引言—光刻機：人類頂尖工業皇冠上璀璨的明珠
在中國集成電路產業自主可控的道路上光刻機將是最難克服的一環，這一點中芯國際有著深刻的體會。2018年5月中芯國際竭盡全力向荷蘭ASML訂購了一臺EUV光刻機，價值高達1.2億美元，而2017年公司扣非歸母淨利潤僅有1.28億美元。這臺光刻機原本於2019年初交付使用，但是在2018年12月臨近交付的時候，ASML突發大火導致交付延期，2019年底則因為出口許可證到期以及部分"不可抗拒"的因素，這臺命運多舛的EUV光刻機到現在還未交付。
雖然通過浸沒式光刻和多重圖形等技術，採用193nm光源的ArF光刻機可以滿足7nm節點要求，但在光刻過程中由於使用的光罩數量非常多，工藝複雜，光刻缺陷、套刻誤差、成本以及良率等是臺積電等晶圓製造廠商不得不考慮的問題，相比而言EUV光刻機光源波長僅有13.5nm，可以做到"一步到位"。對臺積電和中芯國際這樣的晶圓製造廠商，誰能拿到EUV光刻機，再捨得砸一點錢，誰將在先進製造工藝上佔據制高點，迅速搶佔市場份額，獲得更多的經濟利益，這也是近幾年臺積電一家獨大的重要原因。
研發一款光刻機的難度不亞於研發一臺航空發動機，正如一位網友所言，航空發動機是在極端高溫高壓下挑戰材料和能量密度的極限，而光刻機是在比頭髮絲還細千倍的地方挑戰激光波長和量子隧穿的極限，不斷挑戰物理尺寸極限的光刻機同樣是人類頂尖工業皇冠上璀璨的明珠。
光刻機工作原理：一個放大的單反
光刻工藝的原理是：利用塗敷在襯底表面的光刻膠的光化學反應作用，將光罩上畫好的電路圖形信息從光罩上保真傳輸、轉印到半導體材料襯底上，工作原理上就是一個放大的單反：
資料來源：公開資料整理，阿爾法經濟研究
光刻主要分塗膠、光刻和顯影三道工序，其中塗膠是通過塗膠機將光刻膠塗敷在襯底表面，接著使用光刻機對塗有光刻膠的襯底進行曝光，實現將電路圖形信息從光罩保真傳輸、轉印到襯底表面的目的，最後顯影機對曝光襯底進行顯影，去除或保留受到曝光後發生光化學反應的光刻膠：
資料來源：公開資料整理，阿爾法經濟研究
光刻機分為無掩模光刻機和有掩模光刻機兩種，被大眾所致的ASML的深紫外光刻機和EUV光刻機等均為有掩模光刻機，所謂的掩模也稱之為光罩，是一種可以選擇性阻擋光、輻射或物質穿透的掩蔽模板，上面刻有電路圖形。無掩模光刻機中常見的是電子束光刻機和離子束光刻機，是一種利用計算機輸入的地址和圖形數據控制聚焦電子束在塗有感光材料的基板上直接繪製電路圖形的設備。
在集成電路產業中通常把晶圓製造稱為前道工藝，晶圓封測工藝稱為後道工藝，相應的光刻機也分為前道光刻機和後道光刻機，ASML的光刻機主要用於晶圓製造，屬於前道工藝，技術要求要高於後道光刻機，本文討論的是用於前道工藝的有掩模光刻機。
光刻機發展簡史—第一代光刻機：接觸式/接近式光刻機
光刻機總體經歷了六個發展階段。早期光刻機採用的是接觸式光刻技術，通常晶圓置於一個手動控制水平位置和旋轉的工作臺上，操作者利用分立視場顯微鏡同時觀察光罩和晶圓位置，並通過手動控制工作臺位置來實現光罩與晶圓的對準。晶圓與光罩對準後二者將被壓緊，使得光罩與晶圓表面的光刻膠直接接觸。移開顯微鏡物鏡後，將壓緊的晶圓與光罩移入曝光臺進行曝光，光源發出的光經過透鏡準直平行照射光罩，由於光罩與光刻膠直接接觸，所以曝光後光罩圖形按照1:1的比例轉印至光刻膠上，原理與公章類似。
接觸式光刻機具有分辨率高、精度好、曝光設備簡單等優點，而且由於晶圓與光罩直接接觸，減小了光的衍射效應，但是在接觸過程中容易損傷和玷汙光罩和晶圓上的光刻膠層，影響成品率和光罩壽命，因此主要用於小規模半導體制造，目前部分場合還在使用。
