光刻机输家的反击,光刻机难

在半导体领域，光刻机犹如“工业皇冠上的明珠”，其技术水平直接决定着芯片制程的极限。如今，提及这一核心设备，ASML的名字几乎成为行业的代名词——这家来自荷兰的企业凭借在高端光刻机领域的绝对掌控力，稳稳占据着全球市场的主导地位，尤其在EUV光刻机领域，更是形成了一家独大的格局，成为全球芯片巨头们争相合作的对象。

然而，光刻机产业的版图并非生来如此。

回溯历史，佳能（Canon）与尼康（Nikon）这两个日本企业的名字，曾在该领域书写过辉煌篇章。上世纪八九十年代，当半导体产业迈入光刻技术主导的时代，佳能与尼康凭借在步进式光刻机、扫描式光刻机等领域的技术突破，一度占据全球市场的大半份额，是当时当之无愧的行业巨头。那时的ASML，还只是在技术追赶中艰难突围的后来者。

然而，产业格局的剧变，往往与技术路线的选择紧密相连。

在专注于157nm波长的浸没式光刻技术，以及从DUV（深紫外）向EUV（极紫外）技术跨越的关键节点，佳能与尼康因对技术路线的判断偏差，逐渐在竞争中落入下风。ASML则抓住机遇，通过整合全球技术资源、押注EUV路线，一步步实现了对前辈的超越，最终奠定了如今的霸主地位。

曾经的行业王者，就这样在技术迭代的浪潮中褪去了光环，成为光刻赛道上的“输家”。纵览当前全球光刻机市场格局，ASML在高端光刻机领域独占鳌头，佳能和尼康在KrF、i-line等中低端光刻设备领域占据部分市场份额。

但半导体产业的故事从未因一时的成败而落幕。即便在ASML独领风骚的当下，佳能、尼康等曾经的光刻巨头也并未就此沉寂。它们或许暂别了高端市场的中心舞台，却从未停止对光刻技术的探索。

在新的产业需求与技术可能性面前，这些“输家”正以自己的方式寻找破局之路，用持续的研发投入和对新技术方向的尝试，等待着在变幻的产业格局中重新找到属于自己的位置。而它们的探索，也为光刻机产业的未来埋下了新的伏笔。

光刻机输家，探索新思路

自ASML凭借EUV技术在先进光刻机领域确立霸主地位后，其余厂商虽在高端市场受挫，却从未停止寻找新的破局点，以重新塑造自身在光刻技术领域的地位。

佳能的破局探索

另辟蹊径，佳能押注纳米压印技术

在技术研发上，佳能另辟蹊径，将纳米压印技术（NIL）作为核心发展方向。

这一技术与传统光刻技术截然不同，传统光刻是通过光学投影将电路图案转移到涂有光刻胶的晶圆上，而佳能的纳米压印技术更像是“盖印章”，把刻有半导体电路图的掩模直接压印在晶圆上，一次压印就能形成复杂的二维甚至三维电路。

2023年10月，佳能推出纳米压印设备FPA-1200NZ2C，成功实现最小14纳米的线宽图案化，这一成就已达到当今最先进的逻辑半导体生产所需的5纳米节点。随着掩模技术持续精进，佳能宣称有望将最小线宽推进至10纳米，这预示着其正朝着雄心勃勃的2纳米节点迈进。这一系列成就都彰显了纳米压印技术在精度和创新方面的卓越实力，也标志着纳米压印技术已实质性迈入先进芯片制造领域。

为了提升纳米压印技术的竞争力，佳能整合了自身在光学、材料科学等多领域的技术优势。其长期积累的精密光学技术，被应用于优化掩模与晶圆的对准精度，确保在压印过程中电路图案能够精准转移。

在材料研发方面，佳能致力于开发适配纳米压印技术的光刻胶与掩模材料，以提升图案的复制质量与设备的耐用性。举例来说，佳能通过改进光刻胶的配方，使其在压印过程中对图案的保真度更高，减少图案变形等问题，从而提升芯片制造的良品率。

