近兩年，中國芯片產(chǎn)業(yè)受到了嚴(yán)重打擊，痛定思痛之余也讓國人意識到芯片自主研發(fā)的重要性。從2008年以來，十年間，芯片都是我國第一大宗進口商品，進口額遠(yuǎn)超于排名第二的石油。2018年我國進口集成電路數(shù)量為4175.7億個，集成電路進口額為3120.58億美元，這組數(shù)據(jù)清晰的反映出我國中高端芯片技術(shù)能力的缺失及對外依賴的嚴(yán)重程度。
我國生產(chǎn)芯片的技術(shù)水平與國外先進企業(yè)相比存在較大的差距，且生產(chǎn)芯片的工具及工藝也被國外幾個公司壟斷。其中光刻機，被譽為人類20世紀(jì)的發(fā)明奇跡之一，是集成電路產(chǎn)業(yè)皇冠上的明珠，研發(fā)的技術(shù)門檻和資金門檻非常高。當(dāng)今能夠制造出光刻機的國家僅有荷蘭、美國、日本等少數(shù)幾個國家，荷蘭的ASML是該領(lǐng)域絕對的龍頭老大，它的光刻機占據(jù)全球市場的80%左右。
光刻機用途廣泛，除了前端光刻機之外，還有用于LED制造領(lǐng)域投影光刻機和用于芯片封裝的后道光刻機，在此只介紹前端光刻機。
1.背景技術(shù)及工作原理
光刻（lithography）設(shè)備是一種投影曝光系統(tǒng)，由紫外光源、光學(xué)鏡片、對準(zhǔn)系統(tǒng)等部件組裝而成。在半導(dǎo)體制作過程中，光刻設(shè)備會投射光束，穿過印著圖案的光掩膜版及光學(xué)鏡片，將線路圖曝光在帶有光感涂層的硅晶圓上。通過蝕刻曝光或未受曝光的部份來形成溝槽，然后再進行沉積、蝕刻、摻雜，架構(gòu)出不同材質(zhì)的線路。
此工藝過程被一再重復(fù)，將數(shù)十億計的MOSFET或其他晶體管建構(gòu)在硅晶圓上，形成一般所稱的集成電路。
光刻工藝在整個芯片制造過程中至關(guān)重要，其決定了半導(dǎo)體線路納米級的加工度，對于光刻機的技術(shù)要求十分苛刻，對誤差及穩(wěn)定性的要求型極高，相關(guān)部件需要集成材料、光學(xué)、機電等領(lǐng)域最尖端的技術(shù)。因而光刻機的分辨率、精度也成為其性能的評價指數(shù)，直接影響到芯片的工藝精度以及芯片功耗、性能水平。
因此光刻機是集成電路制造中最龐大、最精密復(fù)雜、難度最大、價格最昂貴的設(shè)備。
光刻機的分辨率決定了IC的最小線寬。想要提高光刻機的成像分辨率,通常采用縮短曝光光源波長和增大投影物鏡數(shù)值孔徑兩種方法。
根據(jù)所述光源的改進，光刻機經(jīng)歷了第一代是436nm g-line；第二代是365nm i-line；第三代是248nm KrF；第四代193nm ArF；最新的是13.5nm EUV。
其中，193nm ArF也被稱為深紫外光源。使用193nmArF光源的干法光刻機，其光刻工藝節(jié)點可達(dá)45/40nm，由于當(dāng)時光源波長難以進一步突破，因此業(yè)界采用了浸沒技術(shù)等效縮小光源波長（193nm變化為134nm）的同時在液體中鏡頭的數(shù)值孔徑得以提高（0.50-0.93變化為0.85-1.35）、且應(yīng)用光學(xué)鄰近效應(yīng)矯正（OPC）等技術(shù)后，193nm ARF干法光刻極限工藝節(jié)點可達(dá)28nm。
到了28nm工藝節(jié)點之后，單次曝光圖形間距已經(jīng)無法進一步提升，業(yè)界開始采用Multiple patterning（多次曝光和刻蝕）的技術(shù)來提高圖形密度但由此引入的掩膜使得生產(chǎn)工序增加，導(dǎo)致成本大幅上升，且良率問題也如影隨行。
據(jù)悉，業(yè)內(nèi)巨頭臺積電及英特爾的7nm工藝仍然在使用浸入式ArF的光刻設(shè)備，但沉浸式光刻終于7nm之后的下一代工藝節(jié)點，難以再次發(fā)展，EUV成為了解決這一問題的關(guān)鍵，目前EUV光刻機光源主要采用的辦法是將準(zhǔn)分子激光照射在錫等靶材上，激發(fā)出13.5nm的光子，作為光刻機光源。
