光刻機，國產(chǎn)半導體繞不過的“痛”

光刻機限制，終究由最先進的極紫外光刻機（EUV）擴大到了深紫外（DUV）。

近日，荷蘭政府表示，計劃對半導體技術(shù)出口實施新的管制，強調(diào)限制措施包括ASML制造的一些深紫外（DUV）光刻機。荷蘭光刻機巨頭阿斯麥（ASML）隨后發(fā)布聲明回應，ASML將需要申請出口許可證才能發(fā)運最先進的浸潤式DUV系統(tǒng)。

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

光刻機的痛，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，光刻機被譽為“芯片產(chǎn)業(yè)皇冠上的明珠”，是晶圓廠里最貴的設備，每一代光刻機都在不斷挑戰(zhàn)人類工業(yè)制造能力的極限。

光刻機的原理非常簡單，就是類似照相機，用光把圖案投射到硅片上。然而實現(xiàn)上有兩個難點，一個是如何讓圖案盡可能的小，另一個是怎么讓生產(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)里面有一億個晶體管。

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

光刻機一次只能曝光指甲那么大的一點區(qū)域，一塊直徑12英寸的晶圓全部曝光一遍至少要移動好幾百次，而每次移動，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）。你可以想象光刻機臺的移動速度有多快。

讓動作精密到令人發(fā)指的機器，24小時全年連續(xù)穩(wěn)定工作，是工程學上的巨大挑戰(zhàn)。

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

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

大致來看，光刻機分為兩類：

1）DUV深紫外線光刻機：DUV技術(shù)由日本和荷蘭獨立發(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；價格為2000-5000萬美元/臺不等。

2）EUV極紫外線光刻機：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及更先進制程芯片的剛需，也是未來光刻技術(shù)和先進制程的核心，這也是美國牢牢控制EUV技術(shù)的重要原因。價格則是1-3億美元/臺。

目前，全球前道光刻機幾乎被ASML、尼康、佳能壟斷。其中，最先進的EUV光刻機，則由ASML公司完全壟斷，且至今未實現(xiàn)量產(chǎn)，2022年預計生產(chǎn)了約50余臺，臺積電、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，早在上世紀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搭起的板房里辦公。在對手的映襯下，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，是當時正打算大裁員的飛利浦，為了占個坑觀望，與ASM International合作成立，飛利浦并沒有大手筆押注光刻機，所以那時候的ASML堪稱貧窮，而對手尼康，正來回碾壓美國對手：

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

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，由于半導體市場不景氣，美國大部分光刻機廠商開始先后倒閉，尼康市場份額長期維持50%以上，成為光刻機設備龍頭。

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

直到一個叫林本堅的華人出現(xiàn)，他當時是臺積電研發(fā)副總經(jīng)理。

當時芯片制程進展到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，大量科學家和幾乎整個半導體業(yè)界都被卷進來，砸進數(shù)以十億計的美金，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，以當時的技術(shù)難以實現(xiàn).

林本堅來了個腦筋急轉(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？因為純水的折射率比空氣高，也就是說，如果鏡頭和晶圓都泡在水里，分辨率可大大提高！

這個方案被稱做“浸入式光刻技術(shù)”，優(yōu)勢也非常明顯。

但是，當林本堅拿著這項“沉浸式光刻”方案，跑遍美國、德國、日本等國，游說各家半導體巨頭，卻都吃了閉門羹。

正如前文所說，光刻機是“定位精準、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，只要做到最精密和最可靠。

理念相同的人很容易一拍即合，林本堅終于在ASML聽到了合作的聲音。

2004年，ASML和臺積電共同研發(fā)出全球第一臺浸潤式微影機，能夠助力芯片制程持續(xù)突破到10納米節(jié)點，讓業(yè)界在震驚之余也刮目相看。臺積電順利突破制程節(jié)點，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，摩爾定律就會從此停止”。

ASML能從日美大戶橫行的光刻市場崛起，除了一點運氣，還有“窮則思變，變則通，通則達”的必然律起作用。這也是值得我們學習的地方。

光刻機產(chǎn)業(yè)鏈上的中國企業(yè)

