光刻機(jī)，國產(chǎn)半導(dǎo)體繞不過的“痛”

光刻機(jī)限制，終究由最先進(jìn)的極紫外光刻機(jī)（EUV）擴(kuò)大到了深紫外（DUV）。

近日，荷蘭政府表示，計(jì)劃對(duì)半導(dǎo)體技術(shù)出口實(shí)施新的管制，強(qiáng)調(diào)限制措施包括ASML制造的一些深紫外（DUV）光刻機(jī)。荷蘭光刻機(jī)巨頭阿斯麥（ASML）隨后發(fā)布聲明回應(yīng)，ASML將需要申請(qǐng)出口許可證才能發(fā)運(yùn)最先進(jìn)的浸潤式DUV系統(tǒng)。

眾所周知，早在2019年，ASML就開始停止對(duì)中國銷售EUV光刻機(jī)?！肮饪虣C(jī)之痛”，成了我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)難以逾越的坎兒。

光刻機(jī)的痛，從何而來？

來自完全國產(chǎn)化較難！

每顆芯片都要經(jīng)過光刻技術(shù)的雕琢，光刻機(jī)被譽(yù)為“芯片產(chǎn)業(yè)皇冠上的明珠”，是晶圓廠里最貴的設(shè)備，每一代光刻機(jī)都在不斷挑戰(zhàn)人類工業(yè)制造能力的極限。

光刻機(jī)的原理非常簡單，就是類似照相機(jī)，用光把圖案投射到硅片上。然而實(shí)現(xiàn)上有兩個(gè)難點(diǎn)，一個(gè)是如何讓圖案盡可能的小，另一個(gè)是怎么讓生產(chǎn)效率最高。

圖案要多小呢？最新技術(shù)是一平方毫米(比芝麻還小)里面有一億個(gè)晶體管。

生產(chǎn)效率要多高呢？目前的核心技術(shù)是一小時(shí)出產(chǎn)近300片12英寸（300毫米）晶圓，每片晶圓上要做出上千個(gè)芯片。ASML的先進(jìn)光刻機(jī)7x24小時(shí)工作，全年停機(jī)時(shí)間不超過3%，這意味著一臺(tái)光刻機(jī)每年要連續(xù)加工出數(shù)億的芯片。

光刻機(jī)一次只能曝光指甲那么大的一點(diǎn)區(qū)域，一塊直徑12英寸的晶圓全部曝光一遍至少要移動(dòng)好幾百次，而每次移動(dòng)，定位要精確到幾十納米（也就是頭發(fā)絲直徑的幾萬分之一）。你可以想象光刻機(jī)臺(tái)的移動(dòng)速度有多快。

讓動(dòng)作精密到令人發(fā)指的機(jī)器，24小時(shí)全年連續(xù)穩(wěn)定工作，是工程學(xué)上的巨大挑戰(zhàn)。

我們經(jīng)?？吹叫侣?，說某科研單位實(shí)現(xiàn)了多少nm光刻，這時(shí)你要理解從實(shí)驗(yàn)室刻出兩條線到工廠7x24之間，是有天壤之別的。

因此，光刻機(jī)的技術(shù)決定了集成電路的高度，也正是有了更先進(jìn)的光刻機(jī)，摩爾定律才能不斷延續(xù)，計(jì)算機(jī)、手機(jī)等電子產(chǎn)品性能才能越來越強(qiáng)、功能越來越豐富。同時(shí)，芯片制造以及背后的光刻機(jī)技術(shù)也成為了美國對(duì)華科技打壓的縮影。

大致來看，光刻機(jī)分為兩類：

1）DUV深紫外線光刻機(jī)：DUV技術(shù)由日本和荷蘭獨(dú)立發(fā)展，可以制備0.13um到28/14/7nm芯片，也就是說能覆蓋7nm及以上制程需求，可滿足絕大多數(shù)需求；價(jià)格為2000-5000萬美元/臺(tái)不等。

2）EUV極紫外線光刻機(jī)：與DUV有著本質(zhì)的不同，EUV自出生就被美國從資本和技術(shù)層面全面掌控，適合7nm到5/4/3nm以下芯片，是5nm及更先進(jìn)制程芯片的剛需，也是未來光刻技術(shù)和先進(jìn)制程的核心，這也是美國牢牢控制EUV技術(shù)的重要原因。價(jià)格則是1-3億美元/臺(tái)。

