光刻机

       光刻机可以分为步进投影光刻机和扫描投影光刻机两种，主要性能指标有：支持基片的尺寸范围、分辨率、对准精度、曝光方式、光源波长、光强均匀性、生产效率等。

       半导体芯片（也称为集成电路，Integrated Circuit, IC）生产主要分为 IC 设计、 IC 制造、 IC 封测三大环节。 IC 设计主要根据芯片的设计目的进行逻辑设计和规则制定，并根据设计图制作掩模以供后续光刻步骤使用。 IC 制造实现芯片电路图从掩模上转移至硅片上，并实现目标芯片功能，包括化学机械研磨、薄膜沉积、光刻、刻蚀、离子注入等步骤。 IC 封测完成对芯片的封装和性能、功能测试，是产品交付前的最后工序。

       光刻是半导体芯片生产流程中最复杂、最关键的工艺步骤，耗时长、成本高。半导体芯片生产的难点和关键点在于如何在硅片上制作出目标电路图样，这一过程通过光刻来实现，光刻的工艺水平直接决定芯片的制程水平和性能水平。一般芯片在生产中需要进行 20-30 次的光刻，耗时占到 IC 生产环节的 50%左右，占芯片生产成本的1/3。

工作原理

       在诸如硅片的基底表面覆盖一层具有高度光敏感性的光刻胶，再用特定光（一般是紫外光、深紫外光、极紫外光）透过包含目标图案信息的掩模版照射在基底表面，被光线照射到的光刻胶会发生反应，因此，在显影后被照到的区域会产生与未被照到的区域不同的效果（具体情况依赖于光刻胶的性质）。

分类

       根据用途的不同，可以分为用于生产芯片、用于封装和用于LED制造等。

       根据光源的不同，可分为紫外光源（UV）、深紫外光源(DUV)、极紫外光源（EUV），光源的波长影响光刻机的工艺。

       极紫外光刻机，选取了新的方案来进一步提供更短波长的光源。目前主要采用的办法是将准分子激光照射在锡滴液发生器上，激发出13.5nm的光子，作为光刻机光源。

       根据操作方式的不同。可分为接触式光刻、直写式光刻、投影式光刻。

       接触式光刻（Contact Printing）

       掩膜板直接与光刻胶层接触。曝光出来的图形与掩膜板上的图形分辨率相当，设备简单。根据施加力量的方式，接触式又分为：软接触，硬接触和真空接触。

       1a.软接触就是把基片通过托盘吸附住（类似于匀胶机的基片放置方式），掩膜盖在基片上面；

       1b.硬接触是将基片通过一个气压（氮气），往上顶，使之与掩膜板接触；

       1c.真空接触是在掩膜板和基片中间抽气，使它们更加好地贴合

       特点：光刻胶污染掩膜板；掩膜板容易损坏，使用寿命很短（只能使用5～25次）；容易出现累积缺陷。

       接近式光刻（Proximity Printing）

       掩膜板与光刻胶基底层保留一个微小的缝隙（Gap），大约为2.5～25 μm。可以有效避免与光刻胶直接接触而引起的掩膜板损伤，使掩膜和光刻胶基底能耐久使用；掩膜寿命长（可提高10倍以上），图形缺陷少。接近式在现代光刻工艺中应用最为广泛。

       投影式光刻（Projection Printing）

       类似于胶片摄影，通过按下“快门”，光线通过镜头投射到胶卷上并曝光。之后通过“洗照片”，即将胶卷在显影液中浸泡，得到图像。投影式光刻因其高效率、无损伤的优点，是集成电路主流光刻技术。

       3a.扫描投影光刻（Scanning Project Printing）

       70年代末～80年代初开始研究。这种光刻机中掩膜版与图案的大小是1:1，即掩膜版上的尺寸与光刻胶上的图案尺寸相同。之所以称之为扫描，是因为光是透过一条细长的狭缝射在基底上，一般是一次曝光数行，基底需要挪动位置，使光能将所有的区域都曝光。

       特点:工艺节点为180 nm-130 nm，掩膜板1:1，全尺寸曝光。

       3b.步进重复投影光刻（Stepping-repeating Project Printing或称作Stepper）

       80年代末～90年代开始研究，使用透镜系统将掩模上的图案在小面积上逐个投影到基底上。每次曝光一个小区域后，基底会移动到下一个位置，直到整个基片都被曝光。一个曝光区域就是一个“shot”。因为它是通过透镜系统投影，一般使用365nm紫外光时使用的是5倍版，即掩膜版上图形尺寸是实际光刻胶上的尺寸的5倍，所以在掩膜板上可以设计更复杂的图形，但是增加了棱镜系统的制作难度。

