隨著摩爾定律發展，芯片工藝不斷向更小的節點發展，傳統的深紫外（DUV）光刻技術已經遇到了物理極限，無法滿足更高分辨率和更低成本的要求。因此，極紫外（EUV）光刻技術應運而生，它使用13.5nm波長的光線，可以實現更精細的圖案化，并減少多重曝光的次數。

當下，ASML在光刻機領域擁有絕對的影響力，壟斷了全球幾乎80%以上的光刻機市場，尤其是在EUV光刻機領域，市占率更是達到100%。

在過去，日本在光刻產業也是占據了大半壁江山。尼康、佳能與ASML曾經并稱光刻機三巨頭，但因為選錯了路線，前者錯失了ASML 193納米浸沒式光刻技術，逐漸沒落，尤其是在EUV極紫外光刻技術上毫無建樹。

但在EUV光刻環節，除了EUV光刻機這個最受矚目的設備產品外，EUV光源、EUV掩模和EUV光刻膠以及其他配套設備等一直是EUV光刻的重要技術組成部分。

芯片光刻流程圖

光刻的原理是在硅片表面覆蓋一層具有高度光敏感性光刻膠，再用光線透過掩模照射在光刻膠和硅片表面，被光線照射到的光刻膠會發生反應。

此后用特定溶劑洗去被照射/未被照射的光刻膠，就實現了電路圖從掩模到硅片的轉移。光刻完成后對沒有光刻膠保護的硅片部分進行刻蝕，最后洗去剩余光刻膠，就實現了半導體器件在硅片表面的構建過程。

雖然日本沒有先進的晶圓廠，也錯失了EUV光刻機，但其在EUV光刻領域仍有很重要的布局，保留著對供應鏈關鍵部分的控制，例如半導體材料和設備。

據了解，芯片制造涉及19種關鍵材料，且多數都具有較高技術壁壘，而日本企業在其中14種關鍵材料中占據了全球超過50%的市場份額，在其余幾種材料的龍頭企業中也不乏日本企業的身影。

資料來源：遠川研究所

可見日本在半導體產業上游制造環節的布局廣泛，實力雄厚。據SEMI數據顯示，日本企業在全球半導體材料和制造設備市場所占的份額分別高達52%和30%。

01 “壟斷”EUV掩膜市場

掩膜版（Photomask），又稱光罩、光掩膜、掩膜等，是微電子制造過程中的圖形轉移工具或母版，光刻過程將掩膜版上的設計圖形轉移到光刻膠上，再經過刻蝕，將圖形刻到襯底上，從而實現圖形到硅片的轉移。

Digital Journal數據顯示，2021年全球半導體光掩膜市場規模為46.87億美元。

在半導體芯片掩膜版市場，晶圓廠自行配套的掩膜版工廠占據65%的份額。如臺積電、三星、英特爾、中芯國際等全球晶圓代工廠，其所用的掩膜版絕大部分由自己的專業工廠生產；在獨立第三方掩膜版市場，半導體芯片掩膜版技術主要由日本DNP（大日本印刷）、Toppan（凸版）、HOYA（豪雅）和美國Photronics、韓國 LG-IT等公司掌握，市場集中度高，寡頭壟斷嚴重。

DNP是世界上最大規模的綜合印刷公司，自1876年創業以來專注于印刷技術。作為光掩膜廠家，DNP在2016年全球首例導入多電子光束繪制設備，且大幅度縮短了新一代半導體光掩膜的繪制時間，從而滿足了半導體廠家對高產率、高質量的需求。2020年，DNP開發了相當于5nm工藝的EUV光刻光掩模制造工藝。

近日，DNP宣布開發出用于3nm等效EUV（極紫外）光刻的光掩模制造工藝。

DNP將增加多電子束掩模光刻設備的數量，計劃于2024年下半年開始運營。通過這一舉措，DNP將為采用尖端工藝的半導體制造領域提供所需的光掩模。

此外DNP還將通過與IMEC合作，推進2nm以后的更細微的工藝研發。

TOPPAN采用超精細加工技術制造半導體工藝制程中必不可少的各種零部件，如用于半導體制程前道工序的光掩模、用于后道工序封裝的FC-BGA基板，以及引線框架等。自1961年以來，凸版一直通過制造光掩膜來大力支持半導體行業的發展。同時，為了滿足不斷發展的LSI對更精細圖案的需求，正在不斷開發移相掩膜和采用下一代曝光技術的更先進的光掩膜產品。

