次前三的公司商场占有率超90%。ASML本事最初，是以把单台价值最高的EUV光刻机这块商场给把持了。而且ASML因为最早搞出浸没式系统和双工件台这些创新，在ArF和KrF领域占了大部分商场。日本的Nikon在ArF领域有一定本事积累，可它工件台等联想跟行业主流不通常，客户不太接受，这两年光刻机的销量一个劲儿下跌。佳能呢，照旧绝对从高端光刻机商场撤出来了，它出货量上升主若是因为i - line光刻机出货量涨了好多。

从出货机台数目上看，ASML占了79.4％，Nikon和Canon的商场份额离别是10.4％和10.2％。日本的Canon公司在2021年光刻劝诱销售额是2137亿日元（19.6亿好意思元，这里面包含67台面板光刻劝诱）；Nikon公司光刻劝诱销售额为2112亿日元（19.37亿好意思元，包含46台面板光刻劝诱）。ASML公司2021年的销售额是186亿欧元，卖的全是前谈光刻劝诱，和这两家日本企业比较，它的最初上风一直在扩大。

3.3 ASML的发展历程

ASML如今难以撼动的行业地位不是一下子就有的。早在1984年，飞利浦由于筹办出了危急，废弃了非中枢业务，然后就成立了一家小公司，这即是ASML。ASML在成立的那年就推出了第一款居品，叫PAS 2000步进重叠式光刻机。1985年的时候，ASML有100名职工了，它搬到了新总部。到了1986年，ASML又推出了新的PAS 2500光刻机，还和德国的贫寒供应商蔡司（ZEISS）建立起了合作关系。

1988年的时候，ASML借着飞利浦在中国台湾的结伴制造企业，打入了亚洲商场，还在好意思国开了5个服务处。但当时商场竞争卓著猛烈，ASML的财务压力超大，只可靠着飞利浦的撑持接着搞研发。1991年，ASML推出了PAS 5500型光刻机，它在产能和分辨率方面是行业最初的，得到了客户的招供，徐徐运行盈利了，到1995年就上市了。从这以后ASML发展得卓著快，2001年推出了TWINSCAN双使命台，过了几年又推出TWINSCAN XT系列的浸没式光刻机，商场份额噌噌地涨。2010年，ASML奏效作念出了第一台EUV光刻机样机NXE 3100，成了唯独能坐褥EUV光刻机的厂商。

ASML公司能快速发展，和跟客户细偶而作分不开。台积电（TSMC）早些时候靠交叉契约用飞利浦的本事造芯片，是以和ASML（它是飞利浦的子公司）一直配合细巧。在浸没式光刻研发上，双方想法一致，这让ASML的浸没式光刻机有了最初地位。ASML和英特尔合作也得到许多刚正。ASML加入了英特尔牵头，、企业一都建立的EUV本事定约。英特尔协调好意思国动力部和其底下的劳伦斯利弗莫尔国度实验室、桑迪亚国度实验室、劳伦斯伯克利实验室，给ASML搞EUV本事研发绽放了好多本事资源，让ASML对其他企业的最初上风更大了。另外，ASML让大客户对我方作念少数股权投资。英特尔、台积电、三星系数投了八成39亿欧元，拿到23%的股份，还提供了13.8亿欧元的EUV研发资金，能优先拿到EUV光刻机供货，这样就奏效形成了利益共同体。

ASML公司对上游的要害供应链特殊垂青，它收购了Cymer，还入股蔡司，就这样得到了光源、镜头等先进本事，让EUV光源和光学系统的研发进程变快了。另外，ASML和VDL、Aallberts、Trumpf、Prodrive这些公司的合作也很细巧。

3.4 着眼于锻练制程，光刻劝诱的国产化急需纵欲发展。

我国的光刻机产业是在20世纪60年代起步的。当时候，109厂和上海光学仪器厂合作，奏效研制出我国第一台65型战争式光刻机。1978年，中科院半导体所运行入辖下手研制JK - 1型半自动接近式光刻机，到了1980年就研制奏效了。1981年，这个名堂完成了第二阶段的工艺磨砺。澌灭年，上海光学机械厂研制的JKG - 3型光刻机通过了粗俗，也完成了联想定型。1985年，第四十五所奏效研制出BG - 101步进式光刻机，还通过了本事粗俗，其性能方针和好意思国GCA公司4800DSW系统的水平差未几。亦然在这一年，中国科学院上海光学精密机械霸术所研制的扫描式投影光刻机通过了粗俗。不外在80年代后期到90年代时间，因为国外集成电路竞争力太强了，我国光刻机和干系本事的发展就慢下来了，干系居品大多就停留在科研名堂上，莫得在坐褥线上进行量产考据。

