光刻机根据使用的工序不同可以分为芯片晶圆光刻机和封装光刻机，封装光刻机对精度要求低很多，我们今天主要来回顾芯片光刻机的发展历史和重要的历史节点。光刻机是芯片制造中光刻环节的核心设备， 技术含量、价值含量极高。 光刻机涉及系统集成、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技术，是所有半导体制造设备中技术含量最高的设备，因此也具备极高的单台价值量，
光刻机工作原理：光刻机通过一系列的光源能量、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。
半导体产业包含了很多个环节，是一个很庞大的产业链。光刻机只是其中的一项非常重要的工具设备。另外元器件的成本除了生产成本以外，测试、分销都占了比较大的比重，一颗的芯片产品推出以后，建立一套测试线也非常的费钱。所以量产数量也非常影响芯片价格，毕竟数量越多，均摊到每个器件上的成本就越低。所以全球的IDM（自己拥有生产测试封装线的半导体企业）和代工厂（没有生产测试封装线的半导体公司需要找代工厂来加工生产）的数量是比较有限的。所以光刻机的市场容量本来就很少，在后面的内容中您会发现光刻机的竞争越来越集中化。我国半导体产业这十年来发展很快，也有比较知名的代工厂，这是因为我国的特殊性，如果考虑到全球一盘棋的情况，实际上是不需要那么多代工厂的，比如2008年金融危机，全球半导体的产业受到重创，但是很多半导体大厂关掉了一些生产线，当时由于中国的经济没有受到很多影响，需求依旧旺盛，导致半导体企业措手不及，赶紧恢复产线生产，由于生产线重新组建需要的时间比较长，导致了2010年的元器件大缺货。所以这个市场对经济的起伏非常敏感，圈子也很小。
1947年，贝尔实验室发明第一只点接触晶体管。从此光刻技术开始了发展。
1959年，世界上第一架晶体管计算机诞生，提出光刻工艺，仙童半导体研制世界第一个适用单结构硅晶片。
1961年,仙童半导体推出了平面型集成电路。这种平面型制造工艺是在研磨得很平的硅片上，采用一种光刻技术来形成半导体电路的元器件，如二极管、三极管、电阻和电容等。
1964年，仙童提出CMOS IC制造工艺，生产出第一台IC计算机IBM360，并且建立了世界上第一台2英寸集成电路生产线，美国GCA公司开发出光学图形发生器和分布重复精缩机。
这个时期的光刻机的原理很简单，就是把光通过带电路图的掩膜板投影到涂有光敏胶的晶圆上。光刻机属于接触式光刻机，掩膜板是1:1尺寸紧贴在晶圆片上，而那时晶圆也只有1-2英寸大小。因此，光刻那时并不是高科技，半导体公司通常自己设计工装和工具，比如英特尔开始是买16毫米摄像机镜头拆了用。只有GCA, K&S和Kasper等很少几家公司有做过一点点相关设备。
60年代末，日本的尼康和佳能开始进入这个领域，毕竟当时的光刻不比照相机复杂。70年代初，光刻机技术更多集中在如何保证十个甚至更多个掩膜版精准地套刻在一起。Kasper仪器公司首先推出了接触式对齐机台并领先了几年，Cobilt公司做出了自动生产线，接触式机台后来被接近式机台所淘汰，因为掩膜和光刻胶多次碰到一起太容易污染了。
1970年代，GCA开发出第一台分布重复投影曝光机，集成电路图形线宽从1.5μm缩小到0.5μm节点。
1973年，Perkin Elmer公司推出了投影式光刻系统，搭配正性光刻胶非常好用而且良率颇高，因此迅速占领了市场。
1978年，GCA推出真正现代意义的自动化步进式光刻机(Stepper)，分辨率比投影式高5倍达到1微米。这台机器通俗点说把透过掩膜的大约一平方厘米的一束光照在晶圆上，曝光完一块挪个位置再刻下一块。由于刚开始Stepper生产效率相对不高，Perkin Elmer在后面很长一段时间仍处于主导地位。
1980年代，美国SVG公司开发出第一代步进扫描投影曝光机，集成电路图形线宽从0.5μm缩小到0.35μm节点。
1981年，尼康发售首台商用Stepper NSR-1010G，拥有更先进的光学系统极大提高了产能。从此尼康开始和SVG一起挤蚕食其它厂商的份额，尤其是Perkin Elmer的投影式光刻。P&E的市场份额从80年超过3成快速跌到84年不到5%。
1982年，尼康在硅谷设立尼康精机，开始展现日本自成体系的全产业链优势，而GCA由于光学系统是购买蔡司的，所以研发速度一直提不起来，尼康开始从GCA手里夺下一个接一个大客户：IBM、Intel、TI、AMD等。到了1984年，尼康已经和GCA平起平坐，各享三成市场占有率。Ultratech占约一成，Eaton、P&E、佳能、日立等剩下几家每家都不到5%。
