研报学习：光刻机深度研究

本文参考-Aiden的硬科技行研：人类科技之巅！光刻机--产业全解析

1、光刻原理

光刻(Lithography)的原理是：将高能激光（Laser）穿过掩模版（Reticle），将掩模版上的电路图形透过聚光镜（Projection lens），将影像缩小成像（影像复制）在预涂光阻层的晶圆（Wafer）上。

光刻的本质是把电路结构图“复制”到硅片上的光刻胶上。光刻工艺的主要步骤包括：气相成底膜、旋转涂胶、软烘（前烘）、对准曝光、曝光后烘焙（后烘）、显影、坚膜烘焙和显影后检查等 8 个基本步骤。

在光刻中主要使用工具及材料为光掩膜、光刻机及光刻胶。集成电路整个制造过程中，光刻步骤至少要重复 10 次，一般要重复 25-40 次。

下图为光刻流程图：

光刻技术发展

光刻技术：从接触式→接近式→投影式、干法光刻→浸润式光刻

光源发展： g-line→ i-line→ KrF→ ArF → EUV

光刻分辨率

早期的光刻机为了提高分辨率，把资源都集中在如何缩短光源波长λ方面，于是光刻机的波长一路降低，从早期的高压汞灯 g 线的 436nm；后期通过改变环境的折射率可以改变数值孔径，折射率越大NA 越大。浸入式光刻机将光学系统浸入水中，通过水来进行折射，从而实现更高的折射率，提高数值孔径。

光刻机

光刻机：通过光源将光掩膜上图形母版投射在硅片上，是一种投影曝光系统，又称光刻对准曝光机、掩模对准曝光机，由光源、照明系统、物镜、工件台等部件组装而成。是光刻工艺乃至整个芯片制造过程中的核心设备。

工作原理是: 光刻机会投射光束，穿过印有图案的光掩膜版及光学镜片，将线路图曝光在涂有光刻胶的硅晶圆上曝光，光刻胶见光后会发生性质变化，从而使光置上得图形复印到硅片上，从而使硅片具有电子线路图的作用。这就是光刻的作用，类似照相机照相。照相机拍摄的照片是印在底片上，而光刻机刻的不是照片，是电路图和其他电子元件。

光刻机分类

光刻机-历史溯源

（1）时间轴

（2）发展历程&趋势：

根据所用光源改进和工艺创新，光刻机经历了五代产品发展，每次改进和创新都显著提升了光刻机所能实现的最小工艺节点：

一般的EUV 光刻机可支持芯片制造商将芯片制程推进到 3nm 制程左右，但是如果要继续推进到 2nm 制程甚至更小的尺寸，就需要更高数值孔径的 High-NA EUV 光刻机。相比目前 NA 为 0.33 的 EUV 光刻机，High-NA EUV 光刻机将 NA 提升到0.55。

4）High-NA EUV 光刻机：用于 3nm 以下制程节点，High-NA 是指高数值孔径（0.33→0.55），是下一代光刻机技术，将在已有 EUV 基础上进一步提高分辨率与成像精度，从而实现更先进制程的生产。当前该技术只有ASML阿斯麦能提供，公司在 2025 年已实现出货。

市场空间

2023 年光刻机市场规模 257 亿美元，占晶圆生产设备总市场的 24%。光刻机市场前三大供应商（荷兰阿斯麦 ASML、日本佳能 Canon、日本尼康 Nikon）占据了绝大多数市场份额，2011-2023 年，三大供应商的光刻机营收合计由 89 亿美元增长至 257 亿美元，对应 CAGR 为 9.2%。

当前全球半导体前道光刻机市场整体格局是：一超两强，即高端市场 ASML寡头垄断、一枝独秀，与两强Nikon、Canon 三分天下。光刻机市场历经千帆，从早年美国 GCA+ PerkinElmer 把持，到如今仅剩荷兰 ASML+日本 Nikon/Canon，美国光刻机企业退出历史舞台。

而高端光刻机市场份额集中度很高，全球仅 ASML 能生产高端 EUV，浸没式DUV 也仅 ASML 与 Nikon 出货，ASML浸没式ArFi光刻机市占率超90%。

中低端市场，日本佳能Canon和尼康Nikon凭借价格优势主导中低端市场，合计市占率约10%。佳能在i-line光刻机领域领先，尼康则覆盖ArF等多类型DUV设备。

我国的光刻机发展起源于 70 年代，伴随着半导体研究的兴起，我国于 1977年研发成功第一台接触式光刻机GK-3型半自动光刻机，1978-1985 年先后研制成功三台光刻机，但制程最高仅为1.5μm。

当前，上海微电子，是国内唯一具备90nm以下制程能力的厂商，2018年成功验收量产，主打中低端市场，中低端出货占国内市场超80%，但高端仍需进口。

ASML 公司用于 7nm 工艺的 EUV 光刻机共有 10 万个零件，其中 90%的关键设备来自世界各国，在全球上、下游产业链共有 5000 多个供应商，分别提供的用于生产光刻系统的材料、设备、零部件和工具，ASML 只负责中游整机设计与各模块集成。