TOPPAN的中國上海廠是于 1995 年開始投產。據悉，該廠前身是美國杜邦，杜邦的光掩模事業部布局中國半導體產業的時間點非常早，甚至早于許多中國一線半導體晶圓廠，不過杜邦在2004年將上海廠賣給日本TOPPAN后，陸續退出該產業。

日本TOPPAN陸續將高端技術轉移到上海廠，該廠在2015年導入90納米的光掩模技術設備，并在2018年開始生產65/55納米技術，之后在2018年進入邏輯制程28/14納米，以及DRAM的1X/1Y制程的光掩模生產。

除了投入高端技術工藝，日本TOPPAN也在數年前就投入EUV光刻機用的光掩模，通過高能量、波長短的光源，將電路圖案轉印到晶圓，EUV光源波長比目前深紫外線DUV光源波長短少約15倍，因此能達到持續將線寬尺寸縮小的目的。

EUV光掩模與傳統光掩模的不同之處在于，傳統光掩模是有選擇性地傳輸193nm波長的光線，將電路圖案投射到晶圓上，但當采用13.5nm波長的EUV微影技術時，所有的光掩模材料都是不透光的，因此具復合多涂層反射鏡的光掩?？蓪㈦娐穲D案反射到晶圓上。

02 EUV薄膜

值得注意的是，EUV掩模最困難的環節之一就是EUV薄膜（Pellicle）。

EUV薄膜是一種超薄薄膜形態的、需要定期更換的高端消耗品，放置在EUV掩模的頂層，同時允許高EUV光透射率。它安裝在光掩模表面上方幾毫米處，在EUV曝光工藝中保護EUV掩模表面免受空氣中顆?；蛭廴疚镉绊?。

如果污染物落在EUV薄膜上，由于這些顆粒離焦，不會曝光在晶圓上，從而最大限度地減少曝光缺陷。但是，在EUV光刻工藝中，極紫外光通過EUV薄膜兩次，一次入射到EUV掩模，另外一次出射到EUV投影光學系統，這導致EUV薄膜的溫度將升高600-1000攝氏度。

不攜帶（左）和攜帶EUV薄膜的EUV掩模示意圖

EUV薄膜在EUV光刻中保護極其昂貴的EUV掩模，使其遠離可能落在其表面的顆粒。

EUV薄膜對于CPU芯片的生產最為重要，因為CPU芯片使用的是單芯片掩模，任何一個EUV掩模缺陷就會有可能使整個晶圓失效。因此，對于大面積的芯片，沒有EUV薄膜的保護是萬萬不能的。

有專家強調，“試圖在沒有EUV薄膜的情況下進行EUV光刻是痛苦的。這需要更多的檢測，而且仍有可能導致產量損失”。

對此，日本EUV薄膜供應商三井化學積極布局。

前不久，比利時的納米電子和數字技術研究和創新中心Imec與三井化學建立戰略合作伙伴關系，共同開發用于EUV光刻的基于碳納米管(CNT)的薄膜。

根據協議，三井化學將把imec基于碳納米管的薄膜開發整合到其碳納米管薄膜技術中，以實現完整的生產規格，目標是在2025-2026年內將其引入大功率EUV系統的制造中。

該薄膜用于保護光掩膜在極紫外光照射時不受污染，具有高極紫外光透射率(≧94%)、低極紫外光反射率和最小光學影響，這是先進半導體制造中高產量和高吞吐量的關鍵特性。

光刻路線圖項目預計在2025-2026年期間推出新的薄膜，屆時下一代ASML 0.33NA EUV光刻系統將支持600W或更高功率的光源。

另一方面，三井化學也在助力三星實現新突破。

最近在釜山舉行的“KISM2023”學術會議上，三星表示其EUV光刻技術取得了重大進展。

據悉，三星EUV技術的關鍵在于EUV薄膜的使用，這是半導體制造中光刻工藝所必需的材料，能夠起到保護作用，防止外來顆粒造成缺陷。據透露，三星使用的EUV薄膜的透光率已經達到90%，計劃將其提高到94-96%。

