文：石亚琼、李亚静
编辑：石亚琼
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伴随着中国的芯片安全问题，光刻机也成为业界焦点。
它单价售价超1亿美元，依然供不应求，被认为是摩尔定律当下的重要推手，胜似芯片公司的“印钞机”。它集各学科之大成，设备重达几十吨，需要多台波音飞机运输，被认为是半导体工业皇冠上的明珠。它虽是工业设备、商业产品，但其命运从未摆脱大国之间的竞合博弈。
摩尔定律攻艰2nm的物理极限的当下，叠加复杂国际关系，光刻机也成为年应该了解的行业之一。为此，我们做了这篇轻度行业研究，希望真实的呈现这个行业的过去、现在和未来。
我们希望在本文回答以下问题：
为什么光刻机对于芯片行业有这么重要的意义？
为什么当下最先进的光刻机如此难研制？
当下全球光刻机产业格局如何？ASML是如何成为最为重要的光刻机玩家？
国产光刻机与国外的差距主要体现在哪里？
为什么中外光刻机会存在这样的差距？
随着光刻机逼近物理学、材料学、精密制造的极限，未来会呈现什么样的发展趋势？
一、为什么光刻机这么重要——“如果我们交不出EUV光刻机，摩尔定律就会从此停止”
光刻机有多重要？
作为全球光刻机最为前沿的公司，荷兰ASML公司如是说——“如果我们交不出EUV光刻机，摩尔定律就会从此停止”。
过去五十多年，半导体行业一直遵循着摩尔定律这一经济规律：集成电路上可容纳的元器件的数，每隔18个月就会增加一倍。这意味着每隔18个月，为了实现芯片性能提升一倍以上，芯片的制程就会缩小至少一倍。
20世纪初期的芯片纳米制程进度表，图片来自互联网
21世纪初，芯片还刚刚进入百纳米制程。当时的光刻机，门槛还不高。在年，中国上海微电子装备有限公司成立5年，当年研发出了90nm光刻机。事实上，在更早的上世纪七八十年代，诸如尼康、佳能等光学厂商、Intel等芯片厂商都做出过光刻机。
纳米制程预测
（一）为什么光刻机对芯片行业这么重要？我们可以先来简单先来拆解下。
1、芯片的制造过程
为了更清晰的表达光刻机对于芯片行业和摩尔定律的重要性，我们可以先来简单描述下芯片的制作过程。
可以看一个简单、直接的有关芯片是如何研发、生产的示意图：
半导体行业产业链，图片来自中泰证券
一家公司要研发芯片，他们会使用Cadence、Synospsys这些公司提供的EDA工具来辅助设计芯片，期间会用到来自于本公司自研或者ARM等第三方的各种IP核，在芯片设计完成后会交给TSMC台积电、UMC联电、SMIC中芯国际等晶圆代工厂生产，这些代工厂的生产设备就包括了来自ASML等的光刻机。最后经过日月光、长电科技的封测，形成完整芯片。
可以说，光刻的主要作用是将掩模版上的芯片电路图转移到硅片上，是IC制造的核心环节，也是整个IC制造中最复杂、最关键的工艺步骤。
2、光刻机的原理
光刻技术是指光刻胶在特殊波长光线或者电子束下发生化学变化，通过曝光、显影、刻蚀等工艺过程，将设计在掩膜上的图形转移到衬底上的图形精细加工技术。
光刻机一般是通过激光或电子束直接写在光掩模板上,然后用激光辐照光掩模板，晶圆上的光敏物质因感光而发生材料性质的改变，通过显影，从而完成芯片从设计版图到硅片的转移。这其实很像是照相机+投影仪的组合，只不过最后希望将电路图印到硅片上。
我们以激光为光源的光刻机为例，来看下其简易工作原理和流程。在制造芯片时，首先在晶圆（硅晶片）表面涂光感胶，再用光线透过掩模版（相当于芯片电路图纸的底片）照射硅片表面，被光线照射到的光感胶会发生反应。此后用特定溶剂洗去被照射或者未被照射的胶，电路图就印到硅片上。
3、为什么光刻机对芯片行业如此重要？
从上文不能看出，在IC制造的环节，光刻机是处于前道工艺最前端的一环。
一般来说，芯片的性能受晶体管密度影响，同样面积下晶体管越多，即晶体管线宽越小，芯片性能越强。我们日常听到的几纳米工艺，其中的纳米即代表的相应光刻工艺能加工出的晶体管线宽。
因此，可以说，光刻机性能的先进性，就在一定程度上，代表了芯片性能的先进性。
二、为什么当下最先进的光刻机如此难研制？——无限逼近物理学、材料学、精密制造的极限
年2月，全球光刻机“带头大哥”ASML宣布，可能最早于年推出新一代的EUV光刻机EXE:系列，这意味着生产3nm、2nm制程的芯片有了可能。在此之前，当下最先进的光刻机为ASLM推出的NXE:C，物镜系统的数值孔径为0.33，可支持7nm、5nm制程的芯片制造。