在70年代接近式光刻機逐漸發展成熟。相比接觸式光刻機，接近式光刻機的光罩與晶圓上的光刻膠沒有直接接觸，而是留有充滿氮氣的間隙，間隙大小由氮氣的氣壓決定。由於光罩與光刻膠沒有直接接觸，因此降低了光罩的損耗，同時降低了光刻中引入的缺陷，提高了成品率。在接近式光刻機中晶圓與光刻膠存在的間隙使得晶圓處於菲涅爾衍射區域，也因此限制了接近式光刻機分辨率的進一步提升，因此接近式光刻機主要用於3m以上的半導體。
由於第一代光刻機的技術比較初級，類似於大號的膠片相機，因此在相機領域有技術積累的佳能和尼康在60年代末就進入光刻機領域， GCA和Kasper等公司也擁有一定的製造能力，這幾家公司成為早期光刻機市場的玩家。
接觸/接近式光刻機目前還活躍在半導體產業中，國外廠商中德國蘇斯、奧地利EVG和中國電子科技集團45研究所等均有生產，比如45所生產的BG-401A光刻機就是一種真空接觸式光刻機，分辨率1μm，主要用於4英寸及以下晶圓的中小規模半導體和SAW器件的單面對準及曝光工藝：
資料來源：中電45所BG-401A光刻機圖片，阿爾法經濟研究
第二代光刻機：光學投影光刻機
光學投影光刻機和X射線光刻機、一倍寬帶掃描機等看起來像是步進式光刻機成熟前的不同技術路線的嘗試。投影式光刻機已經採用了步進-掃描的曝光方式，步進的意思簡單的說就是把透過光罩的大約一平方釐米的光束照在晶圓上，曝光完一塊後便挪個位置曝光下一塊。
光學投影光刻機的工作原理是將光罩上的電路圖形通過一個投影物鏡成像，曝光晶圓上的光刻膠，從而將圖形轉印、記錄在光刻膠上。光學投影光刻機的曝光系統通過一個狹縫式的曝光帶照射在光罩上，載有光罩的工作臺在狹縫下沿著一個方向移動，起到掃描的作用，因此光罩與晶圓保持同步，晶圓沿著相反方向以四分之一的速度移動，從而完成曝光過程：
資料來源：公開資料整理，阿爾法經濟研究
為了儘量減少晶圓等待曝光時間，光學投影光刻機的移動路線按照蛇形路徑進行，完成一次掃描後曝光系統不復位，而是在下一位置反向掃描。
光學投影光刻機在70年代中後期開始替代接觸/接近式光刻機，早期的光學投影光刻機的光罩與襯底圖形尺寸比例為1:1，因此隨著半導體特徵尺寸的不斷縮小和襯底尺寸的增大，光學投影光刻機便不能很好的滿足光刻工藝要求，後續逐漸被步進重複光刻機所取代。
第三代光刻機：步進重複光刻機
步進重複光刻機的出現不僅讓半導體制造工藝邁入亞微米級，而且奠定了後來光刻機的部分技術基礎。步進重複光刻機是利用22mm*22mm的典型靜態曝光視場和放大倍數1:4或1:5的物鏡，將光罩上的圖形轉印到晶圓上。步進重複光刻機的曝光視場還有53mm*33mm和44mm*44mm。
步進重複光刻機的主要工作流程是：用自動傳輸系統將塗敷有光刻膠的晶圓傳輸到工作臺上，將需要光罩也傳送到工作臺上，然後光刻機用調焦/調評分系統對工作臺上的晶圓進行多點測量，獲得晶圓表面的高度和傾斜角等信息，以便在曝光過程中始終將晶圓曝光區域控制在投影物鏡焦深範圍內。隨後系統用對準系統對光罩和晶圓進行對準，並按規定流程完成晶圓的步進曝光過程，實現圖形轉印功能：
資料來源：《半導體制造技術》，阿爾法經濟研究
從工作流程可以看出，晶圓與光罩是無需同步掃描，在結構上與後來的步進掃描光刻機相比，少了同步掃描控制系統等，結構相對簡單，成本較低。目前步進重複光刻機主要用於0.25mm以上的半導體制造以及先進封裝等領域。
世界上第一臺步進重複光刻機由美國GCA公司於1978年推出，80年代開始尼康和佳能也各自推出了步進重複光刻機並一度佔據70%的市場份額，GCA的大客戶IBM、英特爾和AMD等也逐漸被尼康挖走，至此GCA公司逐步沒落。
80年代光刻機市場呈群雄爭霸的格局，除了GCA、尼康和佳能，還有美國Ultratech公司、Eaton公司和日立等，當然還有一家由飛利浦和荷蘭ASM International公司合資成立的ASML，但在當時ASML還是剛出茅廬的新兵蛋子，沒人關注。
第四代光刻機：步進掃描光刻機