各大Foundry廠在7nm以下的最高端工藝上都會采用EUV光刻機，其中三星在7nm節(jié)點上就已經(jīng)采用了。而目前只有荷蘭ASML一家能夠提供可供量產(chǎn)用的EUV光刻機，國內(nèi)的光刻機技術(shù)從20世紀(jì)70年代開始就先后有清華大學(xué)精密儀器系、中科學(xué)院光電技術(shù)研究所、中電科45所投入研制，目前國內(nèi)廠商只有上海微電子（SMEE）及中國電科（CETC）旗下的電科裝備，其中SMEE目前量產(chǎn)的性能最好的為90nm(193 ArF)光刻機與國際水平相差較大。
另一方面投影物鏡是光刻機中最昂貴最復(fù)雜的部件之一，提高光刻機分辨率的關(guān)鍵是增大投影物鏡的數(shù)值孔徑。隨著光刻分辨率和套刻精度的提高，投影物鏡的像差和雜散光對成像質(zhì)量的影響越來越突出。浸沒式物鏡的軸向像差，如球差和場曲較干式物鏡增大了n倍，在引入偏振光照明后，投影物鏡的偏振控制性能變得更加重要。在數(shù)值孔徑不斷增大的情況，如何保持視場大小及偏振控制性能，并嚴(yán)格控制像差和雜散光，是設(shè)計投影物鏡面臨的難題。
傳統(tǒng)光刻機的投影物鏡多采用全折射式設(shè)計方案，即物鏡全部由旋轉(zhuǎn)對準(zhǔn)裝校的透射光學(xué)元件組成。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)相對簡單，易于加工與裝校，局部雜散光較少。然而，大數(shù)值孔徑全折射式物鏡的設(shè)計非常困難。
為了校正場曲，必須使用大尺寸的正透鏡和小尺寸的負(fù)透鏡以滿足佩茨瓦爾條件，即投影物鏡各光學(xué)表面的佩茨瓦爾數(shù)為零。透鏡尺寸的增加將消耗更多的透鏡材料，大大提高物鏡的成本；而小尺寸的負(fù)透鏡使控制像差困難重重。
為了實現(xiàn)更大的數(shù)值孔徑，近年來設(shè)計者普遍采用折反式設(shè)計方案。折反式投影物鏡由透鏡和反射鏡組成。反射鏡的佩茨瓦爾數(shù)為負(fù)，不再依靠增加正透鏡的尺寸來滿足佩茨瓦爾條件，使投影物鏡在一定尺寸范圍內(nèi)獲得更大的數(shù)值孔徑成為可能。
數(shù)值孔徑是光學(xué)鏡頭的一個重要指標(biāo)產(chǎn)業(yè)化的光刻物鏡工作波長經(jīng)歷了436nmG線，365nm線,248nmKRF,193nmArF和13.5nm極紫外，相應(yīng)的物鏡設(shè)計也在不斷的提高數(shù)值孔徑。
以現(xiàn)在世界主流的光刻機深紫外浸入式光刻機紫外光線來說要想達(dá)到22納米的水平，那么物鏡的數(shù)值口徑要達(dá)到1.35以上，要達(dá)到這個口徑很難，因為要加工亞納米精度的大口徑的鏡片，用到的最大口徑的鏡片達(dá)到了400毫米。目前只有德國的光學(xué)公司可以達(dá)到，另外日本尼康通過購買德國的技術(shù)也可以達(dá)到。
雖然目前國內(nèi)國防科大精密工程團隊自主研制的磁流變和離子束兩種超精拋光裝備，實現(xiàn)了光學(xué)零件加工的納米精度，但浸沒式光刻物鏡異常復(fù)雜，涵蓋了光學(xué)、機械、計算機、電子學(xué)等多個學(xué)科領(lǐng)域最前沿，二十余枚鏡片的初始結(jié)構(gòu)設(shè)計難度極大——不僅要控制物鏡波像差，更要全面控制物鏡系統(tǒng)的偏振像差。因此，在現(xiàn)階段國內(nèi)物鏡也無法完全替代進口產(chǎn)品。
2.專利分析
從國內(nèi)外市場格局來看，ASML占據(jù)了全球主要的市場份額，而日本尼康其先進光刻機由于性能問題并未受到半導(dǎo)體制造商的青睞，目前主要經(jīng)營為面板光刻機；佳能保留低端半導(dǎo)體i-line和Kr-F光刻機，退出了高端光刻機的角逐，從2019年ASML和尼康的財報可以進一步看出。
根據(jù)ASML的2019年第一季度財報，雖然其較2018年第四季度收益有所下降，但仍然有16.89億歐元的營收，其中ArF Dry占據(jù)4%，KrF占據(jù)9%；i-line占據(jù)2%；Metrology&inspection占據(jù)3%；EUV占據(jù)22%；ArF Immersion占據(jù)60%。而尼康2019年財報，半導(dǎo)體光刻業(yè)務(wù)臨時利潤為15億日元，約為9105萬人民幣，與ASML相距甚遠(yuǎn)。