1984年ASML正式成立时，尼康已经确立霸主地位，占市场份额的60%。ASML的成立也没有异象横生，而更多的是机缘巧合；ASML在第一年只卖出一台stepper，第二年卖出四台。第一代产品不够成熟，但是背靠飞利浦大树的各种资源让它生存了下来。
1985年，ASML和蔡司合作改进光学系统，终于在1986年推出非常棒的第二代产品PAS-2500，并第一次卖到美国给当时的创业公司Cypress（赛普拉斯），而今年赛普拉斯也将被英飞凌收购。1985年，半导体市场大滑坡，全球半导体行业平均减少16.4%，美国损失最大，减少28%，导致美国一帮光刻机厂商都碰到严重的财务问题。ASML还小，所以损失不大，还可以按既有计划开发新产品。同期，GCA和P&E的新产品开发都停滞了下来。从此美国光刻机厂商再也没有迎来高光时刻。
1988年，GCA资金严重匮乏被General Signal收购，又过了几年被关闭。General Signal旗下另外一家Ultratech最终被MBO，但是规模也不大了。
1990年，P&E光刻部也支撑不下去被卖给SVG。1980年还占据大半壁江山的美国三雄，到80年代末地位完全被日本双雄取代。这时ASML还只有大约10%的市场占有率。
1995年，佳能着手300mm晶圆曝光机，推出EX3L和5L步进机，并于1997-1998年被日本SELETE集团使用； ASML推出FPA-500，193nm（DUV）波长步进扫描曝光机。光学光刻分辨率到达70nm的"极限"，也于1999年供给SELETE集团使用。
1995年，尼康占据超过40%的市场份额，佳能占据25%市场份额，ASML占据22%的市场份额，排在第三位。
整个九十年代，光刻机市场就是日本双雄与ASML之间的竞争，其余厂商都处于打酱油的存在。
2000年ASML收购美国SVGL公司，市场份额猛增至37%，巩固了自己的老二地位，距离老大尼康也只有一步之遥了。ASML在这个时间点收购SVG主要是为了得到157nm光源的光学技术，这就牵扯到当时光刻机行业遇到的一个重大危机。
半导体行业一个重要的指导性预演就是摩尔定律，根据摩尔定律，当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。为了实现摩尔定律，光刻技术就需要每两年把曝光关键尺寸(CD)降低30%-50%。根据瑞利公式：CD=k1*(λ/NA)，我们能做的就是降低波长λ，提高镜头的数值孔径NA，降低综合因素k1。搞更短的波长的光源是最直接的手段。90年代前半期，光刻开始使用波长365nm i-line，后半期开始使用248nm的KrF激光。90年代末期光刻开始使用193nm波长的DUV激光，这就是著名的ArF准分子激光。90年代末，科学家和产业界提出了各种超越193nm的方案，其中包括157nm F2激光，电子束投射(EPL)，离子投射(IPL)、EUV(13.5nm)和X光，并分为了几大阵营进行研究。但是这些研究方向在21世纪初都没有结出可口的果实。
2002年台积电的林本坚博士在一次研讨会上提出了浸入式193nm的方案，随后ASML在一年的时间内就开发出样机，充分证明了该方案的工程友好性。
2004年，ASML联合台积电推出193nm 浸润式光刻机，凭借此次技术与工程上的创新，终于超越了尼康，奠定了自己的霸主地位。也让台积电终于追上之前制程技术遥遥领先的英特尔。
浸入式光刻成功翻越了157nm大关，直接做到半周期65nm。加上后来不断改进的高NA镜头、多光罩、FinFET、Pitch-split、波段灵敏的光刻胶等技术，浸入式193nm光刻机一直做7nm制程。
在ASML推出浸入式193nm产品的前后脚，尼康也宣布自己的157nm产品以及EPL产品样机完成。然而，浸入式属于小改进大效果，产品成熟度非常高，所以几乎没有人去订尼康的新品。尼康被迫随后也宣布去做浸入式光刻机。这导致后面尼康的大溃败。尼康在2000年还是老大，但到了2009年ASML已经市占率近7成遥遥领先。尼康新产品的不成熟，也间接关联了大量使用其设备的日本半导体厂商的集体衰败。佳能在光刻领域一直没争过老大。当年它的数码相机称霸世界利润很好，对一年销量只有百来台的光刻机重视不够。佳能的思路是一款产品要卖很久，他们一看193nm尼康和ASML打得太厉害就直接撤了。直到现在佳能还在卖350nm和248nm的产品，给液晶面板以及模拟器件厂商供货。尼康在浸入式一战败下来就彻底没有还手之力了，因为接下来EUV的开发需要投入巨资而且前景未卜，英特尔倒向ASML使得尼康失去了挑战摩尔定律的勇气。