中國在自動化步進式光刻機領(lǐng)域的起步相對較晚，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，中國光刻機產(chǎn)業(yè)鏈在一些領(lǐng)域已經(jīng)實現(xiàn)了突破，初步打破國外巨頭完全壟斷的局面，讓中國光刻機產(chǎn)業(yè)鏈擁有了追趕國際的基礎能力。

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

光刻機產(chǎn)業(yè)鏈中游

上海微電子——光刻機的整機生產(chǎn)

成立于2002年，是國內(nèi)光刻設備領(lǐng)域的龍頭企業(yè)，主要產(chǎn)品是SSX600系列步進掃描投影光刻機，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系列先進封裝光刻機產(chǎn)品國內(nèi)市場占有率達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大的距離，但隨著國產(chǎn)技術(shù)工藝的不斷精細成熟，長期來看實現(xiàn)技術(shù)的趕并非不可能。

光刻機產(chǎn)業(yè)鏈上游

華卓精科——雙工件臺方面

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

華卓精科在光刻機雙工件臺技術(shù)上的突破，也為中國自主研發(fā)65nm至28nm 雙工件干臺式及浸沒式光刻機奠定了基礎，是生產(chǎn)國產(chǎn)光刻機的上海微電子的的光刻機雙工件臺供應商。建立初衷在于將清華大學在"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，是在國家大力推動科技成果轉(zhuǎn)化的政策下，由中國科學院光電院、中國科學院微電子研究所、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)設計生產(chǎn)的首臺高能準分子激光器，以高質(zhì)量和低成本的優(yōu)勢，填補中國在準分子激光技術(shù)領(lǐng)域的空白，打破國外廠家對該技術(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晶體、激光晶體、精密光學元件和激光器件的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售，其產(chǎn)品廣泛應用于激光、光通訊、醫(yī)療設備、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——光學鏡頭方面

奧普光學成立于2016年，是第三批專精特新企業(yè)，從事制造光機電一體化產(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)務為光電測控儀器設備、光學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所，其主要負責我國國產(chǎn)光刻機光源、光學部分的研發(fā)工作。

在光學鏡頭方面，奧普光學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)半導體設備稀缺供應商，自2002年年成立以來深耕涂膠顯影設備，已經(jīng)在LED芯片制造及集成電路后道先進封裝等環(huán)節(jié)實現(xiàn)進口替代，目前正向前道擴展。

涂膠顯影設備后道領(lǐng)域國內(nèi)市占率第一，前道產(chǎn)品線實現(xiàn)全面突破。公司是國家02重大專項中唯一的涂膠顯影設備廠商，后道產(chǎn)品在國內(nèi)市占率第一，覆蓋臺積電及大陸主流封測廠。前道產(chǎn)品中，公司offline實現(xiàn)量產(chǎn)并獲得上海華力、士蘭集科等晶圓廠訂單，I-Line實現(xiàn)小批量產(chǎn)，KrF/ArF在中芯紹興、青島芯恩等晶圓廠驗證過程較為順利，ArFi研發(fā)順利。全球先進封裝涂膠顯影設備市場空間大約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)半導體和光學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)，也是高端光學用高精密光學合成石英材料的供應廠商。

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；高端光學合成石英已在多個國家重點項目中使用。

傳芯半導體——光罩方面

傳芯公司是一家致力于半導體級空白掩模版（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)團隊，實現(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，填補國內(nèi)半導體級空白掩模版領(lǐng)域的空白。

根據(jù)國家知識產(chǎn)權(quán)官網(wǎng)公布的信息顯示，傳芯半導體公開了一項專利，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”，該專利可用于EUV光刻，并且可以提高光刻機的分辨率和對比度，簡化光刻工藝。

寫在最后

中國多年來積極推動芯片產(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)芯片的光刻機成為中國半導體設備制造的最大短板。

目前，中國光刻機相關(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)走自主的光刻機技術(shù)研發(fā)路線，中國半導體產(chǎn)業(yè)建立起一套完善的“去A化”的芯片產(chǎn)業(yè)鏈成為實現(xiàn)技術(shù)突破的必然選擇。