光刻机的国内外发展现状如何？在技术上存在哪些差距？

中国光刻机行业一直处于发展的起步阶段，尽管在技术上积累了大量的经验，已经能够制作出14纳米左右的芯片，但是相对国外的工艺而言，这还有很大的差距，面临着重重挑战。目前，中国的光刻机主要供应商有比亚迪、中微半导体(SMEE)和微电子集团，但与国际知名光刻机厂商相比，中国光刻机的市场份额仍然较小。

其中，比亚迪作为中国最大的光刻机供应商之一，其产品的精度和稳定性已经达到世界领先水平，比亚迪已经成为全球光刻机市场上的重要力量。另外，2018年组建的华为芯片公司，也在大力推进光刻机相关技术的研发，以实现自主生产、自主供应，为实现国产芯片走向全球市场做出贡献。

然而，中国光刻机产业还存在一些问题，如国内研发力量相对薄弱、进口关键零部件的依赖度较高、高端市场需求难以满足、产品技术水平相对落后等。因此，中国光刻机产业将面临很长一段时间的挑战和机遇，需要加强技术研发、加强国际合作和开放共享的态度，才能加快产业的向前发展。

光刻技术是半导体制造的核心技术之一，它通过使用特定波长的光源，在晶圆表面制作出微小的电路图案。随着半导体工艺不断向更高集成度、更低功耗、更高性能发展，光刻技术也面临着不断提高分辨率、降低成本、提高产能等挑战。

目前，全球最先进的光刻技术是EUV(极紫外)光刻技术，它使用波长为13.5nm的极紫外光源，可以实现5nm甚至3nm以下的工艺节点。然而，EUV光刻技术也非常复杂和昂贵，目前全球只有荷兰ASML公司能够量产EUV光刻机，并主要供应给台积电、三星、英特尔等少数芯片制造商。中国在EUV光刻技术方面还有很大差距，但也在努力追赶。

成就与进展

中国光刻技术取得了以下一些成就和进展：

中科院上海光学精密机械研究所提出了一种新的快速光学邻近效应修正技术，即基于虚拟边与双采样率像素化掩模图形，能够提高光刻机对硅膜片的成像质量，降低芯片制程难度，并通过仿真试验证明了这一理念的可行性。

上海微电子研发并投产了28纳米制程的光刻机，填补了国内在非先进制程领域的空白，并有望将芯片制程提升到22纳米、16纳米、14纳米。

中微公司研发并投产了3纳米刻蚀机，实现了国内首台自主研发的极紫外(EUV)刻蚀设备。

南大光电成功开发出ArF、KrF等系列光刻胶产品，并实现规模化生产。

哈工大、清华团队研制出EUV曝光系统原型机，并在长春光机所、上海光机所等单位的协助下进行13.5纳米光源、光学镜头等关键部件的研究。

北京华卓精科成功开发出双工件台EUV掩模检测系统原型机，并通过国家级鉴定。

难点和挑战

中国在EUV光刻技术方面虽然取得了一些进展，但仍然面临着诸多难点和挑战。主要有以下几个方面：

光源：EUV光刻机需要使用波长为13.5nm的极紫外光源，这是一种非常难以产生和控制的光。目前国际上主要采用两种方式产生EUV光源：DPP(放电产生等离子体)和LPP(激光产生等离子体)。DPP方式相对简单，但功率较低;LPP方式功率较高，但复杂度也高。目前国内在DPP方式上已经实现了100W功率输出，但距离ASML使用的LPP方式的250W还有较大差距。

光学系统：EUV光刻机需要使用特殊的反射镜来传输和聚焦EUV光束，这些反射镜需要具备极高的表面精度、反射率、清洁度和稳定性。目前国内已经成功研制出了两镜EUV投影系统原型机，但距离ASML使用的四镜或六镜系统还有较大差距。

全套设备：EUV光刻机除了包括光源和光学系统外，还包括工件台、掩模台、测量系统、真空系统、冷却系统等多个部分，这些部分都需要高度协调和集成，形成一个完整可靠的设备。目前国内还没有实现全套EUV光刻机的研制和生产。据悉，中芯国际已经向ASML订购了一台EUV光刻机，并计划在2021年底或2022年初投入使用。2022年全球光刻机市场规模232.3亿美元，三大巨头ASML/Canon/Nikon垄断市场。中国内地的上海微电子光刻机技术在国内领先，可量产90nm分辨率的ArF光刻机，28nm分辨率的光刻机也有望取得突破。光刻机主要由激光光源、物镜系统和工作台三个核心部分组成，它们之间相互配合完成更为精确的光刻。激光光源方面，EUV光源已确定为激光等离子体光源，中国科益虹源自主研发设计生产的首台高能准分子激光器填补了中国在准分子激光技术领域的空白。物镜系统方面，卡尔蔡司是ASML透镜、反射镜、照明器、收集器和其他关键光学元件的唯一供应商。双工作台技术难度很高，能够掌握该项技术的只有荷兰ASML。涂胶显影领域国内龙头为沈阳芯源微，2022年，公司披露在28nm及以上节点的光刻涂胶显影工艺上可实现全面国产替代。