事实上，研发这两款机器，所耗费的资金很可能已不下于百亿美元，加上其前期的准备工作耗时也长达十多年。
光刻机分类
（一）当下最先进的光刻机到底有多难？
为了更形象的量化当下最先进的EUV光刻机难度，我们可以先讲几个直观的数据：
一台EUV光刻机一般有超十多万个零件、4万个螺栓、十几公里走线、几百吨重量；一台EUV光刻机一般需要4台左右的波音才能完成运输；年时一台EUV光刻机的售价高达1.2亿美元；目前知名的光刻机公司ASML有2.5万员工，名左右的研发人员，名博士，有6万名左右的供应商技术伙伴，且需要每年投入10-15%的营收作为研发投入。每一次芯片制程提升有多难？1nm大约相当于头发直径的五万分之一。要达到这样的精度提升，其难度不难想象。
在《光刻机之战》一文中，作者金捷幡也曾做过一个比喻，“由于光刻精度是几纳米，EUV对光的集中度要求极高，相当于拿个手电照到月球光斑不超过一枚硬币。反射要求的镜子要求长30cm起伏不到0.3nm，这相当于是北京到上海做根铁轨起伏不超过1毫米”。
可以说，当下最先进的EUV光刻机，其难度已经无限逼近物理学、材料学、精密制造的极限。
光刻机
（二）为什么当下的光刻机难研制？
1、光刻机的进化其实是不断降低波长的进程
根据摩尔定律，集成电路上可容纳的元器件的数，每隔18个月就会增加一倍。这意味着，集成电路芯片的集成度大约每三年增加4倍，半导体器件的特征尺寸大约每三年缩小两倍。
如上文所讲，芯片的性能受晶体管密度影响，同样面积下晶体管越多，即晶体管线宽越小，芯片性能越强。我们日常听到的几纳米工艺，其中的纳米即代表的相应光刻工艺能加工出的晶体管线宽。
那如何才能提高线宽呢？这里就涉及到了一个重要的光学公式——瑞利公式RayleighCriterion。
瑞利公式
其中，R代表的是最小的半角分辨率；K是与经验相关的常数，一般由光刻工艺决定，比如光刻胶和掩模图形形状；λ表示入射光波长；NA表示曝光系统的数值孔径，NA的数值多在0.25-1.35之间。
光刻机想要缩小晶体管线宽，即是需要提高光刻分辨率，即公式中的R值要足够低，这就意味着要降低波长（即降低λ值）、提高工艺水平（即降低k值）、提高曝光系统的数值孔径（即提高NA值）。过去几十年，行业的普遍做法是降低波长（降低λ值），即研发出可用于光刻机的更短波长的光源。
光谱
可以说，过去几十年，光刻机的光源就是从红外线的最右侧不停无限接近紫外线最左侧的过程。今天所谓的EUV极紫外光刻机，使用的即是紫外线波段最左侧的光谱。
在《光刻机之战》一文中也详细的描述了这一进程：90年代前半期，光刻开始使用波长nmi-line，后半期开始使用nm的KrF激光；其中，00年代光刻开始使用nm波长的DUV激光（即因为难度而变得著名的ArF准分子激光）。
光刻技术发展历程及趋势
光刻机初登场时，光源采用波长为mn的高压汞灯g-line，NA数值为0.28一0.30。90年代前半期，光刻开始使用波长nmi-line，NA数值为0.50一0.55，以存储芯片为例，主要用于16MibtDRAM制造工艺。90年代后半期，开始使用nm的KrF激光，NA数值为0.60左右，以存储芯片为例，主要用于64MibtDRAM、MibtDRAM制造工艺。00年代光刻开始使用nm波长的DUV激光（即因为难度而变得著名的ArF准分子激光）。
目前常在新闻中出现的EUV则是极紫外线，其波长达到了13.5nm。根据知乎作者ArtoriasPhD的介绍，这里还有一个有意思的题外话，之所以从nm、nm、nm，跳过了进度条上的nm，直接到了13.5nm波长的EUV，一个主要的原因即是nm会被大部分的透镜吸收，发热严重会导致镜面发生形变，无法准确反射和对焦，当时曾考虑用用萤石氟化钙来做透镜，但成本巨高且只有佳能掌握一些小型萤石透镜的制造技术，几年之后终于放弃。
2、使用低波长的光源
典型的光刻机系统结构如上图所示，包括了以下四个部分：光源；照明系统；投影光学系统；工作台。
一般来说，由光源发出的光波，经由照明系统的多层薄膜反射镜投射到反射掩模上，反射出的光波再通过面反射镜光学微缩投影系统，将反射掩模上的集成电路几何图形投影成像到硅片上的抗蚀剂中，形成集成电路所需要的光刻图形。
使用低波长的光源，不仅会带来照明系统、投影光学系统、工作台的变化，也会对材料等带来新挑战。
我们以当下