光刻機(jī)是一項極為復(fù)雜的系統(tǒng)工程，由多個功能各異且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的子系統(tǒng)協(xié)同構(gòu)成，每個子系統(tǒng)都在光刻過程中發(fā)揮著不可或缺的作用。

光源系統(tǒng)是光刻機(jī)的關(guān)鍵組件，其發(fā)展經(jīng)歷了從i-line（365nm）到KrF(248nm)，再到ArF（193nm），直至如今的EUV(13.5nm)的演進(jìn)歷程。光源的波長直接決定了光刻機(jī)的工藝能力，更短的波長能夠?qū)崿F(xiàn)更高的分辨率。例如，EUV光刻機(jī)采用的13.5nm波長光源，相比傳統(tǒng)光源，可使光刻達(dá)到更小的制程節(jié)點(diǎn)。除了波長，在選擇光源時，還必須綜合考量發(fā)光強(qiáng)度（亮度）、頻率帶寬、相干性等多項參數(shù)。這些參數(shù)對于光刻過程中的曝光效果、成像質(zhì)量以及光刻的穩(wěn)定性等方面都有著重要影響。例如，高亮度的光源能夠縮短曝光時間，提高生產(chǎn)效率；而良好的相干性則有助于保證光刻圖案的精度和清晰度。

照明系統(tǒng)屬于復(fù)雜的非成像系統(tǒng)，其主要功能是為投影物鏡成像提供具有特定光線角譜和強(qiáng)度分布的照明光場。這一系統(tǒng)包含多個功能單元，如光束處理單元，負(fù)責(zé)對光源發(fā)出的光束進(jìn)行初步的處理和調(diào)整，使其滿足后續(xù)照明的要求；光瞳整形單元，通過對光束的光瞳進(jìn)行特定形狀的塑造，優(yōu)化光線的傳播和分布；能量探測單元，實(shí)時監(jiān)測照明光的能量，確保曝光過程中的能量穩(wěn)定性；光場勻化單元，保證照明光場在整個光刻區(qū)域內(nèi)的均勻性，以實(shí)現(xiàn)均勻的曝光效果；可變狹縫單元，可根據(jù)不同的光刻需求，靈活調(diào)整狹縫的寬度和形狀，控制光線的傳播路徑和范圍；中繼成像單元，將經(jīng)過處理的光線進(jìn)行中繼傳輸，保證光線的質(zhì)量和穩(wěn)定性；偏振照明單元，則利用光的偏振特性，進(jìn)一步優(yōu)化成像效果，提高光刻的分辨率和對比度。

投影物鏡系統(tǒng)的主要任務(wù)是將從照明系統(tǒng)出射并經(jīng)過掩模版的光線收集進(jìn)物鏡系統(tǒng)，并在晶圓上進(jìn)行精確成像。當(dāng)前主流的物鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通常包含20-30個鏡片。從光路設(shè)計到元器件的制造，再到系統(tǒng)的裝配，每一個環(huán)節(jié)都面臨著極高的技術(shù)挑戰(zhàn)。例如，光路設(shè)計需要精確計算光線的傳播路徑和折射角度，以確保成像的準(zhǔn)確性和清晰度；鏡片的制造要求極高的精度，微小的瑕疵都可能影響成像質(zhì)量；而系統(tǒng)的裝配則需要嚴(yán)格控制各個鏡片之間的相對位置和角度，確保整個物鏡系統(tǒng)的光學(xué)性能。此外，投影物鏡系統(tǒng)與光刻機(jī)的數(shù)值孔徑參數(shù)密切相關(guān)，數(shù)值孔徑越大，物鏡系統(tǒng)能夠收集到的光線越多，成像的分辨率也就越高。值得注意的是，與i-line和DUV光刻機(jī)不同，EUV光刻機(jī)的物鏡系統(tǒng)采用全反射系統(tǒng)。這是因為EUV光線的波長極短，在傳統(tǒng)的折射材料中會被強(qiáng)烈吸收，而全反射系統(tǒng)能夠有效地減少光線的損失，保證光刻過程的順利進(jìn)行。

在浸沒式光刻機(jī)中，浸沒系統(tǒng)的加入是提升光刻分辨率的重要創(chuàng)新舉措。它位于投影物鏡系統(tǒng)和晶圓之間，通過在這一空間中填充高折射率的液體（如水），利用液體的光學(xué)特性，使得數(shù)值孔徑進(jìn)一步提升。根據(jù)光學(xué)原理，在相同的光源波長和物鏡設(shè)計下，數(shù)值孔徑的增大能夠減小光刻的分辨率極限，從而實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的光刻圖案。浸沒系統(tǒng)的引入，為光刻技術(shù)在保持現(xiàn)有光源波長和物鏡技術(shù)水平的情況下，突破分辨率瓶頸提供了有效的途徑。

工件臺系統(tǒng)包括掩模臺和硅片臺，在掃描曝光過程中，掩模臺與硅片臺需要在掃描方向上進(jìn)行精確地同步運(yùn)動。這要求工件臺系統(tǒng)具備極高的運(yùn)動精度和穩(wěn)定性，以確保光刻圖案在晶圓上的位置準(zhǔn)確性和一致性。在雙工件臺結(jié)構(gòu)中，當(dāng)一個微動臺正在進(jìn)行曝光工作時，另一個微動臺可以同時進(jìn)行曝光之前的預(yù)對準(zhǔn)工作。這種設(shè)計極大地提高了光刻機(jī)的工作效率，減少了設(shè)備的閑置時間，使得光刻過程能夠更加高效地進(jìn)行。例如，在大規(guī)模的半導(dǎo)體芯片制造過程中，雙工件臺結(jié)構(gòu)可以顯著縮短芯片的生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