三星在部分先進的EUV代工生產線上為主要客戶引進了EUV薄膜。據三星DS事業部研究員Kang Young-seok表示，日本三井是目前唯一的供應商。雖然FST和S&S Tech等韓國企業正在積極開發EUV薄膜，但尚未達到量產的階段。

03 光罩刻錄機

除了在EUV掩膜和EUV薄膜上具有優勢外，日本在光罩刻錄機方面也有深厚積累。

目前，光罩通常采用激光刻錄機制造，還有基于電子束技術的光罩刻錄機，前者的通用性比較強，后者多被用于在最先進的制程節點上制作關鍵光罩，因為它可以產生比傳統激光刻錄機更小的特征尺寸，但這種刻錄機的速度相對較慢，此外，其價格昂貴，體積也大。

在先進制程集成電路的制造過程中，最底層需要精細光刻，相應的光罩也更精細，多采用基于電子束技術的光罩刻錄機，而上邊那些層的光罩，廠商更傾向于使用更便宜、效率更高的激光刻錄機。

全球能夠制造多波束光罩刻錄機的廠商并不多，主要是日本的JEOL、Nuflare公司，德國的Vistec和奧地利的IMS公司等。其中，Nuflare公司實力強勁，拿下了全球90%的份額，也是第一家具備3nm制程光罩制備能力的廠商。

隨著光刻技術的發展，特別是ASML不斷更新EUV光刻機，對相應的產品和設備也提出了更高要求，光罩刻錄機也在此行業背景下不斷演進。

綜合來看，光掩膜在微納加工技術中具有舉足輕重的地位，是實現集成電路制造的關鍵因素。隨著制程技術的不斷演進，掩膜的精度、分辨率和成本要求將不斷提高，這將對掩膜制造商，以及薄膜和光罩刻錄機等產業鏈提出更高的挑戰，也帶來更大的需求。

04 EUV光刻膠，實力強勁

光刻膠是一種特殊的材料，它涂覆在晶圓表面，可以根據曝光與否發生化學變化，從而形成所需的圖案。EUV光刻膠則是制造難度更高的產品，也是7nm及以下先進制程芯片加工過程中的核心原材料。

光刻膠的發展是摩爾定律運行的核心驅動力。

隨著芯片制程由微米級（2μm-1μm）、亞微米級（1-0.35μm）、深亞微米級（0.35μm以下）、納米級（90-22nm）甚至進入14-7nm階段。

對光刻膠分辨率等性能要求不斷提高，光刻技術隨著集成電路的發展經歷了從G線（436nm）光刻，H線（405nm）光刻，I線（365nm）光刻，到深紫外線DUV光刻（KrF248nm和ArF193nm）、193nm浸沒式加多重成像技術（32nm-7nm），再到EUV極端紫外線（＜13.5nm）光刻的發展，甚至采用非光學光刻（電子束曝光、離子束曝光），以相應波長為感光波長的各類光刻膠也應用而生。

與其它光刻膠相比，EUV光刻膠有以下特點：

高吸收率：由于EUV光線在空氣中會被吸收，因此需要在真空環境下進行曝光。同時，為了提高曝光效率和減少劑量，EUV光刻膠需要具有高吸收率，即能夠吸收更多的入射光子。

高靈敏度：由于EUV光源功率有限，每個晶圓上打到的光子數量較少，因此EUV光刻膠需要具有高靈敏度，即能夠在較低劑量下發生足夠的化學反應。

高分辨率：為了實現更小的特征尺寸和更密集的圖案布局，EUV光刻膠需要具有高分辨率，即能夠保持清晰和平滑的線邊緣。

高穩定性：由于EUV光刻過程涉及多種化學物質和物理條件，因此EUV光刻膠需要具有高穩定性，即能夠抵抗各種干擾和變化。

綜合來看，隨著半導體節點向更小的規模發展，保持分辨率、靈敏度和圖形保真度變得更加復雜和具有挑戰性。EUV光刻膠需要憑借上述特點和能力，以應對這些挑戰并實現進一步的小型化。