2002年的时候，上海微电子装备有限公司（SMEE）就成立了，还承担了863筹备里100纳米分辨率Arf光刻机名堂呢。上海微电子通过参与863筹备和02专项，掌合手了光刻机的不少要害本事。在2016年，这家公司推出了用于IC前谈制造的600系列光刻机，工艺能掩盖90纳米、110纳米和280纳米，这就给浸没式光刻机的研发打下了挺好的基础。

上海微电子是中国国内仅有的光刻机整机厂商，在光刻方面布局挺完善的，集成电路前谈制造光刻、后谈封装光刻、6寸及以下衬底光刻、面板光刻等好多领域都触及到了。在后谈封装这块，上海微电子占中国国内商场份额的80%，在全球也占40%呢。上海微电子的光刻机除了为集成电路产业服务，在集成电路前谈、先进封装、FPD面板MEMS、LED、Power Devices等制造领域也用得挺世俗的。

SSX600系列的步进扫描投影光刻机，它有四倍减弱倍率的投影物镜，还有工艺自稳健的调焦调平本事，再加上高速且高精的自减振六目田度工件台掩模台本事。这样呢，它就能称心IC前谈制造中90nm、110nm、280nm这些要害层和非要害层的光刻工艺条件了。这劝诱能在8寸线或者12寸线的大规模工业坐褥里使用。

SSB500系列的步进投影光刻机，重心用在200mm/300mm集成电路的先进封装这块儿，Flip Chip、Fan - In WLP、Fan - Out WLP还有2.5D/3D这些先进封装时势都包括在内，像Bumping、RDL和TSV等制程的晶圆级光刻工艺需求它都能称心。

SSB300系列的步进投影光刻机，是面向6英寸及以下中小基底先进光刻应用方面的，能称心HB - LED、MEMS和Power Devices这些领域单面或者双面光刻工艺的条件。SSB200系列投影光刻机呢，运用的是先进的投影光刻机平台本事，出奇用在AM - OLED和LCD表现屏TFT电路的制造上，能应用到2.5代到6代的TFT表现屏量产线上。这个系列的劝诱有高分辨率、高套刻精度这些特色，还撑持6英寸掩模。

国内光刻机产业链以上海微电子为代表照旧有了初步的样子。不外，这产业链除了光刻机整机的集成除外，还有像光源、物镜与照明系统、双工件台、浸没系统这些要害部分，以及显影涂胶和量测检测方面的配套劝诱。从单干来讲，上海微电子管光刻机的联想和总装；北京科益虹源负责坐褥光源系统；北京国望光学提供物镜投影系统；国科精密提供照明系统；浙江启尔机电提供浸没系统；华卓精科搞双工件台的研发。好意思埃科技和苏大维格给国产光刻机提供空气净化器和光栅；炬光科技与福晶科技是ASML的供应商，以后也有但愿参与到光刻国产化进程当中。

【4 投资分析】

4.1 苏大维格：在非IC光刻机和多种光学元件方面发力。

苏大维格在微纳光学产业深耕许久，靠着研发效果的蕴蓄，还有持续地收购、推广，照旧构建起比较完善的微纳光学坐褥体系了。公司的业务包含上游的光学制造劝诱以及好几种微纳光学居品。它还和多方合作成立研发创新中心，对底层要害本事进行霸术。苏大维格举座布局有四大行状群，居品有多种光刻机、压印劝诱、用于光刻机的光栅防伪材料、新的包装材料、导光板、导电膜之类的。能应用于AR表现的光波导镜片也正在研发着呢。

苏大维格有两类劝诱居品，离别是光刻劝诱和微纳光学装备，这些居品都是公司我方研发、联想和坐褥的。公司的劝诱能称心自身坐褥高端光学居品的需求。苏大维格持续进行迭代、升级，徐徐打造出了模块化、可升级何况能快速配置的光刻机平台。

苏大维格的光刻机是公司居品和本事可靠的研发坐褥平台，也为进步公司居品质能打下了坚实基础、提供了有劲保险。这种光刻机照旧被用于制造纳米透镜、全息透镜、裸眼3D纳米导光板、光子晶体阵列、纳米光栅、动态衍射光学图形、纳米透镜阵列了。公司若是能让微纳光学居品和上游制造装备一都协调发展，有望连接在干系劝诱领域占上风。