1.2022年全球光刻机市场规模232.3亿美元，三大巨头ASML/Canon/Nikon光刻机营收分别为161/20/15亿美元，市场份额达82%/10%/8%;出货量分别为345/176/30台，市场份额63%/32%/5%。从EUV、ArFi、ArF三个高端机型的出货来看，ASML仍维持领先地位，出货量分别占100%/95%/87%。2.中国内地的上海微电子光刻机技术在国内领先，目前已可量产90nm分辨率的ArF光刻机，28nm分辨率的光刻机也有望取得突破。3.光刻机主要由激光光源、物镜系统和工作台三个核心部分组成，它们之间相互配合完成更为精确的光刻。4.为了实现更精确的光刻，必须提高分辨率，减少光源波长是重要手段。EUV光源已确定为激光等离子体光源，目前只有两家公司能够生产：美国的Cymer和日本的Gigaphoton。中国科益虹源自主研发设计生产的首台高能准分子激光器填补了中国在准分子激光技术领域的空白。5.物镜是光刻机中最昂贵最复杂的部件之一，卡尔蔡司是ASML透镜、反射镜、照明器、收集器和其他关键光学元件的唯一供应商。尽管与卡尔蔡司、尼康等公司还有非常大的差距，但奥普光学提供的镜头已经可以做到90nm。6.高端光刻机都采用了双工作台，能够提高3倍以上的生产效率。

双工作台技术难度很高，精确度要求极高，能够掌握该项技术的只有荷兰ASML。清华大学和华卓精科合作研发出光刻机双工作台，精度为10nm，虽然比不上ASML的水平，但也算填补了国内空白。7.涂胶显影设备是光刻工序中与光刻机配套使用的涂胶、烘烤及显影设备，涂胶显影领域国内龙头为沈阳芯源微，2022年，公司披露在28nm及以上节点的光刻涂胶显影工艺上可实现全面国产替代。8.我国半导体光刻胶对外依赖程度达80%以上，适用于6英寸晶圆的g/i线光刻胶自给率为20%，适用于8英寸晶圆的KrF光刻胶自给率小于5%，适用于12英寸晶圆的ArF光刻胶目前基本靠进口。光刻技术是利用光刻胶将光掩模上的图形转移到基片上的技术工艺。光刻工艺包括涂胶、曝光、显影等核心过程，光刻机是光刻工艺中最为重要的设备。光刻母版是制造掩膜版的重要步骤。光刻机结构复杂，核心部件达十余种。全球光刻机市场规模232.3亿美元，ASML/Canon/Nikon三大巨头垄断市场。中国内地占ASML销售额14%，上海微电子光刻机技术在国内领先。

激光光源、物镜系统以及工作台是光刻机的核心部分，数值越小芯片性能越强。1.光刻技术是在特定波长的光照作用下，借助光刻胶将光掩模上的图形转移到基片上的技术工艺。光刻工艺首先光源穿过光掩模，并通过透镜使得光掩模缩小，最终使光落于覆盖有光刻胶的基板上;在此过程中，光掩模遮盖区域的光刻胶底片不会变硬，在刻蚀过程中被剥落，从而完成对底片的雕刻。2.光刻工艺的一般流程包括涂胶、曝光、显影等核心过程，分别涉及涂胶机、光刻机和显影机。其中，光刻机由于技术壁垒高、单台成本高，为光刻工艺中最为重要的设备。

准备光刻母版(reticle)是其中一个步骤。光刻母版是在玻璃或石英板的镀薄膜铬层上生成分层设计电路图的复制图。光刻母版可直接用于进行光刻，也可以用来制造掩膜版。掩膜版是在玻璃底板表层镀铬。在加工完成后，在掩膜版表面会覆盖许多电路图形的副本。掩膜版是用整个晶圆表面来形成图形。3.瑞利准则CD=k1·A/NA，光源波长、数值孔径为影响分辨率的主要因素。芯片大小是决定芯片成本的重要因素，芯片越小，一张晶圆片上可切割的芯片越多，芯片成本就越低。芯片临界尺寸(即光刻系统能够识别的最小尺寸，也即光学分辨率)公式为CD=k1-A/NA，其中CD为芯片的临界尺寸，入为光源波长，NA是光学器件的数值孔径，定义可以收集多少光，k1为与芯片制造相关的常数因子，ASML认为其物理极限是k1=0.25。

光刻机技术路线主要从前两个方面进行技术突破：光源波长方面，光源由最初的g线发展至目前的极紫外E UV，波长由436nm缩短至13.5nm;EUV光线下芯片制程可达3nm，AS ML为目前全球唯一的E UV供应商，且其正在进一步研发2nm甚至1.x nm制程的芯片。数值孔径方面，浸没式技术的应用大大减小了折射角度，使得投影物镜的直径得以进一步增加。4.光刻机结构复杂，核心部件达十余种。

ASML光刻机由照明光学模组、光罩模组和晶圆模组组成。光刻机技术复杂，往往生产一台光刻机需要上千家供应商，主要组件包括双工作台、光源系统、曝光系统、浸没系统、物镜系统、光栅系统等，配套设施包括光刻胶、掩膜版、涂胶显影等。5.2022年全球光刻机市场规模232.3亿美元，ASML/Canon/Nikon三大巨头垄断市场。根据SEMI预测，2022年光刻机占半导体设备市场份额达23%，市场规模232.3亿美元。其中，全球光刻机三大巨头ASML/Canon/Nikon光刻机营收分别为161/20/15亿美元，市场份额达82%/10%/8%;出货量分别为345/176/30台，市场份额63%/32%/5%。从EUV、ArFi、ArF三个高端机型的出货来看，ASML仍维持领先地位，出货量分辨占100%/95%/87%。