光刻机心脏何在？揭秘光源系统&光学系统&双工件台

本篇文章的部分核心观点、图表及数据，出自东吴证券于2024年10月16日发布的报告《半导体设备行业专题报告：详解光刻巨人ASML成功之奥妙》，如需获得原文，请前往文末下载。

光刻机，作为半导体制造过程中的核心设备，其技术复杂度和制造难度堪称工业之最。在摩尔定律的推动下，半导体器件的特征尺寸不断缩小，对光刻机的分辨率、套刻精度和产能提出了更高的要求。光刻机的三大核心部件——光源系统、光学系统和双工件台，是实现这些要求的关键。光源系统提供曝光所需的特定波长光束，光学系统负责将掩模上的图案精确投影到硅片上，而双工件台则大幅提升光刻机的产能和精度。本文将深入探讨这三大部件的技术特点、市场现状以及未来发展趋势。

关键词：光刻机、光源系统、光学系统、双工件台、技术迭代、市场格局

光源系统：光刻机的“光芒之源”

光源系统是光刻机中提供能量的心脏，其性能直接影响光刻机的分辨率和产能。从最早的汞灯（G-line和I-line）到准分子激光（KrF和ArF），再到如今的极紫外（EUV）光源，光源技术的每一次进步都推动了光刻技术的发展。

在光源的选择上，波长是决定分辨率的关键因素。随着制程节点的不断缩小，对光源波长的要求也越来越短。EUV光源的波长为13.5nm，相较于DUV光源的193nm，能够实现更高的分辨率，支持更先进的制程技术。目前，EUV光源技术几乎由美国Cymer（已被ASML收购）和日本Gigaphoton垄断，其中Cymer是ASML EUV光源系统的唯一供应商。

光源系统的发展趋势是向更高功率、更稳定输出迈进。随着光刻机向更高端市场的发展，对光源系统的要求也越来越高。例如，EUV光刻机需要的光源输出功率稳定且数值高达250W以上，以保证光刻过程的稳定性和足够的曝光效率。未来，光源系统的研发将更加注重提高光源的功率和稳定性，以及降低运行成本和延长光源寿命。

光学系统：光刻机的“精准之眼”

光学系统，包括照明系统和投影物镜，是光刻机实现精准成像的核心。它不仅决定了光刻机的分辨率，还直接影响到光刻工艺的套刻精度。随着光刻技术的进步，光学系统的设计和制造变得越来越复杂。

在光学系统的设计中，数值孔径（NA）是一个关键参数，它定义为n*sinθ，其中n是镜头与晶圆之间介质的折射率，θ是曝光光线在晶圆表面的最大入射角。NA越大，分辨率越高。目前，ASML的EUV光刻机NA为0.33，而High-NA EUV光刻机的NA为0.55，进一步提升了分辨率和套刻精度。

光学系统的另一个技术挑战是物镜的制造。物镜需要极高的面形精度和光洁度，以确保光束能够精确聚焦。例如，EUV光刻机的反射镜达到了原子级别的平坦度，这要求极高的制造工艺和精密控制。

未来，光学系统的发展趋势是进一步提高NA值，以及通过采用新材料和设计来提高光学元件的性能。同时，随着光刻机向更高端市场的发展，对光学系统的要求也越来越高，这将推动光学系统技术的不断创新。

双工件台：光刻机的“效率倍增器”

双工件台技术是提升光刻机产能的关键。传统的单工件台光刻机在曝光一片晶圆后，需要将曝光后的晶圆取下，然后重新装载新的晶圆。而双工件台技术允许一个平台上的晶圆进行曝光，同时另一个平台进行晶圆的装载和预处理，大大提高了光刻机的工作效率。

ASML的TWINSCAN系列光刻机是双工件台技术的代表，它通过两个独立工作的工件台来提高生产效率和精度。这种设计使得光刻机在曝光的同时可以进行下一片晶圆的对准和预处理，从而减少了光刻机的空闲时间，提高了整体的产能。

随着半导体行业对产能要求的不断提高，双工件台技术将继续发展，以满足更高效的生产需求。未来的双工件台技术将更加注重提高晶圆交换的速度和精度，以及减少因工件台运动带来的振动和偏差。

总结

光刻机的三大核心部件——光源系统、光学系统和双工件台，是推动半导体制造技术进步的关键。随着半导体制程的不断微缩，对这三大部件的要求也越来越高。光源系统正向着更高功率和更短波长的方向发展；光学系统则在追求更高的数值孔径和更好的成像质量；双工件台技术则致力于提高光刻机的产能和精度。这三大部件的技术进步，不仅将推动光刻机性能的提升，也将为半导体行业的发展带来新的机遇。随着技术的不断突破，我们有理由相信，光刻机的未来将更加光明。