苏大维格的居品有反光材料和微纳光学居品。反光材料资本里化工原料占四成，受大批商品价钱波动影响大；微纳光学居品中的导光板和导电膜居品，是用在面板和耗尽电子方面的；还有包装与防伪材料，是用在高端耗尽品包装和证件防伪方面的。

2021年到2022年发生了一系列的事儿，这使得动力之类的大批商品价钱波动得卓著猛烈。卑鄙的客户没几许开工的想法，这样一来，反光材料的毛利率就被拉低了。而且疫情恼恨，耗尽增长没什么劲儿，包装材料、导光板、触控模组这些居品发展得都不咋好。再加上反光材料子公司有钞票减值的情况，苏大维格在2022年预测整年的归母净利润会在 -2.6亿元到 -3.6亿元之间。等疫情防控常态化了，耗尽也运行复原了，2023年公司的各项业务都有但愿全面好起来，扭亏为盈。

苏大维格在纳米光场调控3D表现、增强实际光波导AR镜片这些领域提前作念了布局，还很积极地跟干系产业方合作。在AR/VR这个领域，苏大维格把纳米波导光场镜片批量化的要害本事给攻克了，以后干系业务可能会增长得比较快。另外，在耗尽电子除外的汽车领域，苏大维格搞出了用于AR - HUD的大幅面光波导模组，这个模组能有超薄、大视场、远虚像视距这样的表现效果。咫尺呢，苏大维格正在进一步研发干系本事，还跟卑鄙的头部企业对接AR - HUD的本事和居品应用的事儿。

苏大维格在光伏这个领域里，积极去开拓自家劝诱和居品本事的商场。光伏高效电板扩产若是落地了，那光伏电板对银的需求会涨得很快，银浆用得多了，这是制约光伏行业连接降本增效的一个痛点。苏大维格的光刻机呢，在铜电镀光伏的图案化工艺上，发展后劲挺大的。随着铜电镀光伏本事越来越多地被接纳，苏大维格也有但愿在干系方面有所突破。

4.2 茂莱光学：提供不少前谈光刻机的零件。

茂莱光学聚焦精密光学这个领域，在国内是排在前哨的工业级精密光学厂商。这家公司掌合手着抛光本事、镀膜本事以及多棱镜胶合本事，有部单干艺能达到纳米级的精度。在半导体应用方面，公司的精密光学居品重心用在半导体检测和光刻机里。据弗若斯特沙利文的讲解，2021年时，公司在全球半导体领域工业级精密光学商场上占了3.0%的份额。

半导体检测劝诱里的光学成像系统，对半导体检测的效果有着要害的影响。茂莱光学呢，主要即是给半导体检测劝诱供应高精度的光学显微成像镜头和系统的。它的居品分辨率更高，检测面积更大，能在很大程度上进步晶圆检测劝诱辩认颓势的才智以及测量通量。咫尺啊，茂莱光学照旧和Camtek、KLA这些全球著名的半导体检测劝诱商合作了。茂莱光学为光刻机的光学系统提供一些光学器件，像匀光、中继照明模块用的光学器件啊，还有投影物镜，另外也提供工件台位移测量系统用的棱镜组件呢。这些可都是光刻机完毕明朗均匀性和曝光成像的要害部分。茂莱光学的居品照旧用在上海微电子等国内厂商的光刻机里了，这有望给光刻机国产化提供可以的撑持。

4.3 芯源微：在光刻机配套显影涂胶劝诱方面是先驱。

沈阳芯源微2002年景立，是中科院沈阳自动化霸术所发起的。它的居品有涂胶机、显影机、喷胶机、去胶机、湿法刻蚀机、单片清洗机。芯源微在涂胶显影这块本事积累很结识，涂胶显影机的offline、I - line、KrF劝诱都照旧批量销售了，而且销售量增长得卓著快，还接连拿到了好多大客户的订单，像中芯京城、上海华力、长江存储、合肥长鑫、武汉新芯、厦门士兰集科、上海积塔、株洲中车、青岛芯恩、中芯绍兴、中芯宁波、昆明京东方这些。2022年11月30日，芯源微发达推出浸没式ArF涂胶显影机。这个居品有不少优点，像产能高、工艺才智强、洁净度高、扩展性强、容易温顺啥的。咫尺，这个机型照旧在客户端通过考据了，达到了客户量产的条件，奏效冲破了国外的把持。

公司在研发上插足许多，2022年前三季度系数插足了0.95亿用于研发。另外，公司在上海临港的新厂区2022年8月5日就运行动工了，这个厂区是用来坐褥前谈ArF涂胶显影机的。有足够的研发资金，又成立配套的坐褥设施，这对高端ArF劝诱获胜插足坐褥有匡助，还能让ArF居品的工艺掩盖率尽快扩大，对进步公司的盈利才智很有作用。

