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半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的核心在于制造，制造的核心在于設(shè)備。

芯片制造之母，無比重要的光刻機(jī)

在芯片制造漫長(zhǎng)的產(chǎn)業(yè)鏈中，光刻機(jī)是最為耀眼的明珠，它代表了科技發(fā)展的頂級(jí)水平（另一個(gè)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)），更是芯片制造中必不可少的精密設(shè)備。在半導(dǎo)體領(lǐng)域，光刻機(jī)作為前道工藝七大設(shè)備之首（光刻機(jī)、刻蝕機(jī)、鍍膜設(shè)備、量測(cè)設(shè)備、清洗機(jī)、離子注入機(jī)、其他設(shè)備），價(jià)值含量極大，技術(shù)要求極高。

我們使用的幾乎所有的電子設(shè)備都會(huì)使用芯片，而芯片制造的過程有：硅片的制備－-〉外延工藝－-〉熱氧化－-〉擴(kuò)散摻雜－-〉離子注入－-〉薄膜制備－-〉光刻－-〉刻蝕－-〉工藝集成等。

在同樣大小的芯片制造過程中中，想讓晶體管的數(shù)量增多，就需要從芯片的精細(xì)結(jié)構(gòu)下手，如果芯片的制造能夠越來越精細(xì)，達(dá)到相鄰兩個(gè)期間之間的距離達(dá)到幾納米的情況，芯片所能容納的集體管會(huì)更多。那么對(duì)于精細(xì)結(jié)構(gòu)的制造，該怎么才能做到呢？目前主流的是采用放大的思想，通過制造一個(gè)放大的模板（即掩膜），光通過模板照到硅片上，這也是光刻機(jī)的核心技術(shù)。

圖片來源：英特爾官方網(wǎng)站

在集成電路制造工藝中，光刻是決定集成電路集成度的核心工序。光刻的原理是在硅片表面覆蓋一層具有高度光敏感性的光刻膠，再用光線（一般是紫外線、深紫外線、極紫外線）透過掩模照射在硅片表面，被光線照射到的光刻膠會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。此后用特定顯影液洗去被照射/未被照射的光刻膠，就實(shí)現(xiàn)了電路圖從掩模到硅片的轉(zhuǎn)移。一般的光刻工藝要經(jīng)歷旋轉(zhuǎn)涂膠、軟烘、對(duì)準(zhǔn)與曝光、曝光后烘焙、顯影、堅(jiān)膜烘焙、顯影檢查等工序。

圖片來源：北京華卓精科IPO說明書

光刻機(jī)是完成光刻工藝的半導(dǎo)體設(shè)備。光刻機(jī)主要包括光源、投影物鏡和工件臺(tái)三個(gè)子系統(tǒng)及其他部件。其中，光源系統(tǒng)的主要作用為發(fā)出符合光刻要求的激光，投影物鏡系統(tǒng)的主要作用為對(duì)光源發(fā)出光線進(jìn)行精準(zhǔn)聚焦，雙工件臺(tái)的主要作用為承載硅片并根據(jù)光刻需求進(jìn)行精密運(yùn)動(dòng)，其決定了光刻機(jī)的分辨率和生產(chǎn)效率。

經(jīng)過多年的發(fā)展，光刻機(jī)按光源類型可分為五類：I-line 光刻機(jī)、KrF 光刻機(jī)、ArF 光刻機(jī)、ArFi 光刻機(jī)（即 ArF 浸沒式光刻機(jī)，與 ArF 光刻機(jī)相比在曝光過程中在投影物鏡和晶圓之間形成了一層水膜）、EUV 光刻機(jī)；按照應(yīng)用領(lǐng)域可分為 IC 前道光刻機(jī)和 IC 后道光刻機(jī)。其中，IC 前道光刻機(jī)主要應(yīng)用于芯片制造，而后道光刻機(jī)主要用于芯片封裝。

2020年光刻機(jī)市場(chǎng)規(guī)模約151億美元，在整個(gè)半導(dǎo)體設(shè)備中占比約21%；涂膠顯影設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模約19億美元，在整個(gè)半導(dǎo)體設(shè)備中占比約3%；干法去膠設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模約6億美元，在整個(gè)半導(dǎo)體設(shè)備中占比約1%。

從市值來看，光刻機(jī)在整個(gè)半導(dǎo)體領(lǐng)域所占比重并不高，但作為最上游的“母機(jī)”，光刻機(jī)對(duì)整個(gè)半導(dǎo)體生態(tài)的影響是巨大的。

