光刻機(jī)是芯片制造中最復(fù)雜、最昂貴的設(shè)備。芯片制造可以包括多個工藝，如初步氧化、涂光刻膠、曝光、顯影、刻蝕、離子注入。這個過程需要用到的設(shè)備種類繁多，包括氧化爐、涂膠顯影機(jī)、光刻機(jī)、薄膜沉積設(shè)備、刻蝕機(jī)、離子注入機(jī)、拋光設(shè)備、清洗設(shè)備和檢測設(shè)備等。在整個半導(dǎo)體芯片制造過程中，光刻是最復(fù)雜工藝，光刻工藝的費(fèi)用約占芯片制造成本的1/3左右，耗費(fèi)時間占比約為40-50%，光刻工藝所需的光刻機(jī)是最貴的半導(dǎo)體設(shè)備。
光刻機(jī)可分為前道光刻機(jī)和后道光刻機(jī)。光刻機(jī)既可以用在前道工藝，也可以用在后道工藝，前道光刻機(jī)用于芯片的制造，曝光工藝極其復(fù)雜，后道光刻機(jī)主要用于封裝測試，實現(xiàn)高性能的先進(jìn)封裝，技術(shù)難度相對較小。
光刻機(jī)廠商研發(fā)費(fèi)用率高：22年全球前五大半導(dǎo)體設(shè)備廠商的平均研發(fā)費(fèi)用率為11%， 其中ASML研發(fā)費(fèi)用率為15%， 高于其他設(shè)備廠商。光刻機(jī)零部件供應(yīng)商遍布全球，核心零部件來自德國和美國：代表光刻機(jī)最高端技術(shù)的EUV光刻機(jī)里面有10萬多個零部件，全球超過5000家供應(yīng)商。整個光刻機(jī)中，荷蘭腔體和英國真空占32%，美國光源占27%，德國光學(xué)系統(tǒng)占14%， 日本的材料占27%。
2021年全球前道光刻設(shè)備市場規(guī)模為172億美元，其市場份額在晶圓生產(chǎn)設(shè)備中占比為20%，僅次于刻蝕設(shè)備。光刻機(jī)價格昂貴， ASML當(dāng)前EUV光刻機(jī)單價為1.5億-2億美元。
IGBT相比MOSFET，可在更高電壓下持續(xù)工作，同時需要兼顧高功率密度、低損耗、高可靠性、散熱好、低成本等因素。一顆高性能、高可靠性與低成本的IGBT芯片，不僅僅需要在設(shè)計端不斷優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)，對晶圓制造和封裝也提高了更高的要求。
1961年, 第一臺接觸式光刻機(jī)由美國GCA推出， 歷經(jīng)60年的發(fā)展，ASML后來者居上，成為當(dāng)前光刻機(jī)行業(yè)的絕對龍頭。光刻機(jī)問世：1955年，貝爾實驗室開始采用光刻技術(shù)， 1961年，GCA公司制造出第一臺接觸式光刻機(jī)。步進(jìn)式光刻機(jī)推出：1978年，步進(jìn)式光刻機(jī)推出，1984年尼康和GCA各占30%份額，同年ASML成立。浸沒式光刻機(jī)推出：2000年，ASML推出雙工件臺光刻機(jī)，2003年ASML推出浸沒式光刻機(jī)，至此ASML一舉超越其他廠商，后來者居上。EUV光刻機(jī)推出：2013年，ASML推出第一臺EUV量產(chǎn)產(chǎn)品，進(jìn)一步加強(qiáng)行業(yè)壟斷地位。
接觸式光刻技術(shù)良率低、成本高：接觸式光刻技術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代，是小規(guī)模集成電路時期最主要的光刻技術(shù)。接觸式光刻技術(shù)中掩膜版與晶圓表面的光刻膠直接接觸，一次曝光整個襯底，掩膜版圖形與晶圓圖形的尺寸關(guān)系是1:1 ，分辨率可達(dá)亞微米級。特點(diǎn)：接觸式可以減小光的衍射效應(yīng)，但在接觸過程中晶圓與掩膜版之間的摩擦容易形成劃痕，產(chǎn)生顆粒沾污，降低了晶圓良率及掩膜版的使用壽命，需要經(jīng)常更換掩膜版，故接近式光刻技術(shù)得以引入。接近式光刻技術(shù)分辨率有限：接近式光刻技術(shù)廣泛應(yīng)用于20世紀(jì)70年代，接近式光刻技術(shù)中的掩膜版與晶圓表明光刻膠并未直接接觸，留有被氮?dú)馓畛涞拈g隙。特點(diǎn)：最小分辨尺寸與間隙成正比，間隙越小，分辨率越高。缺點(diǎn)是掩膜版和晶圓之間的間距會導(dǎo)致光產(chǎn)生衍射效應(yīng)，因此接近式光刻機(jī)的空間分辨率極限約為2μ m。隨著特征尺寸縮小，出現(xiàn)了投影光刻技術(shù)。
