近兩年，中國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)受到了嚴(yán)重打擊，痛定思痛之余也讓國(guó)人意識(shí)到芯片自主研發(fā)的重要性。從2008年以來(lái)，十年間，芯片都是我國(guó)第一大宗進(jìn)口商品，進(jìn)口額遠(yuǎn)超于排名第二的石油。2018年我國(guó)進(jìn)口集成電路數(shù)量為4175.7億個(gè)，集成電路進(jìn)口額為3120.58億美元，這組數(shù)據(jù)清晰的反映出我國(guó)中高端芯片技術(shù)能力的缺失及對(duì)外依賴(lài)的嚴(yán)重程度。

我國(guó)生產(chǎn)芯片的技術(shù)水平與國(guó)外先進(jìn)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(guó)外幾個(gè)公司壟斷。其中***，被譽(yù)為人類(lèi)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(mén)檻和資金門(mén)檻非常高。當(dāng)今能夠制造出***的國(guó)家僅有荷蘭、美國(guó)、日本等少數(shù)幾個(gè)國(guó)家，荷蘭的ASML是該領(lǐng)域絕對(duì)的龍頭老大，它的***占據(jù)全球市場(chǎng)的80%左右。

***用途廣泛，除了前端***之外，還有用于LED制造領(lǐng)域投影***和用于芯片封裝的后道***，在此只介紹前端***。

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(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)等部件組裝而成。在半導(dǎo)體制作過(guò)程中，光刻設(shè)備會(huì)投射光束，穿過(guò)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(guò)蝕刻曝光或未受曝光的部份來(lái)形成溝槽，然后再進(jìn)行沉積、蝕刻、摻雜，架構(gòu)出不同材質(zhì)的線路。

此工藝過(guò)程被一再重復(fù)，將數(shù)十億計(jì)的MOSFET或其他晶體管建構(gòu)在硅晶圓上，形成一般所稱(chēng)的集成電路。

光刻工藝在整個(gè)芯片制造過(guò)程中至關(guān)重要，其決定了半導(dǎo)體線路納米級(jí)的加工度，對(duì)于***的技術(shù)要求十分苛刻，對(duì)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(jī)電等領(lǐng)域最尖端的技術(shù)。因而***的分辨率、精度也成為其性能的評(píng)價(jià)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***是集成電路制造中最龐大、最精密復(fù)雜、難度最大、價(jià)格最昂貴的設(shè)備。

***的分辨率決定了IC的最小線寬。想要提高***的成像分辨率,通常采用縮短曝光光源波長(zhǎng)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(jìn)，***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(chēng)為深紫外光源。使用193nmArF光源的干法***，其光刻工藝節(jié)點(diǎn)可達(dá)45/40nm，由于當(dāng)時(shí)光源波長(zhǎng)難以進(jìn)一步突破，因此業(yè)界采用了浸沒(méi)技術(shù)等效縮小光源波長(zhǎng)（193nm變化為134nm）的同時(shí)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(diǎn)可達(dá)28nm。

到了28nm工藝節(jié)點(diǎn)之后，單次曝光圖形間距已經(jīng)無(wú)法進(jìn)一步提升，業(yè)界開(kāi)始采用Multiple patterning（多次曝光和刻蝕）的技術(shù)來(lái)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(wèn)題也如影隨行。

據(jù)悉，業(yè)內(nèi)巨頭臺(tái)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(diǎn)，難以再次發(fā)展，EUV成為了解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵，目前EUV***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***光源。

各大Foundry廠在7nm以下的最高端工藝上都會(huì)采用EUV***，其中三星在7nm節(jié)點(diǎn)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***，國(guó)內(nèi)的***技術(shù)從20世紀(jì)70年代開(kāi)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(guó)內(nèi)廠商只有上海微電子（SMEE）及中國(guó)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)***與國(guó)際水平相差較大。

另一方面投影物鏡是***中最昂貴最復(fù)雜的部件之一，提高***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(duì)成像質(zhì)量的影響越來(lái)越突出。浸沒(méi)式物鏡的軸向像差，如球差和場(chǎng)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(chǎng)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(jì)投影物鏡面臨的難題。

傳統(tǒng)***的投影物鏡多采用全折射式設(shè)計(jì)方案，即物鏡全部由旋轉(zhuǎn)對(duì)準(zhǔn)裝校的透射光學(xué)元件組成。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)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(jì)非常困難。

為了校正場(chǎng)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(shí)現(xiàn)更大的數(shù)值孔徑，近年來(lái)設(shè)計(jì)者普遍采用折反式設(shè)計(jì)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(lái)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(gè)重要指標(biāo)產(chǎn)業(yè)化的光刻物鏡工作波長(zhǎng)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(jì)也在不斷的提高數(shù)值孔徑。

以現(xiàn)在世界主流的***深紫外浸入式***紫外光線來(lái)說(shuō)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(gè)口徑很難，因?yàn)橐庸喖{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(guó)的光學(xué)公司可以達(dá)到，另外日本尼康通過(guò)購(gòu)買(mǎi)德國(guó)的技術(shù)也可以達(dá)到。

雖然目前國(guó)內(nèi)國(guó)防科大精密工程團(tuán)隊(duì)自主研制的磁流變和離子束兩種超精拋光裝備，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)零件加工的納米精度，但浸沒(méi)式光刻物鏡異常復(fù)雜，涵蓋了光學(xué)、機(jī)械、計(jì)算機(jī)、電子學(xué)等多個(gè)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(jì)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(guó)內(nèi)物鏡也無(wú)法完全替代進(jìn)口產(chǎn)品。