目前，全球前道光刻機(jī)幾乎被ASML、尼康、佳能壟斷。其中，最先進(jìn)的EUV光刻機(jī)，則由ASML公司完全壟斷，且至今未實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，2022年預(yù)計(jì)生產(chǎn)了約50余臺(tái)，臺(tái)積電、三星、英特爾等芯片巨頭，每年為此搶破了頭。

ASML：從青銅走上王者之巔

但其實(shí)，早在上世紀(jì)80年代，ASML還只是飛利浦旗下的一家合資小公司。全司上下算上老板31位員工，只能擠在飛利浦總部旁臨時(shí)搭起的板房里辦公。在對(duì)手的映襯下，顯得弱小、可憐，又無助。

ASML成立于1984年的愚人節(jié)，和聯(lián)想同歲，是當(dāng)時(shí)正打算大裁員的飛利浦，為了占個(gè)坑觀望，與ASM International合作成立，飛利浦并沒有大手筆押注光刻機(jī)，所以那時(shí)候的ASML堪稱貧窮，而對(duì)手尼康，正來回碾壓美國對(duì)手：

1982年，尼康在硅谷設(shè)立尼康精機(jī)，開始從美國巨頭 GCA 手里奪下英特爾、德州儀器和超威半導(dǎo)體等大客戶。

1984年，伴隨著日本芯片產(chǎn)業(yè)的迅速崛起，尼康的市場份額就超過了 30%，與 GCA平起平坐。

1986年前后，由于半導(dǎo)體市場不景氣，美國大部分光刻機(jī)廠商開始先后倒閉，尼康市場份額長期維持50%以上，成為光刻機(jī)設(shè)備龍頭。

在2000年之前的整個(gè)16年時(shí)間里，光刻機(jī)市場差不多都是尼康的后花園，ASML占據(jù)的份額不超過10%。

直到一個(gè)叫林本堅(jiān)的華人出現(xiàn)，他當(dāng)時(shí)是臺(tái)積電研發(fā)副總經(jīng)理。

當(dāng)時(shí)芯片制程進(jìn)展到65 納米，以空氣為介質(zhì)的“干式”微影技術(shù)遇到瓶頸，在投入數(shù)十億美元的研發(fā)后，始終無法將光刻光源的193納米波長縮短到157納米。為縮短光波長度，大量科學(xué)家和幾乎整個(gè)半導(dǎo)體業(yè)界都被卷進(jìn)來，砸進(jìn)數(shù)以十億計(jì)的美金，以及大量人力，提出了多種方案。

但這些方案，要么需要增大投資成本，要么太過超前，以當(dāng)時(shí)的技術(shù)難以實(shí)現(xiàn).

林本堅(jiān)來了個(gè)腦筋急轉(zhuǎn)彎：既然157nm難以突破，為什么不退回到技術(shù)成熟的193nm，把透鏡和硅片之間的介質(zhì)從空氣換成水？因?yàn)榧兯恼凵渎时瓤諝飧?，也就是說，如果鏡頭和晶圓都泡在水里，分辨率可大大提高！

這個(gè)方案被稱做“浸入式光刻技術(shù)”，優(yōu)勢也非常明顯。

但是，當(dāng)林本堅(jiān)拿著這項(xiàng)“沉浸式光刻”方案，跑遍美國、德國、日本等國，游說各家半導(dǎo)體巨頭，卻都吃了閉門羹。

正如前文所說，光刻機(jī)是“定位精準(zhǔn)、唯快不破”，這也是ASML的發(fā)展理念。遵循這一理念，ASML盡量不考慮成本和售價(jià)，只要做到最精密和最可靠。

理念相同的人很容易一拍即合，林本堅(jiān)終于在ASML聽到了合作的聲音。

2004年，ASML和臺(tái)積電共同研發(fā)出全球第一臺(tái)浸潤式微影機(jī)，能夠助力芯片制程持續(xù)突破到10納米節(jié)點(diǎn)，讓業(yè)界在震驚之余也刮目相看。臺(tái)積電順利突破制程節(jié)點(diǎn)，拿下了全球一半的晶圓代工訂單。尼康的大客戶紛紛倒戈，市場份額被ASML不斷吞噬，5年后，ASML已經(jīng)占據(jù)了70%的市場份額。

ASML一躍翻身，執(zhí)掌起代工廠的生殺大權(quán)，更成為大國博弈之間的關(guān)鍵大招。正如ASML所說，“如果我們交不出EUV，摩爾定律就會(huì)從此停止”。