早在2014年，佳能收购了主攻纳米压印基础技术研发的Molecular Imprints公司。在此之前，Molecular Imprints就致力于用纳米压印技术完成32nm逻辑节点制造，却因生产效率、资金及良率等难题，进展受阻。佳能完成收购后，巧妙融合自身镜头技术与Molecular Imprints的曝光技术，成功搭建起纳米压印技术研发的初步框架，加速了纳米压印技术的研发进程。

此后，与日本存储芯片制造商铠侠（Kioxia）的合作，堪称佳能在纳米压印技术领域的重要布局。近十年来，双方共同投入大量资源，针对纳米压印技术在芯片制造中的实际应用展开研究与优化。在合作过程中，铠侠于2021年提出纳米压印技术可大幅减少耗能，并降低设备成本，这一观点得到了实践验证。

此外，大日本印刷株式会社（DNP）作为半导体零组件制造商，在掩模等关键零部件生产方面技术精湛。佳能与DNP合作，着力攻克纳米压印技术中的掩模难题。掩模是纳米压印技术中的关键一环，其质量直接影响图案转移的精度和芯片制造的良品率。佳能借助DNP在材料和制造工艺上的优势，不断改进掩模技术，使得纳米压印设备能够实现更精细的图案化。例如，通过合作研发新型掩模材料，提高了掩模的耐用性和图案保真度，有效减少了图案变形等问题，为提升芯片制造质量提供了保障。

这一系列的产业合作成为佳能探索新路径的重要策略。

2024年，佳能成功向位于美国得克萨斯州的半导体联盟得克萨斯电子研究所（TIE）交付了FPA-1200NZ2C设备，TIE成员包括英特尔、恩智浦、三星等全球领先的芯片公司，以及公共部门和学术组织。

这一里程碑式的事件，标志着佳能纳米压印光刻技术在半导体制造领域迈出了坚实的一步。通过与这些机构的合作，佳能能够获取更多实际生产需求反馈，进一步推动纳米压印技术的完善与应用拓展。

纳米压印技术，优势与挑战并存

相较于EUV光刻，纳米压印技术展现出多维度的显著优势，为芯片制造产业带来了新的发展思路与可能。

首先是成本层面：纳米压印技术具有绝对优势。EUV光刻机内部集成了超精密光学系统、极紫外光源等复杂且昂贵的组件，使得单台设备价格飙升至几亿美元，若考虑后续维护、升级费用，成本更是高得惊人。而纳米压印设备，从硬件构成来看，无需构建像EUV光刻机那样庞大复杂的光学投影系统，也无需配备产生极紫外光的高成本光源组件。佳能CEO御手洗富士夫曾透露，纳米压印设备价格相较EUV光刻机低一个数量级。

在能耗方面：铠侠研究数据表明，纳米压印技术制程简单，其设备耗电量仅为EUV技术的10%，设备投资成本可降低至EUV设备的40%。对于芯片制造商而言，这意味着在大规模生产芯片过程中，使用纳米压印技术能够大幅削减前期设备采购成本与长期运营成本，尤其对于小型半导体制造商，低门槛的设备投入与运营成本，为其进入先进芯片制造领域提供了可能。

从技术原理与工艺过程分析：EUV光刻基于极紫外光的投影成像原理，将电路图案从掩模转移到涂有光刻胶的晶圆上的过程受光学衍射极限等物理规律限制，为实现更高分辨率，需要不断优化光学系统、提升光源性能，研发难度极大。纳米压印技术则截然不同，它采用类似“盖章”的方式，将预先刻有半导体电路图的掩模直接压印在晶圆上的光刻胶层，一次压印即可形成复杂的二维甚至三维电路。这种方式在物理原理上避开了光刻中的衍射限制，理论上能实现更高分辨率图形转移。

例如，佳能的纳米压印设备FPA-1200NZ2C能实现最小14纳米的线宽图案化，且随着掩模技术改进，有望推进至10纳米，足以支持5纳米制程逻辑半导体生产，已达到先进芯片制造领域的精度水准。同时，纳米压印技术无需多次重复曝光，减少了因多次曝光产生的累积误差，提升了图案复制的精度与一致性，在提升芯片良品率方面潜力巨大。