4.4精测电子：这是一种光刻涂胶显影后用于电路量测的劝诱。

2006年4月，武汉精测电子集团股份有限公司成立了。2018年的时候，这家公司进军半导体劝诱领域，还成立了上海精测半导体本事有限公司呢。上海精测半导体坐褥的OCD（光学要害尺寸测量劝诱）和CD - SEM（要害尺寸扫描电镜），能在光刻显影涂胶之后，用来检验电路图案。公司的OCD劝诱照旧通过工艺考据，运行小批量出货了。

4.5 盛好意思上海呢，它开发显影涂胶劝诱，来扩大居品工艺的掩盖范围。

盛好意思上海在2005年就成立了。这个公司研发、联想、制造和销售都作念，主要有半导体清洗劝诱、光刻配套显影涂胶劝诱、半导体电镀劝诱、先进封装湿法劝诱这些居品。2013年的时候，盛好意思上海开发出了第一台封装涂胶显影机，2014年就交给客户了。2022年12月29日，盛好意思上海的ArF涂胶显影Track劝诱Ultra LITH获胜出机，录用给了中国国内的客户。这个劝诱用在300毫米晶圆产线上，能跟光刻机联机使命，能有均匀的下跌气流，机械手处理起来又高速又平安，软件系统也很重大。这个劝诱有4个装载口，能装12英寸的晶圆。8个涂胶腔体和8个显影腔体，能精确控温，还辞谢易碎裂，而且还能拓展到12个涂胶腔体和12个显影腔体。这劝诱每小时能坐褥300片晶圆，若是增配的话，每小时产能能进步400片。

4.6 好意思埃科技：能有劲保险光刻净化环境。

好意思埃科技打成立起就一心扑在电子洁净室行业上，经过永劫分的运营和研发，攒下了好大批导体领域的申饬。好意思埃科技坐褥的风机过滤单位（FFU）、高效过滤器、超高效过滤器、化学过滤器这些居品，是用来保险中芯国际比较高端的14和28纳米坐褥线厂房里空气洁净度的。上海微电子装备公司搞出了国内第一台ArFi光刻劝诱，这台劝诱里的洁净环境等级得达到国际最高法度（ISO Class 1级）。好意思埃科技给光刻机提供了EFU（超薄型劝诱端自带风机过滤机组）和ULPA（超高效过滤器）等居品，而且通过了干系验收。

4.7 福晶科技：其激光晶体进入了ASML供应链。

福晶科技在1990年的时候，是由中国科学院福建物资结构霸术所建立的，2008年3月就在深交所上市了。这公司但是全球都著名的，是LBO晶体、BBO晶体、Nd:YVO4晶体、磁光晶体、精密和超精密光学元件、高功率光遏制器、声光及电光器件方面的龙头企业呢。它的居品在许多工业领域都能用得上，像激光、光通信、半导体、AR/VR、生命科学、无东谈主驾驶、检测分析仪器这些领域都世俗地用到了它的居品。

公司发展了三十多年，在晶体助长、光学加工、器件合成、商场营销、本事服务和业务不断等方面有了许多申饬，是业内未几的能提供“晶体+光学元件+激光器件”一站式详细服务的供应商。公司成立了研发中心，爱重研发插足、本事开发、东谈主才培养和协同创新。公司我方开发了晶体助长炉，还有国际先进的镀膜和检测劝诱，构建了“原料合成－晶体助长－定向－切割－粗磨－抛光－镀膜”这样完好的加工链。

4.8 炬光科技，这是一家光刻机电子和光学元件的供应商。

炬光科技在2007年9月就成立了，咫尺有用于光刻、逻辑芯片、功率器件还有存储芯片退火的光学元器件、激光模块与系统。它坐褥的光场匀化器呢，可以把激光光束匀化得很好，能达到光刻机这种高端应用的条件，照旧给荷兰ASML的中枢光学系统供应商供货了。炬光科技卑鄙的光刻商场需求涨得很猛，2022年上半年，炬光科技的泛半导体激光器居品销售额到了1.27亿元，和上一年同期的0.94亿元比起来增长了不少。这个公司给光刻机之类的半导体和面板劝诱制造商供应中枢元器件，它的居品能用在先进制造、医疗健康、科学霸术、汽车应用、耗尽电子这五个领域。

（这篇著作仅供参考，不示意咱们的任何投资建议。若是需要使用干系信息的话，请检讨讲解原文。）

精选讲解着手：【当年智库】。「联结」