光刻機根據使用的工序不同可以分為芯片晶圓光刻機和封裝光刻機，封裝光刻機對精度要求低很多，我們今天主要來回顧芯片光刻機的發展歷史和重要的歷史節點。光刻機是芯片製造中光刻環節的核心設備， 技術含量、價值含量極高。 光刻機涉及系統集成、精密光學、精密運動、精密物料傳輸、高精度微環境控制等多項先進技術，是所有半導體制造設備中技術含量最高的設備，因此也具備極高的單臺價值量，
光刻機工作原理：光刻機通過一系列的光源能量、形狀控制手段，將光束透射過畫著線路圖的掩模，經物鏡補償各種光學誤差，將線路圖成比例縮小後映射到硅片上，然後使用化學方法顯影，得到刻在硅片上的電路圖。
半導體產業包含了很多個環節，是一個很龐大的產業鏈。光刻機只是其中的一項非常重要的工具設備。另外元器件的成本除了生產成本以外，測試、分銷都佔了比較大的比重，一顆的芯片產品推出以後，建立一套測試線也非常的費錢。所以量產數量也非常影響芯片價格，畢竟數量越多，均攤到每個器件上的成本就越低。所以全球的IDM（自己擁有生產測試封裝線的半導體企業）和代工廠（沒有生產測試封裝線的半導體公司需要找代工廠來加工生產）的數量是比較有限的。所以光刻機的市場容量本來就很少，在後面的內容中您會發現光刻機的競爭越來越集中化。我國半導體產業這十年來發展很快，也有比較知名的代工廠，這是因為我國的特殊性，如果考慮到全球一盤棋的情況，實際上是不需要那麼多代工廠的，比如2008年金融危機，全球半導體的產業受到重創，但是很多半導體大廠關掉了一些生產線，當時由於中國的經濟沒有受到很多影響，需求依舊旺盛，導致半導體企業措手不及，趕緊恢復產線生產，由於生產線重新組建需要的時間比較長，導致了2010年的元器件大缺貨。所以這個市場對經濟的起伏非常敏感，圈子也很小。
1947年，貝爾實驗室發明第一隻點接觸晶體管。從此光刻技術開始了發展。
1959年，世界上第一架晶體管計算機誕生，提出光刻工藝，仙童半導體研製世界第一個適用單結構硅晶片。
1961年,仙童半導體推出了平面型集成電路。這種平面型製造工藝是在研磨得很平的硅片上，採用一種光刻技術來形成半導體電路的元器件，如二極管、三極管、電阻和電容等。
1964年，仙童提出CMOS IC製造工藝，生產出第一臺IC計算機IBM360，並且建立了世界上第一臺2英寸集成電路生產線，美國GCA公司開發出光學圖形發生器和分佈重複精縮機。
這個時期的光刻機的原理很簡單，就是把光通過帶電路圖的掩膜板投影到塗有光敏膠的晶圓上。光刻機屬於接觸式光刻機，掩膜板是1:1尺寸緊貼在晶圓片上，而那時晶圓也只有1-2英寸大小。因此，光刻那時並不是高科技，半導體公司通常自己設計工裝和工具，比如英特爾開始是買16毫米攝像機鏡頭拆了用。只有GCA, K&S和Kasper等很少幾家公司有做過一點點相關設備。
60年代末，日本的尼康和佳能開始進入這個領域，畢竟當時的光刻不比照相機複雜。70年代初，光刻機技術更多集中在如何保證十個甚至更多個掩膜版精準地套刻在一起。Kasper儀器公司首先推出了接觸式對齊機臺並領先了幾年，Cobilt公司做出了自動生產線，接觸式機臺後來被接近式機臺所淘汰，因為掩膜和光刻膠多次碰到一起太容易汙染了。
1970年代，GCA開發出第一臺分佈重複投影曝光機，集成電路圖形線寬從1.5μm縮小到0.5μm節點。
1973年，Perkin Elmer公司推出了投影式光刻系統，搭配正性光刻膠非常好用而且良率頗高，因此迅速佔領了市場。
1978年，GCA推出真正現代意義的自動化步進式光刻機(Stepper)，分辨率比投影式高5倍達到1微米。這臺機器通俗點說把透過掩膜的大約一平方釐米的一束光照在晶圓上，曝光完一塊挪個位置再刻下一塊。由於剛開始Stepper生產效率相對不高，Perkin Elmer在後面很長一段時間仍處於主導地位。
1980年代，美國SVG公司開發出第一代步進掃描投影曝光機，集成電路圖形線寬從0.5μm縮小到0.35μm節點。
1981年，尼康發售首臺商用Stepper NSR-1010G，擁有更先進的光學系統極大提高了產能。從此尼康開始和SVG一起擠蠶食其它廠商的份額，尤其是Perkin Elmer的投影式光刻。P&E的市場份額從80年超過3成快速跌到84年不到5%。
1982年，尼康在硅谷設立尼康精機，開始展現日本自成體系的全產業鏈優勢，而GCA由於光學系統是購買蔡司的，所以研發速度一直提不起來，尼康開始從GCA手裡奪下一個接一個大客戶：IBM、Intel、TI、AMD等。到了1984年，尼康已經和GCA平起平坐，各享三成市場佔有率。Ultratech佔約一成，Eaton、P&E、佳能、日立等剩下幾家每家都不到5%。