推出193nm浸润式光刻机以后，ASML公司继续在EUV在条路上投入重金研发，以此来巩固自己在光刻机上的霸主地位。
2006年，ASML发布业界第一款EUV原型系统。
2010年，ASML发布第一款EUV 0.25数值孔径的原型机NXE3100。
EUV光刻机迟迟无法上市，主要有两大方面的原因，一是所需的光源功率迟迟无法达到250瓦的工作功率需求，二是光学透镜、反射镜系统对于光学精度的要求极高，生产难度极大。这两大原因使得ASML及其合作伙伴难以支撑庞大的研发费用。2012年ASML党的三大客户三星、台积电、英特尔共同向ASML投资52.59亿欧元，用于支持EUV光刻机的研发。有了钱，马上就有效果。
2012年10月，ASML花了25亿美元，收购全球领先的准分子激光器厂商Cymer，为光刻机光源的关键技术提供保障。
2013年，ASML又发布第一款EUV 0.33数值孔径的原型机NXE3300B.
2016年11月，ASML以10亿欧元现金收购德国卡尔蔡司子公司24.9%股份，布局微影镜头关键技术。有了这两笔重要的收购，终于让ASML在光源和光学系统上有了重要突破。
2017年，ASML终于发布EUV 0.33数值孔径的产品NXE3400B，光源采用13.5nm极紫外线，制程工艺达到7nm。EUV光刻机时代终于到来了，ASML也垄断EUV光刻机的市场。
ASML EUV光刻机外观
2019年，ASML推出NXE3400B的改进型号NXE3400C,NXE3400C采用模块化设计，维护更加便捷，平均维修时间将从48小时缩短到8-10小时。此外，NXE3400C的产能也从之前的125WPH（每小时处理晶圆数）提升到了170WPH。根据ASML的规划，2020年将会推出NXE3400C的改进型产品，产能将会从170WPH，增加到185WPH以上。
2019年，ASML共出货26台EUV光刻机NXE3400.预计2020年交付数量将达到35台，2021年交付数字将达到45-50台，是2019年的2倍。
2019年1月28日 ASML宣布收购竞争对手mapper公司知识产权资产，并邀请mapper的员工继续留下工作。从而解决人才问题，稳固自己的霸主地位。
ASML最近披露他们还在研发新一代EUV光刻机EXE:5000系列，NA指标达到了0.55，主要合作伙伴是卡尔蔡司、IMEC比利时微电子中心。与之前的光刻机相比，新一代光刻机将采用High-NA技术，有更高的数值孔径，分辨率和覆盖能力较他们当前的极紫外光刻机将提高70%。可以进一步提升光刻机的精度，毕竟ASML之前的目标是瞄准了2nm甚至极限的1nm工艺的。
不过新一代EUV光刻机至少到2022年才能出货，大规模出货要到2024年甚至2025年。而按照目前台积电和三星的进度来看，今年会量产5nm工艺，而3nm工艺虽然目前已有突破，但是可能也要等到2022年才会量产。
按照三星的规划，在6nmLPP之后，还有5nmLPE、4nmLPE两个节点，随后进入3nm节点，分为GAE（GAAEarly）以及GAP（GAAPlus）两代。去年5月，三星的3nmGAE设计套件0.1版本已经就绪，以帮助客户尽早启动3nm的设计，但是量产应该要等到2022年以后了。
而台积电的目标也是在2022年量产3nm工艺。据了解，目前台积电的3nm进展顺利，已经开始与早期客户进行接触。而台积电新投资6000亿新台币的3nm宝山厂也于去年通过了用地申请，将于今年正式动工。
比利时研究机构IMEC和微影设备制造商ASML计划成立一座联合研究实验室，共同探索在后3纳米（post-3nm）逻辑节点的纳米级组件制造蓝图。
IMEC在开发后3nm工艺的系统时重点投入的三个主要的研究领域包括光阻技术、光罩的防尘薄膜技术，以及工艺优化。这些都需要很长时间的持续投入才有可能突破。
EUV光刻机从开始着手研究，到最后产品上市，历时20年的时间，那么随着需求的不断增加，半导体生产从材料到工艺都逐渐逼近极限，新的突破口在何方，让我们拭目以待。
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