ASML能從日美大戶橫行的光刻市場崛起，除了一點(diǎn)運(yùn)氣，還有“窮則思變，變則通，通則達(dá)”的必然律起作用。這也是值得我們學(xué)習(xí)的地方。

光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈上的中國企業(yè)

中國在自動(dòng)化步進(jìn)式光刻機(jī)領(lǐng)域的起步相對(duì)較晚，再加上缺乏人才和技術(shù)，與ASML相比有較大差距。但是，經(jīng)過多年的努力追趕，中國光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈在一些領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了突破，初步打破國外巨頭完全壟斷的局面，讓中國光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈擁有了追趕國際的基礎(chǔ)能力。

在此，芯師爺給大家盤點(diǎn)8家在光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈上取得了一定的突破的中國光刻機(jī)企業(yè)。

光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈中游

上海微電子——光刻機(jī)的整機(jī)生產(chǎn)

成立于2002年，是國內(nèi)光刻設(shè)備領(lǐng)域的龍頭企業(yè)，主要產(chǎn)品是SSX600系列步進(jìn)掃描投影光刻機(jī)，可滿足IC前道制造90nm、110nm、280nm關(guān)鍵層和非關(guān)鍵層的光刻工藝需求。該設(shè)備可用于8寸線或12寸線的大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。

上海微電子500系列先進(jìn)封裝光刻機(jī)產(chǎn)品國內(nèi)市場占有率達(dá)80%以上。盡管相比目前占據(jù)主流的中高端芯片5nm、7nm以及14nm制造工藝仍存在相當(dāng)大的距離，但隨著國產(chǎn)技術(shù)工藝的不斷精細(xì)成熟，長期來看實(shí)現(xiàn)技術(shù)的趕并非不可能。

光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈上游

華卓精科——雙工件臺(tái)方面

根據(jù)華卓精科官網(wǎng)顯示，其生產(chǎn)的光刻機(jī)雙工件臺(tái)，打破了ASML公司在光刻機(jī)工件臺(tái)上的技術(shù)上的壟斷，成為世界上第二家掌握雙工件臺(tái)核心技術(shù)的公司。

華卓精科在光刻機(jī)雙工件臺(tái)技術(shù)上的突破，也為中國自主研發(fā)65nm至28nm 雙工件干臺(tái)式及浸沒式光刻機(jī)奠定了基礎(chǔ)，是生產(chǎn)國產(chǎn)光刻機(jī)的上海微電子的的光刻機(jī)雙工件臺(tái)供應(yīng)商。建立初衷在于將清華大學(xué)在"極大規(guī)模集成電路制造裝備及成套工藝"國家科技重大專項(xiàng)中積累的尖端技術(shù)落地產(chǎn)業(yè)化。

科益虹源——光源方面

成立于2016年7月，是在國家大力推動(dòng)科技成果轉(zhuǎn)化的政策下，由中國科學(xué)院光電院、中國科學(xué)院微電子研究所、北京亦莊國際投資有限公司、中科院國有資產(chǎn)經(jīng)營有限公司共同投資創(chuàng)立。

在光源方面，科益虹源公司自主研發(fā)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的首臺(tái)高能準(zhǔn)分子激光器，以高質(zhì)量和低成本的優(yōu)勢，填補(bǔ)中國在準(zhǔn)分子激光技術(shù)領(lǐng)域的空白，打破國外廠家對(duì)該技術(shù)產(chǎn)品長期市場壟斷局面，其已完成了6khz、60w主流ArF光刻機(jī)光源制造，也是上海微電子的光源制造商。

福晶科技——光源方面

成立于2001年，主要從事非線性光學(xué)晶體、激光晶體、精密光學(xué)元件和激光器件的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售，其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于激光、光通訊、醫(yī)療設(shè)備、檢測分析儀器等各諸多工業(yè)領(lǐng)域。

該公司生產(chǎn)的KBBF晶體屬于激光設(shè)備的上游關(guān)鍵零部件，KBBF晶體是目前可直接倍頻產(chǎn)生EUV激光的非線性光學(xué)晶體，用于建造超高光分辨率光電子能譜儀、光刻技術(shù)等前沿領(lǐng)域。