在市场布局上：佳能选择避开ASML主赛道聚焦特定细分市场，逐步渗透。EUV光刻机主要应用于先进制程芯片制造，服务于对芯片性能、集成度要求极高的高端市场，如高性能计算芯片、智能手机芯片、AI芯片等领域，但其高昂成本与复杂技术限制了应用范围。纳米压印技术凭借成本优势，在对成本敏感且对制程精度有一定要求的细分市场，如3D NAND闪存芯片制造领域极具竞争力。

3D NAND领域，对芯片制程精度的要求虽高，但相比最先进的逻辑芯片制程，仍有一定差异，且对成本更为敏感。纳米压印设备能够满足其精度需求的同时，大幅降低生产成本，像铠侠（Kioxia）与佳能深度合作，积极推进纳米压印技术在3D NAND闪存芯片量产中的应用。通过率先在细分市场站稳脚跟，佳能能够积累实践经验，完善技术，并建立起市场口碑，为后续拓展更复杂的芯片制造市场奠定基础。

此外，光学器件和生物医学领域同样受益于纳米压印技术的发展。例如AR/VR眼镜采用NIL工艺实现微纳结构光栅量产。大面积纳米压印技术的突破，使得在玻璃或薄膜等基板上精确印制复杂透镜或棱镜结构成为可能，为高精度显示技术发展提供了有力支撑。

此外，对于一些小批量、多样化芯片生产需求，如科研机构研发芯片、特定领域定制芯片等，纳米压印技术使得芯片设计厂商甚至可以不依赖晶圆代工厂，自行完成小批量芯片生产，增加了产业生态的灵活性与多样性。

综合来看，随着佳能FPA-1200NZ2C光刻机的推出，有望打破EUV垄断僵局，为全球芯片制造开辟新路径。在5nm芯片制造领域，过去一直被EUV光刻机所垄断，而其他先进的DUV光刻机仅能达到7nm的制程，难以突破。然而，佳能的新设备却打破了这一格局，展现了其在芯片制造技术上的创新实力。

不过，纳米压印技术在发展进程中也面临诸多挑战。

在技术层面，如何在大规模生产中确保纳米压印技术的稳定性与良品率是关键挑战。由于晶圆和掩膜直接接触，容易混入细小垃圾和灰尘，导致残次品出现，严重影响良品率。同时，现行掩模工艺对表面粗糙度改善不足，随着微缩化推进，粗糙度问题需以图形节距比为基准量化评估并严格控制。以及如何确保模板的耐用性和高精度，如何有效减少晶圆变形和污染问题，以及如何进一步提升压印的速度和效率等，都是亟待解决的技术难题。

在产业化方面，该技术与现有的基于DUV或EUV光刻的产线不兼容，现有大型芯片制造商若采用纳米压印技术，需重新建立全新生产线，这无疑增加了技术推广难度与成本。

此外，该技术尚未经过长期验证和优化，其可靠性和兼容性尚需时日来完善。因此，多数半导体厂商仍倾向于采用成熟的EUV光刻技术，对纳米压印技术的接受度相对较低。

实际上，纳米压印技术并非佳能独家研发，其概念最早由美国IBM公司在1996年提出，并经过众多研究机构和企业的不断改进与发展。然而，由于模板制作、晶圆对准、光敏材料固化等技术难题的存在，该技术一直未能实现商业化应用。

综上所述，佳能的纳米压印技术以其独特的创新性和前瞻性，为半导体产业带来了全新的光刻方案，不仅带来了新的发展机遇，也催生了行业内的挑战与变革。

尽管挑战重重，但不可否认的是，佳能凭借纳米压印技术的成本优势、高分辨率潜力以及独特的三维结构加工能力，已在众多领域崭露头角，为业界开辟了一条全新的发展路径，并对整个光刻机产业格局产生了不可忽视的影响。随着技术的不断成熟与完善，未来有望在更多领域实现大规模应用，重塑半导体及微纳制造产业生态。

对纳米压印技术感兴趣的朋友，可以点击笔者此前对话纳米压印技术发明人周郁教授的文章《对话纳米压印技术发明人周郁：用变革性的新技术突破光刻瓶颈！》，进一步了解该技术的来龙去脉和更多细节。