據業內人士披露，日本企業在半導體光刻膠領域占據絕對優勢。半導體光刻膠主要生產企業包括日本東京應化、JSR、住友化學、信越化學、富士膠片，以及韓國東進世美肯和美國陶氏杜邦，其中日本企業占據約90%市場份額。

縱觀光刻膠產業的發展史，實際上日本的壟斷地位是“后來居上”。

回溯光刻機產業發展史，早在1950年，美國柯達公司就開發出了KTFR光刻膠，隨后1980年美國的IBM公司突破了KrF光刻技術，之后的15年里，IBM領導并壟斷了KrF光刻膠。

也就是在這個時候，日本半導體也正在迅速崛起，尤其是在光刻技術方面，尼康和佳能憑借在基礎化工領域的經驗積累和政府的大力扶持，迅速崛起。

盡管彼時迅速崛起的日本半導體已經受到了美國的壓力和限制，增速放緩。但由于業內對光刻膠的重視程度較低，且市場占有率過低，光刻膠不在美國限制日本半導體發展的產品范圍內。

于是，日本抓住“一線生機”，開始大力研發光刻膠。

借此機遇，日本迅速涌現出了一批優秀的光刻膠企業，比如東京應化于1995年研發出KrF光刻膠并實現大規模商業化，這標志著光刻膠正式進入日本廠商“稱霸”的時代。2011年，JSR與SEMATECH聯合開發出EUV光刻膠，使得日本光刻膠站上了金字塔的頂端。

同時，由于日本的尼康和佳能在光刻機領域也曾經長期壟斷全球市場，這些為日本發展光刻膠提供了非常良好的產業基礎，并且日本在精細化工等方面也具有雄厚的實力，經過數十年的發展積累了大量的理論知識和光刻膠相關的數據庫，最終形成了日本企業在光刻膠領域的絕對統治力。

有業內專家表示，如今10nm以下制程的光刻膠，幾乎只有日本的企業能夠生產。這也意味著在EUV光刻膠方面，日本企業的市場份額遙遙領先。其中最大的兩家供應商是JSR和東京應化，就占據了約75%的市場份額。

東京應化成立于1936年，為全球領先的半導體光刻膠生產商，產品覆蓋橡膠型負性光刻膠、g線光刻膠、i線光刻膠、KrF光刻膠、ArF光刻膠、EUV光刻膠、電子光束光刻膠等。目前東京應化在光刻膠領域綜合實力位列第一，除了在ArF 光刻膠領域以16%的市占率位于JSR（25%）、信越化學（22%）、住友化學（17%）之后，在其他三個領域的份額均位列第一，其中在EUV光刻膠領域獨占鰲頭，一家占據一半以上的份額。

JSR產品種類豐富，可滿足各種工藝需求，自1979年開始銷售光刻膠以來，以滿足半導體行業的需求為宗旨，40多年來不斷的向全球客戶提供光刻材料、CMP材料和封裝材料。產品包括：用于離子注入、柵極和配線工藝圖案的光刻膠，用于CMP工藝的研磨液和清洗劑，以及用于封裝各個工藝流程的臨時鍵合材料、厚膜加工用光刻膠和感光性絕緣膜材料等。JSR的光刻膠產品覆蓋成熟至先進制程，提供i/g-line、KrF、ArF、多層材料等完整產品線，并且可以實現EUV光刻膠的量產。目前JSR正在研發和銷售適用于5nm及以下制程的EUV光刻膠，以維持和擴大公司在先進光刻材料的市場份額。

JSR EUV光刻膠研發

今年6月，日本光刻膠供應商巨頭JSR宣布，已同意由日本政府支持的基金以約9,093億日元（約63.5億美元）的價格收購，該交易意味著這家半導體材料巨頭將被日本國有化。