全球光刻機(jī)市場規(guī)模因不同產(chǎn)線對光刻機(jī)的需求差異而呈現(xiàn)出多樣化的特點(diǎn)。通過量價結(jié)合的方式進(jìn)行測算，2021-2023年全球光刻機(jī)市場規(guī)模分別約為145億歐元、164億歐元和244億歐元，呈現(xiàn)出逐年增長的趨勢。從細(xì)分類型來看，盡管分辨率更高的浸沒式光刻機(jī)和EUV光刻機(jī)在需求量上相對較小，但因其價格顯著高于更為成熟的光刻機(jī)類型，其市場規(guī)模反而明顯高于其他細(xì)分品類的光刻機(jī)。這主要是由于浸沒式光刻機(jī)和EUV光刻機(jī)采用了更為先進(jìn)的技術(shù)和復(fù)雜的制造工藝，研發(fā)和生產(chǎn)成本高昂，導(dǎo)致其售價也居高不下。同時，它們在高端半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，如先進(jìn)制程的芯片制造中，具有不可替代的作用，因此受到市場的高度重視和需求。

圖表：全球各個類型的光刻機(jī)量、價、銷售額

數(shù)據(jù)來源：中研普華產(chǎn)業(yè)研究院整理

光刻機(jī)作為半導(dǎo)體設(shè)備中最為尖端的品類，其競爭格局呈現(xiàn)出極高的集中度，并且越高端的機(jī)型市場集中度越高。在EUV光刻機(jī)市場，ASML公司處于絕對壟斷地位。憑借其在極紫外光刻技術(shù)方面的領(lǐng)先優(yōu)勢和長期的研發(fā)投入，ASML在這一領(lǐng)域占據(jù)了全部市場份額。在浸沒式光刻機(jī)市場，ASML同樣占據(jù)主導(dǎo)地位，市占率在90%以上。在分辨率較為成熟的KrF和i-line領(lǐng)域，日本的Canon和Nikon兩家公司憑借其在傳統(tǒng)光刻技術(shù)方面的深厚積累和技術(shù)優(yōu)勢，也在市場中占據(jù)一席之地。然而，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和市場對高端光刻機(jī)需求的增長，ASML在高端光刻機(jī)市場的優(yōu)勢愈發(fā)明顯，其他競爭對手面臨著巨大的技術(shù)追趕壓力。

國內(nèi)光刻機(jī)整機(jī)市場規(guī)模龐大，但目前國產(chǎn)化率極低。近年來，美方聯(lián)合荷蘭等國對我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)進(jìn)行制裁，從光刻機(jī)整機(jī)到零部件供應(yīng)鏈，都對我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展造成了嚴(yán)重阻礙。在這種情況下，實(shí)現(xiàn)光刻機(jī)全產(chǎn)業(yè)鏈的國產(chǎn)化成為我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)自主可控的必然選擇和緊迫任務(wù)。雖然我國在光刻機(jī)技術(shù)方面與國際先進(jìn)水平仍存在一定差距，但隨著國家對半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的高度重視和大量投入，國內(nèi)的科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)正在積極開展技術(shù)攻關(guān)，努力突破國外技術(shù)封鎖，推動光刻機(jī)國產(chǎn)化進(jìn)程。

國內(nèi)對光刻機(jī)的攻關(guān)始于國家“02專項”。在這一專項的支持下，上海微電子負(fù)責(zé)整機(jī)的設(shè)計和組裝工作，整合各個子系統(tǒng)的技術(shù)成果，構(gòu)建完整的光刻機(jī)設(shè)備。同時，光源、照明及曝光系統(tǒng)、工件臺和浸沒系統(tǒng)等各個子系統(tǒng)分別由不同的高校和科研院所牽頭研發(fā)。在產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程中，孵化出了一批具有核心競爭力的公司。例如，國科精密專注于投影物鏡的研發(fā)與生產(chǎn)，憑借其在光學(xué)物鏡領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)和創(chuàng)新能力，為國產(chǎn)光刻機(jī)提供高質(zhì)量的投影物鏡；鐳望光學(xué)聚焦于照明系統(tǒng)的研發(fā)，致力于為光刻機(jī)提供高性能的照明解決方案；科益虹源在光源技術(shù)方面取得突破，為國產(chǎn)光刻機(jī)提供穩(wěn)定可靠的光源；華卓精科在工件臺領(lǐng)域具有領(lǐng)先技術(shù)，保障了工件臺系統(tǒng)的高精度和穩(wěn)定性；啟爾機(jī)電則在浸沒系統(tǒng)方面發(fā)揮專長，推動了浸沒式光刻技術(shù)的發(fā)展。這些公司在高校和科研院所的技術(shù)支持下，不斷進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品優(yōu)化，共同推動著國產(chǎn)光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。

光刻機(jī)作為半導(dǎo)體制造的核心設(shè)備，其技術(shù)的復(fù)雜性和市場的重要性不言而喻。全球光刻機(jī)市場在技術(shù)發(fā)展和市場需求的驅(qū)動下呈現(xiàn)出獨(dú)特的規(guī)模和格局，而國內(nèi)在面臨外部制裁的壓力下，正通過產(chǎn)學(xué)研協(xié)同的方式，積極推動光刻機(jī)國產(chǎn)化進(jìn)程，努力在全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)競爭中占據(jù)一席之地。