       3c.扫描步进投影光刻（Scanning-Stepping Project Printing或称作Scanner）

       90年代末至今，在高端的半导体制造中一般会用到此种机型，用于≤0.18 μm工艺。在曝光过程中，掩膜版在一个方向上移动，同时晶圆在与其垂直的方向上同步移动。

       特点：增大了每次曝光的视场；提供硅片表面不平整的补偿；提高整个硅片的尺寸均匀性。但是，同时因为需要反向运动，增加了机械系统的精度要求，Scanner通常比其他曝光机具有更高的生产效率，设计和制造都非常复杂，Scanner的购买和维护成本都很高。

       高精度双面光刻

       主要用于中小规模集成电路、半导体元器件、光电子器件、声表面波器件、薄膜电路、电力电子器件的研制和生产。

       双面光刻机包括运动控制系统、图像处理系统、系统软件、数据I/O处理控制单元。

       高精度单面光刻

       针对各大专院校、企业及科研单位，对光刻机使用特性研发的一种高精度光刻机，中小规模集成电路、半导体元器件、光电子器件、声表面波器件的研制和生产。

高精度对准工作台、双目分离视场CCD显微显示系统、曝光头、气动系统、真空管路系统、直联式无油真空泵、防震工作台和附件箱等组成。

       解决非圆形基片、碎片和底面不平的基片造成的版片分离不开所引起的版片无法对准的问题。

光刻胶

       光刻胶是聚合物和一些化合物的混合物，在化合物中最重要的是一种光致酸产生剂（Photo Acid Generator, PAG）。当光子打到PAG上，会产生一种酸，这种酸会与聚合物发生反应，将聚合物分解，这样聚合物就会被显影液(developer)溶解。

       光刻胶通常分为两种，正胶和负胶。

       正性光刻胶（正胶，positive photoresist）：曝光部分溶于显影液，而未曝光部分不溶于显影液，显影后衬底上剩余的光刻胶图形与掩膜板上的目标图形相同。

       负性光刻胶（负胶，negative photoresist）：曝光部分不溶于显影液，而未曝光部分溶于显影液，显影后衬底上剩余的光刻胶图形与掩膜板上的目标图形为互补关系。

       因此，对于正胶来说，光刻完成后对没有光刻胶保护的基底部分进行刻蚀，最后洗去剩余光刻胶，就实现了半导体器件在基底表面的一步构建过程。

光刻机是干什么用的

       光刻机是半导体芯片制造过程中最关键的设备之一，其主要作用是将设计好的电路图案转移到硅片上，为后续的蚀刻、掺杂和薄膜沉积等工艺步骤提供模板。具体来说，光刻机的工作原理是通过特定的光源照射在光刻胶上，利用光刻胶的光敏化作用，精确地将光刻胶上的图案转移到硅片上。这一过程需要极高的精度和技术要求，因为任何微小的误差都可能导致整个微电子器件的失效。

       光刻机在微电子制造领域发挥着至关重要的作用，具体体现在以下几个方面：

       1、图案转移：光刻机能够高精度地将设计好的电路图案从掩膜转移到硅片上，形成微小的电子元件、导线和其他结构。

       2、提高集成度：随着科技的发展，人们对芯片集成度的要求越来越高。光刻机凭借其高精度的图案转移能力，可以制造出非常小的图案和结构，从而大大提高芯片的集成度。

       3、提升性能：光刻机能够制造出非常精细的电路图案，这些精细的图案直接影响到芯片的性能。因此，光刻机在提升芯片性能和工作速度方面起着至关重要的作用。

       4、降低成本：通过实现高精度、高效率的制造过程，光刻机能够降低芯片制造的成本。传统的制造方法由于精度和效率的限制，往往需要更多的材料和工时来完成芯片的制造。而光刻机的应用则大大减少了这些不必要的浪费。

       此外，光刻机在平板显示制造、光学元件制造、太阳能光伏制造以及微机电系统制造等领域也有着广泛的应用。例如，在平板显示器制造过程中，光刻机被用来制造液晶显示器的像素结构和电路；在光学元件制造中，光刻机被用于制造镜片、衍射光栅等微细结构；在太阳能光伏制造中，光刻机用于制造太阳能电池的电路和导线；在微机电系统制造中，光刻机则用于制造微细结构和导电线路。