據報道，主導該交易的是由日本政府主導、日本產業界共同出資的日本投資公司（JIC），此舉受到日本貿易部的監督，是日本政府加強半導體產業控制的最新舉措，旨在重新奪回日本在先進芯片生產方面的領先地位。

此外，住友化學、信越化學和富士膠片等日本材料巨頭也均在EUV光刻膠領域有所布局。

從產業鏈價值來看，光刻膠產值不算大，僅占全球半導體市場規模的1%，卻對半導體產業至關重要。

三星集團CEO曾表示：“如果光刻機缺少了光刻膠，那么光刻機就是一堆廢鐵?！?/p>

可見，EUV光刻膠更是半導體材料皇冠上最璀璨的明珠。日本在“壟斷”該領域之余，也面臨挑戰。

2019年日本限制對韓國的EUV光刻膠出口后，韓國光刻膠廠商東進世美肯開始研發EUV光刻膠，并在2021年通過了三星電子的可靠性認證；2022年12月三星電子在其一條量產線上使用了東進半導體的EUV光刻膠產品，標志著韓國也實現了EUV光刻膠的國產化量產突破。

另一方面，干式光刻膠或將成為新的發展路徑。

TECHCET報告表示，隨著半導體先進制程的競爭越來越激烈，以及EUV制程層數的增加，光刻膠材料市場規模激增。其中，干式光刻膠成為廣受關注的新型EUV光刻材料之一，相比傳統濕式光刻膠能顯著降低生產成本，能源消耗更少，且原料需求量比以往大幅度減少。

隨著芯片尺寸不斷縮小，傳統的濕式光刻膠開始遇到技術瓶頸，比如傳統的濕式光刻膠的化學成分容易造成光子散射，因此若想實現大劑量的曝光，需要增加光刻機的功率，而這一舉動也會大大影響光刻機的工作效率。

對此，業內曾提出兩種解決方案：一種是將光源提高到500W-1000W，并因此獲得更高的能量來確保量產，但目前500W以上的光源仍在研發中。而第二種解決方案，便是通過改善EUV光刻膠技術，來實現曝光功率以及機器工作效率的平衡，干式光刻膠也因此受到市場的關注。

據了解，日本的東京應化、JSR集團等光刻膠巨頭企業生產的均為傳統的濕式光刻膠。而在兩年前，美國公司Lam Research憑借干式光刻膠技術“攪局”，成功打破了巨頭們在光刻膠領域的壟斷，這也讓干式光刻膠正式走進了人們的視野。同時，干式光刻膠的概念也得到ASML、三星、英特爾、臺積電等龍頭企業的青睞，紛紛與Lam Research針對干式光刻膠領域開展合作研究，尋求平衡曝光功率以及機器工作效率的方法。

05 EUV光刻周邊設備，不容小覷

雖然在EUV相關設備市場中，ASML壟斷了核心光刻機，但在EUV光刻周邊設備中，日本廠商有著不容小覷的市占率，尤其在檢測、感光材料涂覆、成像等相關設備方面，日本企業的實力不容忽視。

掩模在制造和使用過程中難免會出現污染物沾污、圖形異常等缺陷，需要進行檢測和修復，是提升產品的良率和節省成本的關鍵。在這個領域，日本的Lasertec是全球領先的測試機制造商，是首家實現用EUV光源檢測EUV掩模的企業。

Lasertec之所以能夠取得如此大的突破，最重要的原因是押對EUV光刻這個方向。

據了解，芯片工藝在推向7nm及以下的時候，工業界分成兩撥，一波是繼續改進DUV技術，另一波則是選擇走向EUV光刻。DUV技術之所以困難重重，就是因為當工藝節點推進到7nm時采用該技術需要四重曝光，對多層對齊是極大的挑戰。

同樣，多重曝光意味著需要多次更換掩膜，這在經濟上也增加了成本。因此，繼續使用DUV技術將面臨更多挑戰。而EUV光刻系統能夠通過單次曝光，完美解決上述問題。

但是，由于EUV的波長只有13.5nm，這給EUV掩膜檢測造成了極大挑戰。過去EUV掩膜都是通過193nm的深紫外光(DUV)系統來檢測，但這個系統沒有辦法分辨EUV掩膜圖案，導致只能粗略判斷掩膜板上是否有缺陷，無法檢測EUV掩模是否存在多層膜相位型缺陷，迫切需要更高分辨率的掩膜檢測手段。

