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半导体之光:光刻机技术的更迭

2026-01-19

光刻是芯片制造的关键工艺,光刻机是核心设备。芯片制造流程大致包括晶圆加工、氧化、光刻、刻蚀、薄膜沉积、互连、测试、封装等重要步骤。其中,光刻是半导体芯片生产流程中蕞复杂、蕞关键的工艺步骤,耗时长、成本高。光刻原理是将高能雷射光穿过光罩(reticle),使光罩上的电路图形透过聚光镜(projectionlens),将影像缩小到十六分之一后成像(影像复制)在预涂光阻层的晶圆(wafer)上。光刻工艺可以细分为涂胶、曝光、显影。涂胶,在晶圆表面均匀涂抹对光敏感的物质——光刻胶(PR,PhotoResist);曝光,使用曝光设备(光刻机)使光穿过包含电路图形的光罩,将电路印在晶圆上;显影,在晶圆上喷洒显影液后,选择性的去除曝光区和非曝光区,从而形成电路图形。

光刻机经历五次迭代:根据所使用的光源的方案,光刻机经历了5代产品的迭代,每次光源的改进都显著提升了光刻机所能实现的蕞小工艺节点。光刻技术的进步使得器件的特征尺寸不断减小,芯片的集成度和性能不断提高。在摩尔定律的引领下,光学光刻技术经历了接触/接近、等倍投影、缩小步进投影、步进扫描投影等曝光方式的变革。曝光光源的波长由436纳米(g线),365纳米(i线),发展到248纳米(KrF),再到193纳米(ArF)。技术节点从1978年的1.5微米、1微米、0.5微米、90纳米、45纳米,一直到目前持续推进。

2019-2024年,受到5G通信技术发展、人工智能产业崛起以及消费电子设备升级换代等诸多因素的驱动,对先进制程芯片的需求呈井喷式增长,进而拉动光刻机市场规模稳步扩张。展望未来,预计到2030年,全球光刻机市场规模有望突破600亿美元大关。随着半导体制造工艺向更先进的制程节点不断推进,如3nm、2nm甚至更小制程,对光刻机的技术性能和产能要求将持续提升,这将成为推动市场规模进一步扩大的关键动力。同时,新兴应用领域如量子计算、物联网(IoT)等的兴起,将催生对各类高性能、低功耗芯片的海量需求,进一步刺激光刻机市场的发展。

国内光刻机产业不断突破。2016年上海微电子90nmArF光刻机SSA600系列实现出货。2020年华卓精科生产的光刻机双工件台,打破了ASML公司在光刻机工件台上的技术垄断。2025年,哈尔滨工业大学官宣了成功研制出13.5nm波长的极紫外光刻光源,这是光源技术上备受瞩目的一项突破。中科院上海光机所成功研发了全固态深紫外光源系统,使得中国芯片工艺推进至3纳米理论极限。整体而言,国内光刻机产业正不断进步,国产替代空间广阔。

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