光刻机项目可行性研究报告

1.1 全球光刻机市场被ASML、 Nikon 和Canon垄断，而ASML几乎垄断高端光刻机市场

目前全球光刻机市场基本由ASML（荷兰）、Nikon（日本）和Canon（日本）三家包揽，其中高端光刻机更是由ASML垄断，ASML是全球唯一一家具备EUV设备生产能力的光刻机厂商。Canon主要提供低端光刻机产品。2022年三者的集成电路用光刻机出货量达到551台，较21年的478台增加73台，涨幅15%；从EUV、ArFi、ArF三个高端机型的出货来看，2022年共出货157台，较2021年的152台增长3.3%，其中ASML出货149台，较2021年增加4台，占据95%市场份额；Nikon出货8台，占据剩余5%的市场份额。

1.2全球光刻机市场被ASML、 Nikon 和Canon垄断，而ASML在高端光刻机又占据很大份额

1.2 光刻：曝光技术将掩模版上设计好的电路图转移到硅片上

定义：为了将掩模版上的设计线路图形转移到硅片上，首先需要通过光刻来实现转移，然后再通过刻蚀工艺得到硅图形。由于光刻工艺区的照明采用的是感光材料不敏感的黄色光源，因此又称为黄光区。
光刻工艺的具体步骤：

1）底膜准备：主要是清洗和脱水，由于污染物会影响光刻胶与硅片之间的附着力，所以彻
底的清洗可以提升硅片与光刻胶的粘附性

2）涂光刻胶:通过旋转硅片的方式实现，不同的光刻胶要求不同的涂胶工艺参数，包括旋转速度、胶厚度和温度等

3)前烘：通过烘烤可以提高光刻胶与硅片的粘附性，以及光刻胶厚度的均匀性，以利于后续刻蚀工艺的集合尺寸的精密控制

4）对准和曝光（Alignment and Exposure）：光刻工艺的关键环节，指将掩模版图形与硅片已有图形（或前层图形）对准，然后用特定的光照射，光激活光刻胶中的光敏成分，从而将掩模版图形转移到光刻胶上

5）曝光后烘（Post Exposure Bake）：曝光后的短时间烘焙处理，其作用在与深紫外光刻胶和常规i线光刻胶中的作用有所不同，对于深紫外光刻胶，曝光及后烘去除了光刻胶中的保护成分，使得光刻胶能溶解于显影液，因此曝光后烘是必须的；对于常规的i线光刻胶，后烘可以提高光刻胶的黏附性并减少驻波

6）显影（Development）：用显影液溶解曝光后的光刻胶可溶解部分，将掩模版图形用光刻胶准确地显现出来

7）坚膜（Hard Bake）：将显影后的光刻胶中剩余的溶剂、显影液、水及其他不必要的残留成分通过加热蒸发去除，以提高光刻胶与硅衬底的粘附性及光刻胶的抗刻蚀能力

8）显影检测（After Development Inspection）：检查显影后光刻胶图形的缺陷，一般使用图像识别技术，自动扫描显影守的芯片图形，与预存的无缺陷标准图形对比，若发现不同之处，视为存在缺陷，当缺陷超过一定数量则对该硅片进行报废或者返工