光刻機(jī)之痛，中外差距巨大

在實(shí)際半導(dǎo)體生產(chǎn)過程中，一個(gè)芯片的產(chǎn)生要經(jīng)歷幾十次光刻才能完成，有些結(jié)構(gòu)層甚至需要多次光刻才能形成。光刻是芯片制造的核心，是IC制造的最關(guān)鍵步驟，它確定了芯片的關(guān)鍵尺寸。在主流的微電子制造過程中，光刻是最復(fù)雜、昂貴和關(guān)鍵的工藝，其成本約占整個(gè)硅片加工成本的三分之一甚至更多。同時(shí)光刻機(jī)也是不可替代的，光刻成本占到了芯片整體制造工藝的40%。

然而，在半導(dǎo)體設(shè)備中最為重要的一環(huán)——光刻機(jī)設(shè)備，最先進(jìn)的技術(shù)基本被阿斯麥、佳能及尼康三大國際大廠壟斷，其中阿斯麥（ASML）幾乎在EUV（極紫外光刻）領(lǐng)域是壟斷的，它壟斷了全球14nm以上的高端光刻機(jī)市場(chǎng)，特別是7nm以上光刻機(jī)更是100%壟處于壟斷地位。

圖片來源：ASML官網(wǎng)

隨著光源、曝光方式不斷改進(jìn)，光刻機(jī)前后共經(jīng)歷了5代產(chǎn)品，每一代產(chǎn)品都在不斷降低光 源波長(zhǎng)，同時(shí)縮小制程線寬。第四代浸入式光刻機(jī)，最高制程可達(dá)7nm，在7nm之后必須 使用第五代EUV光刻機(jī)，其采用EUV光源，波長(zhǎng)為13.5nm，制程節(jié)點(diǎn)為7-3nm，是目前最先進(jìn)的光刻機(jī)。而國內(nèi)能與國際大廠正面抗衡的企業(yè)，暫時(shí)還沒有。

不少國人第一次高度關(guān)注和重視光刻機(jī)可以追溯到2018年，當(dāng)年5月，中芯國際向ASML下單一臺(tái)價(jià)值1.2億美元的EUV光刻機(jī)，預(yù)計(jì)2019年底交付，2020年進(jìn)行安裝。

幾乎同時(shí)，特朗普政府向荷蘭政府發(fā)出威脅，不得向中國交付這臺(tái)EUV光刻機(jī)，否則美國政府將斷供該光刻機(jī)上的美國部件，并在2019年明確向荷方表態(tài)：“好的盟友不會(huì)向中國出售這類設(shè)備”。

2019年11月，ASML宣布，荷蘭政府不再續(xù)簽相關(guān)出口許可，向中芯國際出售EUV光刻機(jī)的計(jì)劃正式終止。

圖片來源：ASML官網(wǎng)

這意味著，中國大陸的芯片廠商無法突破芯片10nm制程。而早在2017年，國產(chǎn)旗艦手機(jī)的芯片制程就已經(jīng)來到10nm。到2021年，各品牌的旗艦手機(jī)芯片制程已經(jīng)普遍使用5nm技術(shù)。也就是說，中國大陸無法自產(chǎn)電子產(chǎn)品所需要的先進(jìn)制程芯片。這對(duì)中國大陸的半導(dǎo)體芯片制造產(chǎn)業(yè)，無疑是一個(gè)巨大的壓制和打擊。

一臺(tái)12億人民幣，備受追捧的EUV光刻機(jī)

擁有先進(jìn)的光刻機(jī)，意味著擁有制造先進(jìn)制程芯片的潛力，而EUV光刻機(jī)成為這一切的關(guān)鍵所在。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的更新?lián)Q代，光刻機(jī)也從最開始的g線（436nm）逐漸發(fā)展為近十年間興起的EUV光刻機(jī)，從接觸式向接近式，最后演變成步進(jìn)式為主。EUV光刻機(jī)，又稱極紫外線光刻機(jī)，是芯片生產(chǎn)工具，是生產(chǎn)大規(guī)模集成電路的核心設(shè)備，對(duì)芯片工藝有著決定性的影響，其中，小于5納米的芯片晶圓，只能用EUV光刻機(jī)生產(chǎn)。

作為全球唯一一家能EUV光刻機(jī)的廠家，ASML自然獲得了大量的訂單，截止至2019年第二季度，ASML的NEX:3400B EUV光刻機(jī)的裝機(jī)數(shù)量已經(jīng)多達(dá)38臺(tái)，而下半年他們推出了效率更高的NEX:3400C光刻機(jī)。

在2019年 全年一共交付了26套EUV光刻機(jī)，為他們帶來了27.89億歐元的收入，占了全年收入的31%，而全年賣了82臺(tái)的ArFi遠(yuǎn)紫外線光刻機(jī)才進(jìn)賬47.67億歐元，可見一套EUV光刻機(jī)是多么地賺錢。