1984年ASML正式成立時，尼康已經確立霸主地位，佔市場份額的60%。ASML的成立也沒有異象橫生，而更多的是機緣巧合；ASML在第一年只賣出一臺stepper，第二年賣出四臺。第一代產品不夠成熟，但是背靠飛利浦大樹的各種資源讓它生存了下來。
1985年，ASML和蔡司合作改進光學系統，終於在1986年推出非常棒的第二代產品PAS-2500，並第一次賣到美國給當時的創業公司Cypress（賽普拉斯），而今年賽普拉斯也將被英飛凌收購。1985年，半導體市場大滑坡，全球半導體行業平均減少16.4%，美國損失最大，減少28%，導致美國一幫光刻機廠商都碰到嚴重的財務問題。ASML還小，所以損失不大，還可以按既有計劃開發新產品。同期，GCA和P&E的新產品開發都停滯了下來。從此美國光刻機廠商再也沒有迎來高光時刻。
1988年，GCA資金嚴重匱乏被General Signal收購，又過了幾年被關閉。General Signal旗下另外一家Ultratech最終被MBO，但是規模也不大了。
1990年，P&E光刻部也支撐不下去被賣給SVG。1980年還佔據大半壁江山的美國三雄，到80年代末地位完全被日本雙雄取代。這時ASML還只有大約10%的市場佔有率。
1995年，佳能著手300mm晶圓曝光機，推出EX3L和5L步進機，並於1997-1998年被日本SELETE集團使用； ASML推出FPA-500，193nm（DUV）波長步進掃描曝光機。光學光刻分辨率到達70nm的"極限"，也於1999年供給SELETE集團使用。
1995年，尼康佔據超過40%的市場份額，佳能佔據25%市場份額，ASML佔據22%的市場份額，排在第三位。
整個九十年代，光刻機市場就是日本雙雄與ASML之間的競爭，其餘廠商都處於打醬油的存在。
2000年ASML收購美國SVGL公司，市場份額猛增至37%，鞏固了自己的老二地位，距離老大尼康也只有一步之遙了。ASML在這個時間點收購SVG主要是為了得到157nm光源的光學技術，這就牽扯到當時光刻機行業遇到的一個重大危機。
半導體行業一個重要的指導性預演就是摩爾定律，根據摩爾定律，當價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數目，約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。為了實現摩爾定律，光刻技術就需要每兩年把曝光關鍵尺寸(CD)降低30%-50%。根據瑞利公式：CD=k1*(λ/NA)，我們能做的就是降低波長λ，提高鏡頭的數值孔徑NA，降低綜合因素k1。搞更短的波長的光源是最直接的手段。90年代前半期，光刻開始使用波長365nm i-line，後半期開始使用248nm的KrF激光。90年代末期光刻開始使用193nm波長的DUV激光，這就是著名的ArF準分子激光。90年代末，科學家和產業界提出了各種超越193nm的方案，其中包括157nm F2激光，電子束投射(EPL)，離子投射(IPL)、EUV(13.5nm)和X光，並分為了幾大陣營進行研究。但是這些研究方向在21世紀初都沒有結出可口的果實。
2002年臺積電的林本堅博士在一次研討會上提出了浸入式193nm的方案，隨後ASML在一年的時間內就開發出樣機，充分證明了該方案的工程友好性。
2004年，ASML聯合臺積電推出193nm 浸潤式光刻機，憑藉此次技術與工程上的創新，終於超越了尼康，奠定了自己的霸主地位。也讓臺積電終於追上之前製程技術遙遙領先的英特爾。
浸入式光刻成功翻越了157nm大關，直接做到半週期65nm。加上後來不斷改進的高NA鏡頭、多光罩、FinFET、Pitch-split、波段靈敏的光刻膠等技術，浸入式193nm光刻機一直做7nm製程。
在ASML推出浸入式193nm產品的前後腳，尼康也宣佈自己的157nm產品以及EPL產品樣機完成。然而，浸入式屬於小改進大效果，產品成熟度非常高，所以幾乎沒有人去訂尼康的新品。尼康被迫隨後也宣佈去做浸入式光刻機。這導致後面尼康的大潰敗。尼康在2000年還是老大，但到了2009年ASML已經市佔率近7成遙遙領先。尼康新產品的不成熟，也間接關聯了大量使用其設備的日本半導體廠商的集體衰敗。佳能在光刻領域一直沒爭過老大。當年它的數碼相機稱霸世界利潤很好，對一年銷量只有百來臺的光刻機重視不夠。佳能的思路是一款產品要賣很久，他們一看193nm尼康和ASML打得太厲害就直接撤了。直到現在佳能還在賣350nm和248nm的產品，給液晶面板以及模擬器件廠商供貨。尼康在浸入式一戰敗下來就徹底沒有還手之力了，因為接下來EUV的開發需要投入巨資而且前景未卜，英特爾倒向ASML使得尼康失去了挑戰摩爾定律的勇氣。