1965年英特爾創始人之一摩爾提出了摩爾定律，最初內容是當價格不變時集成電路上可容納的元器件數目約每隔18-24個月增加一倍，性能也提升一倍。即便當前有人在喊摩爾定律已經失效，還有人提出了超摩爾定律，但不可否認的是在半導體技術發展中摩爾定律起到了引領作用。
根據瑞利分辨率公式R=k1*(/NA)可知，提高光刻機分辨率的理論路徑是增大數值孔徑NA、減小波長和減小工藝因子k1，其中工藝因子的理論極限值為0.25，提升空間有限，因此設備廠商紛紛在波長和NA上打起了主意。在光刻機技術迭代上，倖存的尼康、佳能、第一代步進掃描光刻機制造商SVG和光刻機新貴ASML在曝光源波長上展開了激烈競爭，在這一過程中有的提前陣亡，有的停滯不前，有的則異軍突起，同時廠商之間激烈競爭，在競爭的過程中光刻機光源波長也由g線的436nm、i線的365nm一步步縮小至248nm和193nm。
193nm的ArF光刻機早在90年代中期便已推出，但是後來在超越193nm的方案時遇到了各種難題，即便157nm的F2光刻機在SVG和尼康的努力下接近產業化，但由於157nm的光會被193nm光刻機上的鏡片吸收，光刻膠也要重新研製，產業化難度大且研發投入產出比太低，以及157nm的光不能穿透純水，無法和浸沒式技術相結合，因此157nm技術路線最終無奈放棄，尼康失去了超越ASML的機會，SVG更是直接被收購。最終ASML通過浸沒式技術解決了這一難題，後續尼康在F2光刻機失敗後也不得已轉向浸沒式光刻技術，佳能則至此掉隊。
與步進重複光刻機不同的是，步進掃描光刻機的單場曝光采用動態掃描方式，即光罩相對晶圓同步完成掃描運動，完成當前場曝光後晶圓由工作臺承載步進至下一掃描場位置繼續重複曝光，直至整個晶圓所有場曝光完畢：
資料來源：《半導體制造技術》，阿爾法經濟研究
步進掃描光刻機的投影物鏡倍率為4:1，即光罩的圖形尺寸為晶圓圖形尺寸的4倍，故光罩掃描速度也為工作臺的四倍，且掃描方向相反。與步進重複光刻機相比步進掃描光刻機成像系統靜態視場更小，在同等成像性能約束下投影物鏡製造難度降低，因此在0.18mm工藝節點後光刻機廠商基本採用步進掃描技術並沿用至今。同時在該技術上通過配置193nm、193nm浸沒式和13.5nm的EUV光源，形成了步進掃描光刻機家族。
步進掃描時代光刻機市場已經被ASML和尼康所壟斷，2001年ASML便推出了TWINSCAN系列光刻機，目前已經形成XT系列、NXT系列和NXE系列步進掃描光刻機家族，其最先進的NXE3400C採用EUV光源，分辨率低於13nm，套刻精度達到1.5nm的水平。尼康的步進掃描光刻機有NSR-S635E等型號，覆蓋了i線到ArF浸沒式，但性能上套刻精度與ASML有一定差距，而且尼康的光刻機性能上有缺陷，不能做到真正意義上的掃描和光刻同步，已經被英特爾放棄，在深紫外至極紫外光刻機領域ASML一家獨大：
資料來源：各公司官網整理，阿爾法經濟研究
第五代光刻機：浸沒式光刻機
前文已經提到，為了突破193nm的光源瓶頸，尼康和SVG大力推進F2，但最終因為各種原因功虧一簣，而ASML則用鏡頭間加水的方式，解決了這一問題。由於水的折射率是1.44，因此193nm的光經過折射，等效波長降至134nm，並最終通過多重光刻、改進的高NA鏡頭、FinFET等技術，將浸沒式光刻機的光刻工藝提升至7nm的極限節點：
資料來源：公開資料整理，阿爾法經濟研究
浸沒式光刻機的原理是在鏡頭像方下表面與晶圓上表面之間充滿折射率為1.44的純水，提升了成像系統的有效數值孔徑（NA=1.35）並將光的等效波長縮短至134nm，光刻機的分辨率也提升至38nm。浸沒式光刻機的結構相比干式步進掃描光刻機沒有變化，算是ArF光刻機的改進與拓展，也保證了工藝的延續性並節省了光源、設備和工藝的研發成本。當然由於浸沒液體的引入，導致設備本身工程難度大幅增加，關鍵技術涉及浸沒液體供給與回收、浸沒式液場維持技術、浸沒式光刻汙染與缺陷控制技術等，也無疑給其他光刻機廠商提出更高的難度。實際上目前為止能量產浸沒式光刻機的廠商也就ASML和尼康兩家，而真正能進入臺積電和英特爾等晶圓製造廠商產線的也就ASML一家。