       综上所述，光刻机是微电子制造领域不可或缺的关键设备之一，其技术水平直接决定了芯片生产的精度和效率。随着科技的不断发展，光刻机技术也将继续创新和完善，以满足各种微细加工的需求。

光刻机是谁发明的

       光刻机的发明可以追溯到多个时期和不同的发明者，因为光刻技术经历了长期的发展和演进。以下是对光刻机发明历程的详细梳理：

早期光刻技术的探索

       1822年：法国人Joseph Nicephore Niepce（尼埃普斯）发现了一种能够刻在油纸上的印痕，并尝试将这种技术应用于玻璃片上。经过一段时间的暴晒，透光的部分会变硬，而不透光的部分可以用松香和植物油洗掉。这可以被视为光刻技术的雏形，但此时的技术还远未达到现代光刻机的水平。

光刻机技术的初步形成

       20世纪初期：光刻机技术开始逐渐成形。例如，1903年美国物理学家爱德华·威廉·哈勃发明了第一台用于复制照片和图纸的光刻机，尽管其精度有限。

       20世纪30年代：荷兰飞利浦公司开始研发光刻机，用于生产电子元件，这标志着光刻机技术在工业应用上的初步探索。

现代光刻机的诞生与发展

       20世纪50年代：随着半导体技术的兴起，光刻机在半导体制造中的重要性日益凸显。1955年，贝尔实验室的科学家实现了在硅片上用光刻加工出电子元器件的方法，这是现代光刻技术的重要里程碑。

       20世纪60年代：美国地球物理学公司（GCA）制造出了第一台重复曝光光刻机，标志着光刻机技术开始进入实用化阶段。随后，光刻机技术经历了从接触式、接近式到投影式的多次演进，精度和效率不断提高。

       1959年：荷兰飞利浦公司成功研发了第一台商用光刻机，开启了光刻机在半导体产业的大规模应用。

EUV光刻机的突破

       20世纪80年代起：随着集成电路特征尺寸的不断缩小，对光刻机的分辨率提出了更高要求。霍尔丹·约瑟夫等科学家带领团队致力于研发更先进的光刻技术。

       21世纪初：EUV（极紫外）光刻机技术取得突破，成为目前最先进的半导体制造设备之一。EUV光刻机能够实现更高的分辨率和更小的线宽，对于推动半导体产业的发展具有重要意义。

       综上所述，光刻机的发明并非一蹴而就，而是经历了长期的技术积累和多次的技术革新。从早期的简单尝试到现代高精度、高效率的光刻机，凝聚了无数科学家和工程师的智慧和汗水。在这个过程中，不同国家和地区的科研机构和企业都做出了重要贡献。

       需要注意的是，虽然无法将光刻机的发明完全归功于某一个人或某一个机构，但我们可以肯定的是，光刻机的诞生和发展是人类科技进步的重要成果之一。

生产厂家

       光刻机生产厂家众多，全球范围内以荷兰的ASML、日本的Nikon和Canon等为代表，这些企业在光刻机领域拥有领先的技术和市场份额。同时，中国也在积极推进光刻机的自主研发和生产，涌现出一批具有实力的光刻机生产厂家。

全球主要光刻机生产厂家

       1、ASML（荷兰阿斯麦）

       ASML是目前全球最大的光刻机生产商，总部位于荷兰费尔德霍芬，并在美国、日本、韩国以及中国等地设有分支机构。

       ASML拥有世界上唯一能够生产下一代极紫外线技术（EUV）设备的技术，是行业翘楚。

       2、Nikon（尼康）

       Nikon是日本著名相机制造商，在半导体制造方面也具有显著实力。

       主要生产IC晶圆板暴露装置和LCD暴露装置，在这两个领域享有较高声誉。

       3、Canon（佳能）

       Canon是另一家来自日本的跨界巨头企业，在半导体设备领域表现出色。

       主要提供半导体晶圆板暴露器、液晶显示器面板暴露器等产品，技术水平和品质得到广泛认可。

       此外，还有Ultratech、ASM International、SUSS MicroTec SE、Veeco Instruments Inc.、Rudolph Technologies, Inc.、EV Group (EVG)、SCREEN Semiconductor Solutions Co., Ltd等全球知名的光刻机生产企业。