佳能重新杀回ArF光刻市场

在光刻技术的激烈竞争中，佳能除了大力发展纳米压印技术，还在其他多个方向上积极探寻新思路、开拓新探索，力求在与ASML的竞争中突出重围，重塑在光刻领域的地位。

例如，回归ArF光刻设备市场，填补制程空白，就是佳能的一大举措。佳能于2024年宣布将重新杀回ArF光刻设备市场，并计划于2025年下半年推出新产品。

这一举动意义非凡，自2003年起，佳能便暂别ArF光刻设备的研发与新品推出，时隔22年的回归，是对市场需求变化的敏锐回应。此前，佳能的半导体光刻设备业务多聚焦于波长较长的非先进制程领域，如i-line和KrF光刻设备。但半导体制造工艺持续向精细化迈进，对更细线宽的需求与日俱增，i-line和KrF光刻设备已难以满足逻辑芯片等领域特定制程的要求。

即将推出的ArF光刻设备，以佳能在KrF光刻设备上积累的技术为根基，创新性地搭载了适配ArF的全新镜头设计。这一设计巧妙之处在于，能让现有KrF光刻设备用户更轻松地接纳新设备，大幅降低工厂改造所需的时间与资金成本。并且，新设备在吞吐量上有显著提升，同时强化了对齐修正功能，进一步提高了重叠精度。佳能将目标明确锁定在65纳米线宽的逻辑芯片及CMOS图像传感器的生产上，精准切入市场空白，利用自身在光刻设备领域的技术底蕴与市场基础，试图在这一细分领域站稳脚跟，完善产品布局，增强市场竞争力。

尼康的转型之路：深耕细分与技术升级

在光刻机市场，尼康曾是当之无愧的行业先锋，尤其在193nm波长光源的干式光刻机时代，其技术实力与市场地位均处于领先位置。

然而，在技术路线选择的关键节点，在考虑下一代光源时，尼康和佳能认为开发154nm波长的光源更可行，而台积电在这时提出了一种全新技术思路，即在晶圆前加水，利用水的折射特性来缩短光线波长以提高分辨率。

面对台积电提出的浸润式方案，尼康没有采用，而是选择继续沿着154nm光源的方向研发。这是因为此前尼康在154nm波长光源的研发上投入了大量资源和精力，如果放弃意味着前期的投入将付诸东流。同时，尼康也担心这种新技术在实际应用中会面临诸如光学系统设计难度大、水介质对光刻过程的稳定性和一致性影响难以控制、与现有光刻工艺和材料的兼容性问题等技术挑战，相反，继续在相对熟悉的波长光源技术上进行改进风险相对较低。

结果就是这一次对技术趋势的误判导致尼康失去了在光刻机领域的领先地位。2004年，ASML与台积电合作推出了世界上第一台浸润式光刻机ArFi，此后市场份额一路狂飙，目前在浸没式ArF光刻领域掌握着九成以上的市场份额。而尼康和佳能被迫放弃154nm光源研究转而跟进浸润式光刻机开发，但已远远落在ASML之后。

与佳能类似，尼康并未因此一蹶不振，而是积极探索新技术，试图重新找回在光刻领域的优势地位。

尼康将开发新一代ArFi光刻机，

抢夺ASML市场

尼康在其2025财年第三财季财报演示文稿中透露，正与合作伙伴共同开发一款兼容ASML主导的浸没式ArF（ArFi）光刻生态的新型光刻机，预计于2028财年推出。

尼康认为，随着DRAM内存和逻辑半导体向三维发展，浸没式ArF光刻需求将持续增长。为吸引更多客户，尼康计划使新设备与ASML的同类设备生态兼容（据透露，新系统将支持ASML的光罩），方便用户从ASML平台迁移至尼康平台。此举旨在提升尼康在全球光刻机市场的份额，特别是在浸没式ArF领域。

此外，新一代光刻机将采用创新的镜头和工件台设计，新镜头有望在光学性能上实现进一步优化，提高光线的聚焦精度与传输效率，从而提升光刻分辨率；新工件台则会在运动精度、稳定性以及与镜头的协同工作能力上进行改进，确保晶圆在曝光过程中能够精准定位，减少误差。并且，尼康在设计中充分考虑了设备的维护便利性，通过采用模块化设计、易于更换的零部件以及智能化的故障诊断系统，降低设备的维护成本与停机时间，提高设备的整体使用效率。