第六代光刻機：人類頂尖工業皇冠上璀璨的明珠—EUV光刻機
雖然通過浸沒式技術和多重光刻技術等，採用ArF光源的光刻機可以滿足7nm節點工藝要求，但是在實際應用中仍然面臨巨大挑戰，首先就是光刻機使用的超純水中可能含有影響晶圓表面而形成缺陷的顆粒物，同時水泡會分散曝光所用的光，歪曲空中的影像而在晶圓的光阻層中形成氣泡缺陷，因此EUV光刻機的出現"一步到位"解決了浸沒式光刻機的缺陷。
因為EUV光在穿透物體時的散射和吸收非常厲害，就連空氣和鏡頭玻璃都能吸收EUV，到達光刻膠時光能量損失超過95%，因此EUV光刻機研製中可靠的光源始終是一大技術瓶頸。ASML主要通過反射鏡替代透鏡的技術解決了鏡頭玻璃吸收EUV的問題，同時還應用了主震盪功率放大器、Predictive Plasma技術和原位收集鏡清潔技術，使得EUV的功率及穩定性大幅提高。
資料來源：ASML官網，阿爾法經濟研究
EUV光刻機在反射鏡上曾經驗證了Mo/Si多層膜和Mo/Be多層膜，理論上Mo/Be多層膜在波長11.1nm處的反射率理論上能達到80%，但由於Be具有較強的毒性，因此在研發過程中被放棄，最終EUV光刻機使用了Mo/Si多層膜，該膜在13-13.5nm波長範圍內的理論反射率可達到70%，最終EUV光刻機的曝光波長確定為13.5nm。在EUV光刻機中Mo/Si多層膜設計成布拉格反射器，即將多層的反射集中成單一反射，再加上光刻機腔體內部採用真空系統，通過上述措施比較好的解決了EUV光源散射的問題。
在光學組件上ASML與卡爾蔡司公司進行了合作。蔡司公司是一家從事光學系統、工業測量儀器和醫療器械的德國企業，由創始人卡爾蔡司、恩斯特卡爾阿貝和奧托肖特於1848年在耶拿創立，是一家百年老企。蔡司公司曾經涉足光刻機，但是後續因為各種原因放棄了光刻機業務，轉而將精力放在光學顯微技術上。
蔡司公司為ASML提供了Starlith光學組件系統，也使得ASML的EUV夢想成為現實，2013年公司首次推出EUV光刻機NXE3300B。2016年ASML還收購了24.9%的蔡司公司股份並實現了利益的綁定，並承諾投入8.4億美元用於研發數值孔徑高於0.5的鏡頭，蔡司公司在EUV光學模塊上也處於全球頂尖地位。2012年ASML將英特爾、三星和臺積電納為自己的股東，在技術、資金方面對EUV光刻機的研發及量產提供了保證，英特爾等同時也擁有了EUV光刻機的優先購買權，中芯國際只是個普通買家而已。
資料來源：Starlith光學組件（部分），蔡司公司官網，阿爾法經濟研究
當然由於NXE3300B的分辨率僅為22nm，套刻精度上不能很好滿足10nm以下節點的工藝要求，而且產出率僅為55片/小時，經濟效益不顯著，直到2016年ASML推出NXE3400B，才使得EUV的技術優勢與生產效益體現出來，臺積電和三星等晶圓代工廠商在技術上也實現了突破，之後10nm、7nm等先進工藝相繼量產，2020年一季度臺積電的5nm已經量產並貢獻收入，3nm甚至1nm的工藝也正處於研發階段，在EUV光刻機的助推下光刻工藝不斷逼近物理極限。
雖然在EUV光刻機上ASML一家獨大，在深紫外光刻機上也是事實上的一家獨大，但公司並未停下前進的腳步，有資料顯示ASML正在推進二代EUV光刻機的研發，未來使用數值孔徑0.5的EUV光刻機將採用中心攔光的投影物鏡系統，採用0.25/0.125倍的非對稱倍率，曝光視場將從目前的26mm*33mm縮小為26mm*16.5mm，分辨率將達到8nm以下，二代EUV光刻機預計將在2024年推出，光學組件仍由蔡司公司提供。