圖片來源：ASML官網(wǎng)

10月14日，ASML總裁兼首席執(zhí)行官Peter Wennink在介紹公司三季度業(yè)績(jī)時(shí)，說：“我們第三季度的新增訂單達(dá)到了29億歐元，其中5.95億歐元來自4臺(tái)EUV設(shè)備。”由此估算，一臺(tái)EUV光刻機(jī)的售價(jià)高達(dá)1.48億歐元，折合人民幣11.74億元。

這個(gè)價(jià)格有多貴呢？按波音公司2014年產(chǎn)品目錄公布的價(jià)格，一架波音B787飛機(jī)的零售價(jià)為2.571億美元，按現(xiàn)在的匯率計(jì)算，大約合人民幣17.3億元人民幣。

ASML財(cái)報(bào)數(shù)據(jù)顯示，2020年，阿斯麥占據(jù)全球EUV光刻機(jī)出貨的100%，占全球深紫外光刻機(jī)（DUV）出貨的62%，剩下的份額由尼康和佳能瓜分。目前，阿斯麥最新一代極紫外光刻機(jī)TWINSCAN NXE:3600D已交付給客戶，相較于前一代產(chǎn)品，該機(jī)型生產(chǎn)力提高15%-20%，套刻精度提高30%

然而，在全球發(fā)生大規(guī)模“芯荒”之后，美國和歐洲各國政府已集中精力增強(qiáng)本國的芯片制造能力，這導(dǎo)致了政府對(duì)該行業(yè)的直接支持。美國參議院上個(gè)月通過一項(xiàng)法案，要求提供520億美元的補(bǔ)貼來支持國內(nèi)芯片生產(chǎn)。

《華爾街日?qǐng)?bào)》指出，EUV光刻機(jī)不能很快地裝配在一起，隨著全球芯片產(chǎn)能的擴(kuò)張，阿斯麥的光刻機(jī)開始出現(xiàn)供不應(yīng)求，客戶有時(shí)甚至?xí)笤跊]有進(jìn)行全面測(cè)試的情況下發(fā)貨。

圖片來源：ASML官網(wǎng)

這種情況，也讓阿斯麥有底氣說出，即便暫時(shí)無法向中國大陸出貨，其營收也不會(huì)受到影響，“我們的客戶渴望得到這些機(jī)器”！

事實(shí)上，從EUV光刻機(jī)被生產(chǎn)出來那一刻開始，EUV光刻機(jī)就面臨著缺貨問題，一方面是ASML產(chǎn)能低，另外一方面是EUV光刻機(jī)需求巨大。據(jù)悉，三星和臺(tái)積電是目前芯片制造技術(shù)最先進(jìn)的廠商，兩者一直都購買更多EUV光刻機(jī)，甚至三星李在镕都親自去ASML協(xié)商購買更多EUV光刻機(jī)。

另外，英特爾也在購買更多EUV光刻機(jī)，尤其是英特爾宣布進(jìn)入晶圓代工領(lǐng)域，還在2025年重回芯片制造領(lǐng)域中的第一名后，其對(duì)EUV光刻機(jī)的需求更是直線增加。

遺憾的是，根據(jù)ASML發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，今年上半年僅交付了20臺(tái)EUV光刻機(jī)，還積壓了大量的EUV光刻機(jī)訂單，訂單金額高達(dá)幾十億歐元。該數(shù)據(jù)顯示，EUV光刻機(jī)被研發(fā)出來，ASML一直都在想辦法提升產(chǎn)能，但這么多年過去了，ASML共計(jì)出貨100余臺(tái)EUV光刻機(jī)，今年年產(chǎn)能僅為45臺(tái)。

顯然，EUV光刻機(jī)供不應(yīng)求的局面短時(shí)間內(nèi)無法改變，國內(nèi)光刻機(jī)市場(chǎng)狀況又如何呢？

奮力追趕，一步一個(gè)腳印

國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)使用的光刻機(jī)和國際先進(jìn)企業(yè)使用的光刻機(jī)究竟有多大區(qū)別呢？

2015年，英特爾、三星、臺(tái)積電購入ASML出產(chǎn)的10nm制程EUV光刻機(jī)，領(lǐng)先進(jìn)入10nm時(shí)代。而反觀中芯國際歷盡艱辛，只能買到ASML在2010年生產(chǎn)的32nm光刻機(jī)，整整落后了5年。

圖片來源：臺(tái)積電官網(wǎng)