奧普光學(xué)——光學(xué)鏡頭方面

奧普光學(xué)成立于2016年，是第三批專精特新企業(yè)，從事制造光機(jī)電一體化產(chǎn)品的高新技術(shù)企業(yè)，屬于專用儀器儀表制造，主要業(yè)務(wù)為光電測控儀器設(shè)備、光學(xué)材料和光柵編碼器等產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)與銷售。奧普光電的大股東為中科院長春光機(jī)所，其主要負(fù)責(zé)我國國產(chǎn)光刻機(jī)光源、光學(xué)部分的研發(fā)工作。

在光學(xué)鏡頭方面，奧普光學(xué)提供的鏡頭可以做到90nm，但是與卡爾蔡司、Nikon等公司還有非常大的差距。

芯微源——涂膠顯影方面

芯源微是國內(nèi)半導(dǎo)體設(shè)備稀缺供應(yīng)商，自2002年年成立以來深耕涂膠顯影設(shè)備，已經(jīng)在LED芯片制造及集成電路后道先進(jìn)封裝等環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)進(jìn)口替代，目前正向前道擴(kuò)展。

涂膠顯影設(shè)備后道領(lǐng)域國內(nèi)市占率第一，前道產(chǎn)品線實(shí)現(xiàn)全面突破。公司是國家02重大專項(xiàng)中唯一的涂膠顯影設(shè)備廠商，后道產(chǎn)品在國內(nèi)市占率第一，覆蓋臺(tái)積電及大陸主流封測廠。前道產(chǎn)品中，公司offline實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)并獲得上海華力、士蘭集科等晶圓廠訂單，I-Line實(shí)現(xiàn)小批量產(chǎn)，KrF/ArF在中芯紹興、青島芯恩等晶圓廠驗(yàn)證過程較為順利，ArFi研發(fā)順利。全球先進(jìn)封裝涂膠顯影設(shè)備市場空間大約2億美元，前道市場大約40億美元

菲利華——光罩方面

菲利華成立于1966年，經(jīng)過50余年的發(fā)展，目前已具備生產(chǎn)半導(dǎo)體和光學(xué)用大尺寸合成石英材料的能力，是國內(nèi)唯一一家可以生產(chǎn)大尺寸光掩膜基板的企業(yè)，也是高端光學(xué)用高精密光學(xué)合成石英材料的供應(yīng)廠商。

在大規(guī)格合成石英材料領(lǐng)域，公司已處于國內(nèi)領(lǐng)先地位，獨(dú)家研發(fā)生產(chǎn)G8 代光掩膜（光罩）基板，目前已推出從G4代到G8代的系列產(chǎn)品，打破了長期以來國外壟斷；高端光學(xué)合成石英已在多個(gè)國家重點(diǎn)項(xiàng)目中使用。

傳芯半導(dǎo)體——光罩方面

傳芯公司是一家致力于半導(dǎo)體級(jí)空白掩模版（即掩模基板）的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的綜合型公司，通過引進(jìn)國內(nèi)外專業(yè)技術(shù)及高端人才，匯聚多方資源，組建專業(yè)團(tuán)隊(duì)，實(shí)現(xiàn)集成電路產(chǎn)業(yè)鏈中關(guān)鍵原材料和零配件的國產(chǎn)化，填補(bǔ)國內(nèi)半導(dǎo)體級(jí)空白掩模版領(lǐng)域的空白。

根據(jù)國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)官網(wǎng)公布的信息顯示，傳芯半導(dǎo)體公開了一項(xiàng)專利，名為“曝光成像結(jié)構(gòu)、反射式光掩模版組及投影式光刻機(jī)”，該專利可用于EUV光刻，并且可以提高光刻機(jī)的分辨率和對(duì)比度，簡化光刻工藝。

寫在最后

中國多年來積極推動(dòng)芯片產(chǎn)業(yè)鏈的國產(chǎn)化，但受制于該技術(shù)的高壁壘，用于生產(chǎn)芯片的光刻機(jī)成為中國半導(dǎo)體設(shè)備制造的最大短板。

目前，中國光刻機(jī)相關(guān)的制造業(yè)尚不具備完全自主研發(fā)光刻技術(shù)的能力，美國通過長臂管轄限制中國光刻機(jī)領(lǐng)域的發(fā)展，倒逼中國未來需要繼續(xù)走自主的光刻機(jī)技術(shù)研發(fā)路線，中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)建立起一套完善的“去A化”的芯片產(chǎn)業(yè)鏈成為實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破的必然選擇。