中国光刻机生产厂家

       中国也在光刻机领域取得了显著进展，以下是一些具有代表性的中国光刻机生产厂家：

       1、上海微电子装备（集团）股份有限公司

       上海微电子是中国光刻机制造的领军企业，在光刻机研发和生产方面取得了显著进展。

       其自主研发的光刻机为国内一些芯片制造企业提供了关键支持，推动了中国芯片产业的国产化进程。

       2、其他相关企业

       中国还有许多其他企业在光刻机产业链中占据重要位置，如为光刻机提供关键部件或配套服务的企业。这些企业可能不直接生产完整的光刻机，但在光刻机产业中发挥着不可或缺的作用。

       需要注意的是，光刻机是半导体制造中的核心设备之一，其技术难度极高，需要长期的研发积累和大量的资金投入。因此，光刻机生产厂家的数量相对较少，且主要集中在少数几个技术领先的国家。随着全球半导体产业的不断发展和技术进步，未来光刻机生产厂家可能会继续增加，并涌现出更多具有创新能力的企业。

产业链

       光刻机产业链是一个复杂且精细的体系，它涉及多个环节和众多关键组件。以下是对光刻机产业链的全面梳理：

一、产业链结构

       光刻机产业链主要可以分为上游、中游和下游三个部分：

       上游：主要为材料和设备供应商，提供光刻机制造所需的关键材料和零部件。这些材料和设备包括光刻胶、电子特气、涂胶显影设备，以及激光器、掩膜板、掩膜台、遮光器等核心组件。

       中游：光刻机制造环节，是产业链的核心。光刻机制造厂商将芯片设计和掩膜制造的结果转化成实际的芯片制造工具，生产具有特定功能的光刻机设备。

       下游：应用领域，包括芯片制作、芯片封装、功率器件制造、LED、MEMS制造等。光刻机在这些领域中发挥着至关重要的作用，是实现微纳制造的关键设备。

二、关键组件与技术

       光刻机是一个高度集成化的系统，其核心部件和技术难度极高。以下是一些关键组件和技术的简要介绍：

       光源系统：通常采用紫外线激光器，发射出特定波长的紫外光。光源系统的设计和制造直接影响到光刻机的分辨率和精度。

       光学系统：负责将光源发出的紫外光聚焦并传播到晶圆表面。它主要由透镜和反射镜组成，能够精确聚焦光束并将其投射到硅片上。

       投影系统（物镜）：将掩模上的图形投影到硅片上。它包括一系列的反射镜和透镜，能够精确地调整和聚焦光线。

       掩模：将电路设计图形化，并将其投影到晶圆表面。掩模的制作过程复杂且精细，需要在微米级别的尺度上实现高精度的图形化。

       对准系统：确保掩模与硅片之间的精确对准，包括精密的传感器和机械装置。

       晶圆台：负责将晶圆固定在光刻机中，并实现晶圆的升降和旋转。

       控制系统：控制光刻机的各个部件的运动和协调，包括光源的开启和关闭、晶圆台的移动和旋转、对准系统的调整等。

三、市场与竞争格局

       市场规模：近年来，全球光刻机市场规模持续增长。据预测，2024年全球光刻机市场规模有望达到295.7亿美元（另有说法称315亿美元）。在中国，随着半导体产业的崛起，光刻机需求激增，市场规模不断扩大。

       竞争格局：全球光刻机市场呈现寡头竞争态势，荷兰ASML、日本Nikon和Canon是主要竞争者。ASML在高端市场，尤其是EUV领域占据主导地位，市场份额超过80%。国内方面，上海微电子作为领军企业，占据国内市场份额的80%以上，但仍需突破技术瓶颈以实现更高工艺节点的量产。

四、发展趋势与挑战

       技术发展趋势：随着芯片制造工艺的不断进步和微纳米级别的制造需求增加，光刻机技术将朝着更高的精度、更短的波长和更复杂的结构方向发展。EUV光刻机的出现和不断升级，使得芯片制程不断缩小，性能不断提升。

       挑战与机遇：光刻机行业面临技术门槛高、供应链依赖性强、国际竞争激烈等挑战。然而，随着国内半导体产业的快速发展，光刻机行业也迎来了前所未有的发展机遇。市场需求的激增和技术进步为行业发展提供了广阔空间，政策支持也为国产光刻机的崛起提供了有力支撑。

       综上所述，光刻机产业链是一个高度集成化、技术密集型的产业体系。随着半导体产业的不断发展和新兴需求的不断涌现，光刻机产业链将迎来更加广阔的发展前景。