5年的時(shí)間對(duì)于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)來說，已經(jīng)足夠更新?lián)Q代三次！按照公開披露的數(shù)據(jù)，2014年華為的研發(fā)經(jīng)費(fèi)是65億美元，是臺(tái)積電的三倍以上。按照中國半導(dǎo)體行業(yè)業(yè)內(nèi)的共識(shí)，如果中國大陸能像臺(tái)灣省、韓國一樣購進(jìn)最先進(jìn)的EUV光刻機(jī)，中國大陸能夠在短時(shí)間內(nèi)追平世界頂尖的半導(dǎo)體制造水平。

在外購路途不暢的情況下，自研突破封鎖成為國人關(guān)注的焦點(diǎn)。

早在2002年，光刻機(jī)就正式列入“863重大科技攻關(guān)計(jì)劃”。這一年，科技部和上海市政府共同牽頭，國內(nèi)多家企業(yè)共同組建了上海微電子，重點(diǎn)研發(fā)100nm步進(jìn)掃描投影光刻機(jī)。2008年國家啟動(dòng)了主攻裝備、材料和工藝等配套能力的“02專項(xiàng)”，扶持國內(nèi)光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈。除了上海微電子負(fù)責(zé)整機(jī)制造，還扶持了一批配套企業(yè)的研發(fā)：比如長(zhǎng)春光電所、上海光電所和國科精密研究曝光光學(xué)系統(tǒng)，華卓精科承擔(dān)雙工件臺(tái)，南大光電研制光刻膠，啟爾機(jī)電負(fù)責(zé)突破DUV光刻機(jī)液浸系統(tǒng)等。

如今，國產(chǎn)光刻機(jī)在艱難中已有了星星之火。十余年的持續(xù)投入下，國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈在光源系統(tǒng)、曝光光學(xué)系統(tǒng)等方面取得突破。2016年，國科精密研發(fā)的國內(nèi)首套用于高端 IC 制造的 NA=0.75 投影光刻機(jī)物鏡系統(tǒng)、國望光學(xué)研發(fā)的首套90nm節(jié)點(diǎn)ArF投影光刻機(jī)曝光光學(xué)系統(tǒng)都已交付。

圖片來源：上海微電子官網(wǎng)

在國產(chǎn)光刻機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，上海微電子（SMEE）一枝獨(dú)秀。其產(chǎn)品主要采用ArF、KrF和i-line光源，目前只能達(dá)到90nm制程，且主要用于IC的后道封裝和面板領(lǐng)域。SMEE作為國內(nèi)最領(lǐng)先的光刻機(jī)研發(fā)企業(yè)，有非常多的光刻工藝人才，在產(chǎn)業(yè)鏈還未成熟的國內(nèi)光刻機(jī)行業(yè)中，人才優(yōu)勢(shì)是主要核心競(jìng)爭(zhēng)力。作為芯片行業(yè)的上游，目前國內(nèi)還未出現(xiàn)能制造出能滿足芯片行業(yè)需求的企業(yè)，而有著眾多光刻工藝人才的SMEE，自然而然就成為最有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的企業(yè)。

2020年6月初，上海微電子宣布將在2021-2022年交付第一臺(tái)28nm工藝的國產(chǎn)浸入式光刻機(jī)，國產(chǎn)光刻機(jī)有望從此前的90nm工藝一舉突破到28nm工藝。

圖片來源：上海微電子官網(wǎng)

2021年9月18日，上海微電子舉行新產(chǎn)品發(fā)布會(huì)，宣布推出SSB520型新一代大視場(chǎng)高分辨率先進(jìn)封裝光刻機(jī)。據(jù)上微電子官網(wǎng)信息顯示，新一代封裝光刻機(jī)品投影物鏡系統(tǒng)全面升級(jí)，可滿足0.8μm分辨率光刻工藝需求，極限分辨率可達(dá)0.6μm；通過升級(jí)運(yùn)動(dòng)、量測(cè)和控制系統(tǒng)，套刻精度提升至≤100nm，并能保持長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

同時(shí)，上海微電子預(yù)計(jì)會(huì)在2021年年底交付采用ARF光源制程工藝的28nm光刻機(jī)。此光刻機(jī)在經(jīng)過多次曝光之后，可生產(chǎn)出11nm制程芯片。此前上海微電子可量產(chǎn)光刻機(jī)受困于90nm制程達(dá)四年之久，如若成功交付28nm光刻機(jī)，將打破光刻機(jī)國際巨頭ASML公司常年對(duì)成熟和先進(jìn)制程領(lǐng)域的技術(shù)封鎖。