1.3 光刻机可以分为无掩膜和有掩膜光刻机，其中有掩膜光刻机中的投影式光刻机是主流

无掩膜光刻机（直写光刻机）：灵活性高，可柔性制造集成电路，但是生产效率低，一般用于集成电路器件原型和研制试验制作、光刻掩模版的制作等

1）电子束直写光刻机：主要用于高分辨率掩模版、集成电路原型验证芯片的制造，以及特种器件的小批量制造

2）激光直写光刻机：要用于特定小批量芯片的制造

3）离子束直写光刻机

有掩膜光刻机：适用于集成电路的大规模制造

1）接触式光刻机：掩模版与光刻胶直接接触，衍射效应小，分辨率高，但是相互接触会对二者都造成损伤，从而引起较高的缺陷密度和较低的成品率

2）接近式光刻机：掩模版与光刻胶之间有一定间隙，这种曝光技术解决了缺陷问题，但是衍射效应明显使其分辨率降低

3）投影式光刻机：在掩模版和光刻胶之间采用了具有缩小倍率的投影成像物镜，可以有效提升分辨率，也没有接触式曝光的缺陷问题，是目前最主要的曝光方法

1.4 光刻技术的发展：瑞利公式是核心

衡量光刻技术等级和经济性的主要指标是：分辨率（Resolution）、套刻精度（Overlay）和产出率（Production）。
分辨率：指光刻机能够把掩模版上的电路图形在衬底面光刻胶上转印的最小极限特征尺寸（Critical Demision， CD）。
套刻精度：指以上一层图形的位置（或者特定的参考位置）为参考，本层图形预定的期望位置和实际转印位置之间的偏差；
产出率：光刻机的产出率决定了光刻机的经济性能，单位通常是光刻机每小时（或每天）处理的衬底片的数量，WPH orWPD
瑞利准则：R = 1 ∗ ，R表示分辨率，表示光源波长，表示光学器件的数值孔径，1为仅与光刻系统相关的因子，ASML认为其物理极限是1 = 0.25，所以当前光刻机的技术路线主要从两个方面来提高分辨率：1、缩短光源波长：光源从g线发展到当前的EUV，波长由436nm缩短至13.5nm；2、增大数值孔径NA：一方面，通过浸液改变折射率，另一方面，通过光学设计改变孔径角（N = ,n表示折射率，表示孔径角），浸没式光刻技术就是通过改变来使得N增大（空气中， = 1，水中 = 1.436）

1.5 光刻机经历5代产品发展，每次改进和创新都显著提升了光刻机能实现的最小工艺节点

1. 接触/接近式光刻机最早用于集成电路的大规模制造，20世纪60年代初开始应用。
2. 投影光刻机自20世纪70年代中后期开始替代接触/接近式光刻机，投影式光刻是将掩模版上的电路图形通过一个投影物镜成像，曝光衬底上的光刻胶，从而将图形转印、记录在光刻胶上。早期的投影光刻机的掩模版和衬底图形尺寸比例为1:1，通过扫描方式完成整个衬底的曝光过程。随着集成电路特征尺寸的不断缩小和衬底尺寸的增大，缩小倍率的步进重复光刻机问世，替代了图形比例1：1的扫描光刻方式。当集成电路图形特征尺寸小于0.25时，集成电路的集成度进一步提高，芯片面积更大，要求一次曝光的面积增大，促使更为先进的步进扫描光刻机问世。
3. 步进扫描投影光刻机诞生于20世纪90年代，通过配置不同的曝光光源（如i线，KrF，ArF），步进扫描技术可以支撑不同的工艺技术节点，从365nm、248nm、193nm、193nm浸没式，直至EUV光刻。典型的CMOS工艺，从0.18mm节点开始便大量使用步进扫描光刻机，目前7nm以下使用的极紫外光刻机（EUV）也使用步进扫描方式
4. 浸没式光刻机：瑞利公式表明，在曝光波长不变的情况下，进一步提高成像分辨率的有效方法时增大成像系统的数值孔径。对于45nm（半节距）以下及更高成像分辨率，采用ArF干法曝光方式已经无法满足要求（其最大支持65nm成像分辨率），故需要引入浸没式光刻方法，通过将镜头像方下表面与硅片上表面重码液体（通常是折射率为1.44的超纯水），从而提高了成像系统的有效数值孔径（NA=1.35）。浸没式光刻机仍然属于步进扫描式光刻机，由于引入了浸没相关的关键技术，所以它属于ArF步进扫描光刻机的改型与拓展，它提高了步进扫描光刻机的成像分辨能力，可以支撑45nm以下成像分辨率（最小分辨率38nm）的工
艺要求，结合多重图形和计算光刻技术，浸没式光刻机得以在22nm及以下工艺节点应用，现在可以支撑7nm工艺节点，有效解决了EUV光刻机成熟前集成电路工艺的发展问题。(多重图形技术：为了实现高密度周期图形工艺，需要将一次曝光分为多次，即通过大周期小线宽掩膜图形，采用两次光刻工艺实现小周期小线宽图形的制备

5. EUV光刻机：为了提高分辨率，引入波长为10-14nm的极紫外光作为曝光光源，相较于浸没式光刻机，EUV光刻机的单次曝光分辨率得到大幅提升，并且有效避免因多次光刻刻蚀形成高分辨率图形所需要的图案。