推出193nm浸潤式光刻機以後，ASML公司繼續在EUV在條路上投入重金研發，以此來鞏固自己在光刻機上的霸主地位。
2006年，ASML發佈業界第一款EUV原型系統。
2010年，ASML發佈第一款EUV 0.25數值孔徑的原型機NXE3100。
EUV光刻機遲遲無法上市，主要有兩大方面的原因，一是所需的光源功率遲遲無法達到250瓦的工作功率需求，二是光學透鏡、反射鏡系統對於光學精度的要求極高，生產難度極大。這兩大原因使得ASML及其合作伙伴難以支撐龐大的研發費用。2012年ASML黨的三大客戶三星、臺積電、英特爾共同向ASML投資52.59億歐元，用於支持EUV光刻機的研發。有了錢，馬上就有效果。
2012年10月，ASML花了25億美元，收購全球領先的準分子激光器廠商Cymer，為光刻機光源的關鍵技術提供保障。
2013年，ASML又發佈第一款EUV 0.33數值孔徑的原型機NXE3300B.
2016年11月，ASML以10億歐元現金收購德國卡爾蔡司子公司24.9%股份，佈局微影鏡頭關鍵技術。有了這兩筆重要的收購，終於讓ASML在光源和光學系統上有了重要突破。
2017年，ASML終於發佈EUV 0.33數值孔徑的產品NXE3400B，光源採用13.5nm極紫外線，製程工藝達到7nm。EUV光刻機時代終於到來了，ASML也壟斷EUV光刻機的市場。
ASML EUV光刻機外觀
2019年，ASML推出NXE3400B的改進型號NXE3400C,NXE3400C採用模塊化設計，維護更加便捷，平均維修時間將從48小時縮短到8-10小時。此外，NXE3400C的產能也從之前的125WPH（每小時處理晶圓數）提升到了170WPH。根據ASML的規劃，2020年將會推出NXE3400C的改進型產品，產能將會從170WPH，增加到185WPH以上。
2019年，ASML共出貨26臺EUV光刻機NXE3400.預計2020年交付數量將達到35臺，2021年交付數字將達到45-50臺，是2019年的2倍。
2019年1月28日 ASML宣佈收購競爭對手mapper公司知識產權資產，並邀請mapper的員工繼續留下工作。從而解決人才問題，穩固自己的霸主地位。
ASML最近披露他們還在研發新一代EUV光刻機EXE:5000系列，NA指標達到了0.55，主要合作伙伴是卡爾蔡司、IMEC比利時微電子中心。與之前的光刻機相比，新一代光刻機將採用High-NA技術，有更高的數值孔徑，分辨率和覆蓋能力較他們當前的極紫外光刻機將提高70%。可以進一步提升光刻機的精度，畢竟ASML之前的目標是瞄準了2nm甚至極限的1nm工藝的。
不過新一代EUV光刻機至少到2022年才能出貨，大規模出貨要到2024年甚至2025年。而按照目前臺積電和三星的進度來看，今年會量產5nm工藝，而3nm工藝雖然目前已有突破，但是可能也要等到2022年才會量產。
按照三星的規劃，在6nmLPP之後，還有5nmLPE、4nmLPE兩個節點，隨後進入3nm節點，分為GAE（GAAEarly）以及GAP（GAAPlus）兩代。去年5月，三星的3nmGAE設計套件0.1版本已經就緒，以幫助客戶儘早啟動3nm的設計，但是量產應該要等到2022年以後了。
而臺積電的目標也是在2022年量產3nm工藝。據瞭解，目前臺積電的3nm進展順利，已經開始與早期客戶進行接觸。而臺積電新投資6000億新臺幣的3nm寶山廠也於去年通過了用地申請，將於今年正式動工。
比利時研究機構IMEC和微影設備製造商ASML計劃成立一座聯合研究實驗室，共同探索在後3納米（post-3nm）邏輯節點的納米級組件製造藍圖。
IMEC在開發後3nm工藝的系統時重點投入的三個主要的研究領域包括光阻技術、光罩的防塵薄膜技術，以及工藝優化。這些都需要很長時間的持續投入才有可能突破。
EUV光刻機從開始著手研究，到最後產品上市，歷時20年的時間，那麼隨著需求的不斷增加，半導體生產從材料到工藝都逐漸逼近極限，新的突破口在何方，讓我們拭目以待。
閱讀更多 青羊鎮牛人 的文章