而近年來，在國家政策的扶持以及一批龍頭企業(yè)的帶領(lǐng)下，我國光刻機(jī)技術(shù)也開始了飛速的發(fā)展，由長(zhǎng)春光機(jī)所牽頭承擔(dān)的國家科技重大專項(xiàng)02專項(xiàng)——“極紫外光刻（EUVL）關(guān)鍵技術(shù)研究”項(xiàng)目也順利完成了驗(yàn)收前現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。中科院光電技術(shù)研究所承擔(dān)的“超分辨率光刻裝備研制”項(xiàng)目通過驗(yàn)收、南大光電承擔(dān)的國家科技重大專項(xiàng)（02專項(xiàng)）“極大規(guī)模集成電路制造裝備及成套工藝”之“先進(jìn)光刻膠產(chǎn)品開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化”項(xiàng)目通過驗(yàn)收……在國人共同的努力下，光刻機(jī)顯然有了彎道超車的可能。

正如ASML總裁皮特·韋尼克說：“出口管制將加快中國自主研發(fā)，15年時(shí)間里他們將做出所有的東西”、“中國完全自主掌控供應(yīng)鏈之后，歐洲供應(yīng)商將徹底失去市場(chǎng)”，但短時(shí)間內(nèi)國產(chǎn)光刻機(jī)技術(shù)想追上阿斯麥、佳能及尼康等擁有十幾二十年技術(shù)沉淀的大廠，難度是不小的。畢竟，我們?cè)谶M(jìn)步，別人不會(huì)選擇固步自封。此外，即使擁有了相應(yīng)的技術(shù)，相關(guān)國產(chǎn)零部件等產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)也要跟得上才行。

寫在最后：用產(chǎn)業(yè)的力量尋求突破

光刻機(jī)是技術(shù)壁壘極高的產(chǎn)品，而EUV光刻機(jī)制造更是“難上加難”，不僅體現(xiàn)在技術(shù)設(shè)計(jì)方面，還在于零部件供應(yīng)，一臺(tái)頂尖的EUV光刻機(jī)包含了10萬多個(gè)零部件，全球供應(yīng)商超過5000家，從光刻機(jī)的結(jié)構(gòu)分析來看，美國光源占27%，荷蘭腔體和英國真空部件占32%，日本材料占27%，德國光學(xué)系統(tǒng)占14%。因此，僅從零部件供應(yīng)來說，光刻機(jī)涵蓋的產(chǎn)業(yè)鏈就十分龐大。

然而，我國不僅有著高速發(fā)展的半導(dǎo)體行業(yè)，更有同光刻機(jī)密切相關(guān)且快速成長(zhǎng)且的晶圓產(chǎn)業(yè)。根據(jù) SEMI 統(tǒng)計(jì)，中國計(jì)劃在 2017 年至 2020 年間建立一個(gè)強(qiáng)大、自給自足的半導(dǎo)體供應(yīng)鏈，中國的晶圓制造產(chǎn)能在 2020 年達(dá)到 400 萬片（8英寸）。晶圓產(chǎn)能的快速增長(zhǎng)促進(jìn)了半導(dǎo)體設(shè)備需求的增長(zhǎng)。根據(jù) SEMI 統(tǒng)計(jì)，2020年中國半導(dǎo)體設(shè)備行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模達(dá) 187.20 億美元，同比增長(zhǎng) 39.18%。2009 年至 2020 年，中國半導(dǎo)體設(shè)備行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模復(fù)合增長(zhǎng)率為 31.25%，高于全球市場(chǎng)增長(zhǎng)率 14.59%。

經(jīng)過多年培育，國產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備已經(jīng)取得重大進(jìn)展，整體水平達(dá)到 28nm 制程，并在 14nm 和 7nm 制程實(shí)現(xiàn)了部分設(shè)備的突破。先進(jìn)制程產(chǎn)線為了保證產(chǎn)品良率，我國晶圓廠仍將以采購海外設(shè)備為主，待國產(chǎn)設(shè)備通過客戶驗(yàn)證且下游客戶產(chǎn)能順利爬坡后，國產(chǎn)設(shè)備占比有望提升；而在中低端制程，國產(chǎn)化率有望得到顯著提升。

除傳統(tǒng)硅基晶圓制造外，SiC 等第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料研發(fā)越發(fā)成熟，SiC器件的需求將逐漸增多，將會(huì)帶動(dòng)寬禁帶半導(dǎo)體材料晶圓制造產(chǎn)線的建設(shè)，進(jìn)一步促進(jìn)對(duì)半導(dǎo)體設(shè)備的需求，而這些，都將成為國產(chǎn)光刻機(jī)成長(zhǎng)的“沃土”！