國內(nèi)光刻機雖與ASML相距甚遠(yuǎn)，但在曝光系統(tǒng)及雙工作臺系統(tǒng)也取得了一些成就：如2017年中科院院長春光精密機械與物理研究所牽頭研發(fā)“極紫外光刻關(guān)鍵技術(shù)”通過驗收；北京華卓荊軻科技股份有限公司成功打破了ASML在工作臺上的技術(shù)壟斷。
通過incopat工具對光刻機相關(guān)專利進行檢索分析，得到該領(lǐng)域2000年至今的年申請趨勢圖，重點申請人申請數(shù)量排名，EUV光刻機重點申請人申請數(shù)量排名。
圖1光刻機全球申請量趨勢
數(shù)據(jù)來源：incopat，2000-2018年
從圖1可以看出，2000-2004年迎來了光刻機專利申請的第一次快速增長，這一時期Intel、VIA及IBM等企業(yè)設(shè)計的半導(dǎo)體芯片性能快速提升，對半導(dǎo)體制程提出了越來越高的要求，光刻機技術(shù)不斷提升，使得申請量也隨之攀升。
而在光刻機研發(fā)到193nm時遇到瓶頸，ASML聯(lián)手多家芯片巨頭將193浸潤式光科技樹延伸至15nm，在此期間專利申請量下滑，但沉浸式光刻在7nm之后難以發(fā)展，EUV光刻機成為了解決這一問題的關(guān)鍵，因此近些年光刻機的相關(guān)技術(shù)專利申請呈現(xiàn)在此增長的趨勢。
圖2光刻機專利申請地域分布圖
數(shù)據(jù)來源：incopat，2000-2018年
從地域分布來看，在光刻機領(lǐng)域，日本的專利申請量最多，日本企業(yè)除了在本國大量布局之外，比較重視在美國、韓國、中國臺灣和中國大陸的專利布局，說明日本作為傳統(tǒng)的光刻機領(lǐng)頭羊，在中低端光刻機的研發(fā)投入了大量精力，布局了大量相關(guān)專利，其在中低端光刻技術(shù)上的實力雄厚。但在高端光刻機領(lǐng)域，日本技術(shù)仍有待提升。與之相比，中國相關(guān)專利申請量較少，說明光刻機技術(shù)門檻高，且國內(nèi)沒有過多的技術(shù)積累，發(fā)展較慢。
圖3左圖為光刻機重點申請人申請量排名;右圖為EUV重點申請人申請量排名
數(shù)據(jù)來源：incopat，2008-2018年
圖3為近幾年關(guān)于EUV專利重點申請人排名與光刻機重點申請人申請排名比較，其中關(guān)于EUV光刻機重點申請人申請數(shù)量，ASML位列第二名，排名第一的光學(xué)儀器企業(yè)卡爾蔡司（Carl Zeiss）及排名較為靠前的海力士及三星均為ASML的合作伙伴，日本尼康及佳能分別位列第四及第六位。
對比光刻機重點申請人專利申請數(shù)量及EUV光刻機重點申請人專利申請數(shù)量，不難看出日本佳能及尼康在EUV光刻機研究上已經(jīng)與ASML拉開較大差距，逐漸退出高端光刻機額角逐，究其原因為：
（1）ASML無上下游企業(yè)，專注研發(fā)，且核心技術(shù)絕對保密；
（2）ASML的特殊規(guī)定：想獲得ASML光刻機的優(yōu)先使用權(quán)的企業(yè)，需入股ASML，臺積電，三星，英特爾，海力士紛紛入股，以尋求互惠互利。如在光刻機進入193nm節(jié)點時，ASML與臺積電聯(lián)合開發(fā)的浸潤式光刻機是奠定ASML絕對霸主的關(guān)鍵一步。
（3）ASML每年將營業(yè)額的15%用于研發(fā)，高額的研發(fā)費用，讓尼康和佳能望而卻步，逐步退出高端光刻機的角逐。
3.結(jié)論
光刻機在芯片制造過程中起著至關(guān)重要的作用，隨著器件特征尺寸的不斷縮小，對光刻機的精度要求越來越高，作為芯片制造業(yè)巨頭：三星、臺積電、因特爾已紛紛入股ASML，以謀求其高端光刻設(shè)備共同開發(fā)與優(yōu)先采購權(quán)，國內(nèi)光刻機領(lǐng)域雖然取得一些進展，但仍然與國際水平差距巨大，僅僅依靠進口，國內(nèi)的芯片制造行業(yè)勢必受制于人，加快光刻機的研制步伐，刻不容緩。
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● 作者：超凡知識產(chǎn)權(quán)數(shù)據(jù)與咨詢事業(yè)部檢索分析師 王輝