这些技术优势或将有助于尼康在市场上与ASML展开竞争。尼康还透露，再下一代产品的开发预计在2030年后启动。

在浸没式ArF光刻领域，ASML凭借其先进的TWINSCAN双工件台技术，已经占据了超过九成的市场份额。而尼康，作为该领域的另一位主要参与者，正寻求提升其在市场中的占比，目标是将份额提高到与干式ArF领域相当的水平。

实际上，尼康在浸没式光刻领域已有技术积累。2024年，尼康公司就推出了NSR-S636E浸润式ArF光刻机，这是尼康生产率最高的光刻机产品，生产效率提升了10-15%。

这款光刻机采用增强型iAS设计，可用于高精度测量、圆翘曲和畸变校正，重叠精度(MMO)更高，号称不超过2.1纳米；分辨率小于38纳米，镜头孔径1.35，曝光面积为26x33毫米。对比当前型号，它的整体生产效率可提高10-15％，创下尼康光刻设备的新高，每小时可生产280片晶圆，停机时间也更短。据悉，这款光刻机使用的光源技术是20世纪90年代就已经成熟的“i-line”，再加上相关零件、技术的成熟化，价格将比竞品便宜20-30％左右。在不牺牲生产效率的前提下，这款光刻机还可在需要高重叠精度的半导体制造中提供更高的性能，尤其是先进逻辑和內存、CMOS图像传感器、3D闪存等3D半导体制造。

但要在高端市场挑战ASML，尼康仍需突破。这也是其计划2028年计划推出兼容ASML主导的浸没式ArF（ArFi）光刻生态的新型光刻机的关键动力所在。

这一系列举措表明，尼康正有条不紊地推进浸没式ArF光刻技术的迭代升级，逐步构建起自身在该领域的技术竞争力与市场影响力。

尼康推出首款适用于FOPLP工艺的光刻系统

2025年7月，尼康宣布推出其首款面向半导体后道工艺的光刻系统DSP-100，支持最大600mm×600mm的大型基板，采用无掩模技术，每小时可处理50片基板。

这一创新设备瞄准了先进封装领域，避开了ASML牢牢掌控的前道光刻机市场。

回顾过去十年，ASML凭借EUV在先进制程碾压全球，尼康则逐步退出最前沿节点竞争，专注DUV和封装市场。而这次发布的无掩模系统，恰恰命中一个关键领域：先进封装。

DSP-100光刻机代表了尼康的技术融合战略。这款设备结合了半导体光刻机的高分辨率技术与平板显示曝光设备的多镜组技术，采用相当于i-line的光源，通过SLM（空间光调制器）以无掩膜的形式将电路图案直接投射至基板，实现了1.0μm L/S的高分辨率和≤±0.3μm的重合精度，主要面向2.5D/3D集成、Chiplet组装、先进封装等新兴应用场景，专为大面积先进封装光刻而设计。

这是目前业界首个实现大面积封装基板高精度直写的系统，并明确定位于取代掩模式封装光刻。其主要优势体现在多个方面：

高分辨率与高产能的结合：DSP-100将尼康的高分辨率半导体光刻技术与平板显示器（FPD）光刻系统的多透镜技术相结合。它实现了高分辨率（1.0μm L/S）、出色的套准精度（≦±0.3μm）以及高产能——使用600×600毫米基板时每小时可达50片。

尼康的专有技术将多个投影镜头排列成阵列，并对其进行精确控制，从而产生如同使用单个巨大镜头一样的效果。这使得单次曝光即可实现更大面积的图案化。

适用于大型先进封装应用的无掩模操作：与需要带有电路图案的光掩模的传统光刻系统不同，DSP-100使用空间光调制器（SLM）直接将电路图案投射到基板上，无需光掩模。这种方法消除了光掩模的尺寸限制，为大型先进封装应用提供了更大的灵活性，并简化了开发流程——降低了客户的成本和交付周期。

支持大型方形基板-生产力比晶圆高9倍：DSP-100支持对最大尺寸为600×600毫米的大型方形基板进行曝光。对于100毫米见方的大型封装，每片基板的生产力比使用300毫米晶圆时高出9倍。此外，该系统还提供高精度的基板翘曲和变形校正，采用无掩模技术降低生产成本，并通过固态光源减少维护成本，支持更环保的制造。