2.專(zhuān)利分析

從國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)格局來(lái)看，ASML占據(jù)了全球主要的市場(chǎng)份額，而日本尼康其先進(jìn)***由于性能問(wèn)題并未受到半導(dǎo)體制造商的青睞，目前主要經(jīng)營(yíng)為面板***；佳能保留低端半導(dǎo)體i-line和Kr-F***，退出了高端***的角逐，從2019年ASML和尼康的財(cái)報(bào)可以進(jìn)一步看出。

根據(jù)ASML的2019年第一季度財(cái)報(bào)，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(yíng)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(cái)報(bào)，半導(dǎo)體光刻業(yè)務(wù)臨時(shí)利潤(rùn)為15億日元，約為9105萬(wàn)人民幣，與ASML相距甚遠(yuǎn)。

國(guó)內(nèi)***雖與ASML相距甚遠(yuǎn)，但在曝光系統(tǒng)及雙工作臺(tái)系統(tǒng)也取得了一些成就：如2017年中科院院長(zhǎng)春光精密機(jī)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(guò)驗(yàn)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(tái)上的技術(shù)壟斷。

通過(guò)incopat工具對(duì)***相關(guān)專(zhuān)利進(jìn)行檢索分析，得到該領(lǐng)域2000年至今的年申請(qǐng)趨勢(shì)圖，重點(diǎn)申請(qǐng)人申請(qǐng)數(shù)量排名，EUV***重點(diǎn)申請(qǐng)人申請(qǐng)數(shù)量排名。

圖1***全球申請(qǐng)量趨勢(shì)

數(shù)據(jù)來(lái)源：incopat，2000-2018年

從圖1可以看出，2000-2004年迎來(lái)了***專(zhuān)利申請(qǐng)的第一次快速增長(zhǎng)，這一時(shí)期Intel、VIA及IBM等企業(yè)設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體芯片性能快速提升，對(duì)半導(dǎo)體制程提出了越來(lái)越高的要求，***技術(shù)不斷提升，使得申請(qǐng)量也隨之攀升。

而在***研發(fā)到193nm時(shí)遇到瓶頸，ASML聯(lián)手多家芯片巨頭將193浸潤(rùn)式光科技樹(shù)延伸至15nm，在此期間專(zhuān)利申請(qǐng)量下滑，但沉浸式光刻在7nm之后難以發(fā)展，EUV***成為了解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵，因此近些年***的相關(guān)技術(shù)專(zhuān)利申請(qǐng)呈現(xiàn)在此增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

圖2***專(zhuān)利申請(qǐng)地域分布圖

數(shù)據(jù)來(lái)源：incopat，2000-2018年

從地域分布來(lái)看，在***領(lǐng)域，日本的專(zhuān)利申請(qǐng)量最多，日本企業(yè)除了在本國(guó)大量布局之外，比較重視在美國(guó)、韓國(guó)、中國(guó)***和中國(guó)大陸的專(zhuān)利布局，說(shuō)明日本作為傳統(tǒng)的***領(lǐng)頭羊，在中低端***的研發(fā)投入了大量精力，布局了大量相關(guān)專(zhuān)利，其在中低端光刻技術(shù)上的實(shí)力雄厚。但在高端***領(lǐng)域，日本技術(shù)仍有待提升。與之相比，中國(guó)相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)量較少，說(shuō)明***技術(shù)門(mén)檻高，且國(guó)內(nèi)沒(méi)有過(guò)多的技術(shù)積累，發(fā)展較慢。

圖3左圖為***重點(diǎn)申請(qǐng)人申請(qǐng)量排名;右圖為EUV重點(diǎn)申請(qǐng)人申請(qǐng)量排名

數(shù)據(jù)來(lái)源：incopat，2008-2018年

圖3為近幾年關(guān)于EUV專(zhuān)利重點(diǎn)申請(qǐng)人排名與***重點(diǎn)申請(qǐng)人申請(qǐng)排名比較，其中關(guān)于EUV***重點(diǎn)申請(qǐng)人申請(qǐng)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(duì)比***重點(diǎn)申請(qǐng)人專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量及EUV***重點(diǎn)申請(qǐng)人專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量，不難看出日本佳能及尼康在EUV***研究上已經(jīng)與ASML拉開(kāi)較大差距，逐漸退出高端***額角逐，究其原因?yàn)椋?/p>

（1）ASML無(wú)上下游企業(yè)，專(zhuān)注研發(fā)，且核心技術(shù)絕對(duì)保密；

（2）ASML的特殊規(guī)定：想獲得ASML***的優(yōu)先使用權(quán)的企業(yè)，需入股ASML，臺(tái)積電，三星，英特爾，海力士紛紛入股，以尋求互惠互利。如在***進(jìn)入193nm節(jié)點(diǎn)時(shí)，ASML與臺(tái)積電聯(lián)合開(kāi)發(fā)的浸潤(rùn)式***是奠定ASML絕對(duì)霸主的關(guān)鍵一步。

（3）ASML每年將營(yíng)業(yè)額的15%用于研發(fā)，高額的研發(fā)費(fèi)用，讓尼康和佳能望而卻步，逐步退出高端***的角逐。

3.結(jié)論

***在芯片制造過(guò)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(duì)***的精度要求越來(lái)越高，作為芯片制造業(yè)巨頭：三星、臺(tái)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(kāi)發(fā)與優(yōu)先采購(gòu)權(quán)，國(guó)內(nèi)***領(lǐng)域雖然取得一些進(jìn)展，但仍然與國(guó)際水平差距巨大，僅僅依靠進(jìn)口，國(guó)內(nèi)的芯片制造行業(yè)勢(shì)必受制于人，加快***的研制步伐，刻不容緩。