對此，日本Lasertec于2018年成功開發了光化圖形掩模檢測系統ACTIS A150，加速EUV光刻走向成熟化和經濟化，這也加速了半導體界開始全面倒向EUV技術。2019年，Lasertec又推出了對已印有晶圓設計的模板進行檢測的設備，成為了這一領域的壟斷者。

日本在光刻機周邊設備領域的龍頭并非只有一個Lasertec， 另一個占據極高市場份額的是東京電子的EUV涂覆顯影設備，該設備用于將特殊的化學液體涂在硅片上作為半導體材料進行顯影。1993年，東京電子開始銷售FPD生產設備涂布機/顯影機，2000年交付了1000臺涂布機/顯影機“ CLEAN TRACK ACT 8”。

06 光刻機領域，念念不忘

雖然曾經的光刻機巨頭在EUV領域已經被ASML拋離，但日本在光刻機方面仍在不斷努力。

佳能研發了納米壓印技術(NIL)，無需EUV就能制造5納米芯片。

紫外納米壓印光刻與光學光刻流程對比（圖源：果殼硬科技）

不僅如此，據佳能最新消息表示，還在將該掩模技術進一步改進，未來納米壓印光刻有望實現最小線寬為10納米的電路圖案，相當于最先進邏輯半導體技術所需要的2納米節點。

筆者此前在《納米壓印，終于走向臺前？》文章中對該技術做過詳細解讀，在此不過多贅述。

另一邊，尼康12月10日宣布將于2024年1月正式推出ArF 193納米浸沒式光刻機“NSR-S636E”。對比當前型號，該設備整體生產效率可提高10-15%，創下尼康光刻設備的新高，每小時可生產280片晶圓，停機時間也更短。

據悉，在不犧牲生產效率的前提下，新光刻機可在需要高重疊精度的半導體制造中提供更高的性能。新光刻機的光源技術是20世紀90年代就已經成熟的“i-line”，再加上相關零件、技術的成熟化，價格將比競品便宜20-30%左右。

不過，目前尚不清楚尼康這款光刻機能制造多少納米的芯片。

07 寫在最后

日本之所以在包括EUV光刻膠、掩膜等半導體材料，以及EUV周邊設備領域具備強大實力，有幾個關鍵原因：

半導體產業的長期發展：上世紀80年代，日本的半導體產業非常發達，但隨后受到美國的制裁和打壓。為了保持半導體產業的競爭力，日本企業轉向半導體材料的研發和生產，并投入大量資源。依托于日本原本雄厚的半導體基礎，日本迅速崛起為全球半導體材料領域的領軍國家。

基礎研究實力和經驗積累：半導體材料的制造工藝復雜多樣，需要扎實的基礎研究和豐富的經驗積累。日本企業一直以來注重基礎研究，擁有優秀的科學家和工程師團隊，致力于材料制備和性能優化的研究。此外，日本企業以“匠人精神”自居，精益求精，強調制造的精準和質量，這也是日本半導體材料實力強大的一個重要原因。

長期穩定的合作關系：半導體企業在選擇解決方案和供應商時非常謹慎，不輕易更換合作伙伴。日本半導體企業經過多年的努力和優秀表現，與其他企業建立了長期穩定的合作關系，形成了高度綁定的合作模式。這使得其他廠商想要進入這個市場變得非常困難。

整體來看，日本在半導體材料領域地位突出，得益于日本企業多年來在材料研發和制造方面的努力，以及長期穩定的合作關系。無論是在光刻膠、掩膜材料、化學機械拋光材料還是其他關鍵材料和設備方面，日本企業都展現出了強大的實力和優勢。

但當前科技競爭日趨激烈，其他國家和地區都在不斷加大研發投入，并逐步取得了在某些特定領域的突破。對此，日本企業或許尚不能“高枕無憂”，仍需要繼續保持創新能力，加強國際合作，以應對來自全球的競爭挑戰。