EUV光刻機重量高達180噸，全機超過10萬個零部件，需要40個集裝箱運輸，按照調試需要一年多時間，國外有公司號稱"即使把圖紙和元器件全部給你們，你們也裝配不出來"，光刻機究竟有多複雜，讀者自己心裡琢磨吧。
日本光刻機的衰落與中國光刻機的進擊
光刻機發展至今已有半個多世紀了，曾經的光刻機巨頭裡尼康和佳能在中低端領域苟延殘喘， GCA、Eaton等公司那樣早已消失在光刻機的世界裡，剩下的ASML已經讓其他廠商望其項背了。
AMSL形成了低端、中端、高端和超高端的產品體系，其中90年代面世的PASS5500系列單臺步進式光刻機主打低端市場，光刻機光源包括i線、KrF和ArF等，分辨率90-220nm，出片率在135-150片/小時之間。2000年以後問世的XT系列和NXT系列光刻機主要面向中端和高端市場，XT系列光刻機分辨率65-110nm，NXT系列光刻機分辨率達到38nm。在低端光刻機市場與ASML形成競爭的是佳能的FPA-6300ES6a，採用KrF光源，分辨率90nm，出片率200片/小時。
尼康的NSR系列光刻機覆蓋了i線、KrF、ArF和ArF浸沒式，尤其是NSR-S622D和NSR-S635E均採用了浸沒式光刻技術，分辨率達到38nm，其中NSR-S635E套刻精度與ASML的NXT1980Di浸沒式光刻機相當，應付7-28nm節點毫無壓力，但是從近幾年尼康的光刻機銷量來看卻因種種原因不盡人意，主要是光刻機自身有一定性能缺陷，包括中芯國際、長江存儲和上海華虹在內的國內廠商還是向ASML購買浸沒式光刻機，即便尼康的光刻機要比ASML的便宜一半。
日本光刻機衰落的原因很多，日本一橋大學學者中馬宏之認為相比尼康和佳能，ASML的零部件90%以上採購自外部企業，高度外包的策略讓ASML可以快速獲取各領域最先進的技術，讓自己得以專注於客戶需求以及系統整合。
雖然在集成電路光刻機領域日本已經無力與ASML抗衡，但是在面板光刻機領域以尼康為代表的日本企業仍然可以一戰，比如尼康的FX系列面板光刻機適用於6世代到11世代的TFT-LCD面板光刻，對準精度也領先同類企業：
資料來源：尼康公司官網，阿爾法經濟研究
面板光刻機也成為尼康光刻機業務最後的遮羞布了。
華為中興事件發生以來，國產替代成為全民議論的熱門話題，光刻機實現國產化是全民期望，但是真正迎來國產替代的那天，恐怕還需要很多年，因為國產光刻機與國外的差距太明顯了。
國內有能力交付前道光刻機整機的僅有上海微電子裝備，目前公司已經擁有KrF、ArF和i線光刻機的研發和生產能力，最先進的SSA600/20型光刻機雖然使用了ArF光源，但是分辨率僅有90nm，與ASML90年代生產的PASS5500系列KrF光刻機接近，套刻精度也遠低於ASML和尼康同類機型，而且產出率僅有80片/小時，明顯低於ASML和尼康等同類設備。合肥芯碩半導體有限公司與無錫影速半導體科技有限公司主要從事直寫光刻設備研發，與上海微電子裝備的技術路線不同，分辨率還停留在200nm水平，沒有比較的價值。
綜上所述，承載光刻機國產替代的重任落在了上海微電子裝備上，性能上國產光刻機的性能與ASML有著20年左右的差距，在低端市場可以實現部分替代，中高端無能為力。有消息稱上海微電子裝備正在推進分辨率65nm甚至45nm的浸沒式光刻機，但目前進展如何不得而知。
國產光刻機面臨兩難選擇：光刻機實現國產替代自主可控固然重要，避免關鍵時刻被“卡脖子”，但是高端光刻機的技術要求是在太高，國產光刻機水平基本處於20多年前ASML的水平。
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