投影光刻技術(shù)有效提高分辨率：20世紀(jì)70年代中后期出現(xiàn)投影光刻技術(shù)，基于遠(yuǎn)場傅里葉光學(xué)成像原理，在掩膜版和光刻膠之間采用了具有縮小倍率的投影成像物鏡，有效提高了分辨率。早期掩膜版與襯底圖形尺寸比為1:1，隨著集成電路尺寸的不斷縮小，出現(xiàn)了縮小倍率的步進(jìn)重復(fù)光刻技術(shù)。步進(jìn)重復(fù)光刻主要應(yīng)用于0.25μm以上工藝：光刻時掩膜版固定不動，晶圓步進(jìn)運(yùn)動，完成全部曝光工作。隨著集成電路的集成度不斷提高，芯片面積變大，要求一次曝光的面積增大，促使更為先進(jìn)的步進(jìn)掃描光刻機(jī)問世。目前步進(jìn)重復(fù)光刻主要應(yīng)用于0.25μ m以上工藝及先進(jìn)封裝領(lǐng)域。步進(jìn)掃描光刻被大量采用：步進(jìn)掃描光刻機(jī)在曝光視場尺寸及曝光均勻性上更有優(yōu)勢，在0.25μm以下的制造中減少了步進(jìn)重復(fù)光刻機(jī)的應(yīng)用。步進(jìn)掃描采用動態(tài)掃描方式，掩膜版相對晶圓同步完成掃描運(yùn)動，完成當(dāng)前曝光后，至下一步掃描場位置，繼續(xù)進(jìn)行重復(fù)曝光，直到整個晶圓曝光完畢。從0.18μm節(jié)點(diǎn)開始，硅基底CMOS工藝大量采用步進(jìn)掃描光刻，7nm以下工藝節(jié)點(diǎn)使用的EUV采用的也是步進(jìn)掃描方式。投影光刻技術(shù)根據(jù)投影物鏡下方和晶圓間是否有水作為介質(zhì)可以分為干式光刻和浸潤式光刻。光刻機(jī)的技術(shù)水平很大程度上決定了集成電路的發(fā)展水平。隨著EUV光刻機(jī)的出現(xiàn)，芯片制程最小達(dá)到3nm。目前ASML正在研發(fā)High-NA EUV光刻機(jī)，制程可達(dá)2nm、 1.8nm，預(yù)計2025年量產(chǎn)。同時，英偉達(dá)在23年GTC大會上也表示其通過突破性的光刻計算庫cuLitho，將計算光刻加速40倍以上，使得2nm及更先進(jìn)芯片的生產(chǎn)成為可能， ASML、臺積電已參與合作，屆時將帶動芯片性能再次提高。光刻技術(shù)利用多重曝光工藝實現(xiàn)更小線寬。三種多重曝光技術(shù)：LELE、LFLE、SADP，誤差較小的是SADP。3） SADP又稱側(cè)墻圖案轉(zhuǎn)移，用沉積、刻蝕技術(shù)提高光刻精度：在晶圓上沉積金屬介質(zhì)層、硬掩膜材料和芯軸材料（犧牲層）旋涂光刻膠，曝光顯影后留下所需圖形并刻蝕核心芯軸在芯軸外圍沉積一層間隔側(cè)墻，側(cè)墻的大小即互連線的線間距，要精確控制其均勻度保證互連線間距的均一性清除掉芯軸材料，僅留下側(cè)壁，再一次刻蝕將側(cè)壁圖形轉(zhuǎn)移到下層掩膜層側(cè)墻清除，經(jīng)過掩膜層修飾后的圖形，經(jīng)過再一次刻蝕后傳遞給金屬介質(zhì)層形成最終圖形， 線寬僅為原來的1/2，SADP可以兩次達(dá)到4倍精度。多重曝光可實現(xiàn)7nm制程但技術(shù)復(fù)雜成本高：多次LE或SADP可以實現(xiàn)7nm制程， 但多重曝光技術(shù)提高了對刻蝕、 沉積等工藝的技術(shù)要求并且增加了使用次數(shù)， 使晶圓光刻成本增加了2-3倍。歷史轉(zhuǎn)折點(diǎn)：ASML憑借浸潤式光刻機(jī)壟斷市場。 在浸潤式光刻技術(shù)出現(xiàn)之前， 各廠商專注于157nm波長技術(shù)的研發(fā)， “浸潤式微影技術(shù)” 被提出后， ASML開始與臺積電合作開發(fā)浸潤式光刻機(jī)， 并于2007年推出浸潤式光刻機(jī)， 成功壟斷市場。而同為光刻巨頭的日本尼康、 日本佳能主推的157nm光源干式光刻機(jī)被市場逐漸拋棄， 兩家公司由盛轉(zhuǎn)衰。ASML一家獨(dú)大， Nikon和Canon瓜分剩余市場。1） 全球光刻機(jī)市場的主要競爭公司為ASML、Nikon和Canon。ASML在超高端光刻機(jī)領(lǐng)域獨(dú)占鰲頭，旗下產(chǎn)品覆蓋面最廣。Canon光刻機(jī)主要集中在i-line光刻機(jī)， Nikon除EUV外均有涉及。2） 光刻機(jī)市場份額主要被ASML、Canon、Nikon包攬，從這三家的占比情況來看，2022年ASML占據(jù)82%，Canon占據(jù)10%，Nikon占據(jù)8%。