在当前以Chiplet芯粒技术为代表的先进封装领域蓬勃发展，对高分辨率、大面积曝光的后端光刻机需求激增的背景下，尼康DSP-100的推出，精准切入市场痛点，为自身开拓了新的业务增长点，有望在先进封装设备市场占据一席之地。

颠覆性技术，探索EUV替代方案

在ASML凭借EUV技术垄断先进光刻市场的背景下，除了佳能和尼康之外，全球多家企业和研究机构正通过颠覆性技术路线探索替代方案。

例如，美国企业Inversion Semiconductor利用激光尾场加速（LWFA）技术，通过台式粒子加速器产生高功率软X射线（目标波长6.7纳米），声称可在相同数值孔径下使晶体管密度翻倍，同时将设备体积缩小至传统加速器的千分之一，设备成本降低至EUV的1/3，且光源波长可调，覆盖13.5nm至6.7nm范围。其与劳伦斯伯克利国家实验室合作的“BELLA-LUX”项目，目标是实现1千瓦光源输出，并开发适配的镜面系统以支持多台光刻机并行工作。该技术若成功，将显著降低EUV对高功率激光器和复杂反射镜的依赖。预计2025年完成原型机测试，计划2028年量产，特斯拉和应用材料已对工业X射线成像应用表现出兴趣。

欧洲公司Lace Lithography AS基于原子光刻技术，利用亚稳态氦原子直接在硅片上刻蚀图案，分辨率达2纳米，超越EUV的波长限制。其核心原理是通过色散力掩模控制原子束运动，无需传统掩膜和光源系统。该技术已获欧盟“FabouLACE”项目资助，计划2031年前商业化，并由IMEC进行性能验证。相较于EUV，其成本可降低50%以上，且能耗仅为EUV的1/10。

奥地利公司IMS Nanofabrication的多束电子束光刻系统（MBMW）优势显著，颠覆掩模写入技术。相比可变形状光束技术，其写入时间与图案复杂度无关，高吞吐量下可用低灵敏度抗蚀剂，分辨率和关键尺寸均匀性出色，推动 EUV 掩模大规模制造及反向光刻等技术应用。

德国默克与三星、SK海力士合作开发嵌段共聚物自组装技术（DSA），通过材料与工艺创新，降低对设备的依赖，通过化学引导实现纳米级图案，可减少30%的EUV曝光次数。该技术通过深度学习优化模板设计，已在三星3nm工艺中进行验证，目标2030年前量产。相较于EUV，其单晶圆成本可降低20%。

这些探索虽尚未完全替代EUV，但已在成本、能耗、工艺复杂度等维度展现出差异化竞争力。未来，技术路线的多元化或将推动光刻领域从“单一巨头垄断”向“多技术并存”转型。

与此同时，为了更好地应对ASML的竞争，以佳能和尼康为代表的设备厂商们需要积极构建产业生态联盟。

一方面，加强与芯片制造商的深度合作，例如佳能可与更多小型半导体制造商合作，为其提供定制化的纳米压印解决方案，帮助这些企业降低先进芯片制造门槛，同时也能积累更多不同应用场景下的技术实践经验。尼康在开发新型浸没式 ArF 光刻机过程中，可与芯片制造商紧密协作，根据实际生产需求优化设备性能。尼康的DSP-100已在先进封装市场崭露头角，后续应加大市场推广力度，与更多先进封装企业建立合作关系，根据客户需求不断优化产品性能。

另一方面，与材料供应商、科研机构建立长期合作关系也至关重要。材料供应商能为其提供更适配的光刻胶、掩模材料等，提升设备性能与工艺稳定性；科研机构则可在基础研究、前沿技术探索方面提供支持，加速技术创新进程。通过构建完善的产业生态联盟，增强自身在产业链中的影响力与话语权，共同推动光刻技术及相关产业的发展。

此外，上述企业还可将目光投向新兴市场，如快速崛起的半导体产业，通过提供高性价比的产品与优质的技术服务，开拓新的市场空间，降低对传统成熟市场的依赖，逐步提升市场份额。