中国“芯”时代之光刻机：国产光刻机风劲潮涌，任重而道远

来源：财华网

最近，誉有“半导体工业皇冠上的明珠”的光刻机，在二级市场火的一塌糊涂。特别是7月20日首台国产SMEE光刻机（28纳米）启动搬迁入之后，整个光刻机板块连续上涨，10个交易日不到板块指数涨幅超10%。据富途数据显示，截至5月初至7月底，短短两个月光刻机概念板块涨幅超过50%。

在光刻机概念板块投资热度高涨的背后，我国光刻机设备高端制造依旧任重而道远，国内光刻机生产商与国际大厂仍有巨大的差距。正因国产企业及国际大厂存在技术工艺上的差距，光刻机设备行业亦是被“卡脖子”的领域。

为了让投资者及读者更加深度了解光刻机行业、行业竞争格局、国产光刻机发展现状、国内巨头上海微电子与全球寡头阿斯麦（ASML）的技术差距，财华社就此策划了《中国“芯”时代之光刻机》专题，深度剖析当前光刻机市场热门话题。

光刻机：半导体设备中不可或缺的一环

集成电路设备是集成电路产业链至关重要的一环。

目前，整个信息产业如同倒金字塔形，底部每年约600亿美元产值的半导体集成电路设备产业，支撑了每年超5,000亿美元产值的半导体芯片产业和几万亿美元的电子系统产业，最终支撑了几十万亿美元的软件、网络、电商及大数据等信息产业。

虽然半导体设备产业的相对体量不大，但它有成百上千倍的放大作用。半导体产业具有“一代设备、一代工艺和一代产品”的行业特点。毫不含糊地讲，若没有半导体设备，就没有半导体芯片，就没有信息时代。

先进集成电路大规模生产线的投资可达100亿美元，75%以上是半导体设备投资。以芯片制作为例，在芯片制造的前道工艺环节，一般占整个芯片总投入比重的70%以上。投资占比大的主要原因是该领域涉及高精密设备最多，技术工艺要求更高，而且在制成芯片的过程中该制造环节需要重复数十次的循环试验，直至将产品质量达到一定的工艺标准。

下图为上游晶圆制作成芯片需要经历的关键步骤：

在芯片制造的前道工艺环节中，最关键、市场规模最大的设备是光刻（光刻曝光）、刻蚀、薄膜沉积（CVD）三大领域。

在芯片制造前道工艺之中，光刻、刻蚀、CVD工艺的步骤数量比例分别为1次、4次、2次。因此，刻蚀和CVD的工艺用量提升最多，光刻则是单次工艺的成本最高。

在这几大半导体设备市场中，绝大数领先的技术工艺被国外大厂掌握。譬如，炉式设备、刻蚀设备、薄膜沉积设备市场中AMAT、TEL、LAM等国际大厂市场份额占据过半，而国内能跟上步伐的仅有北方华创（炉式设备、刻蚀设备）跟沈阳拓荆（薄膜沉积设备）。

然而，在半导体设备中最为重要的一环——光刻机设备，最先进的技术基本被阿斯麦、佳能及尼康三大国际大厂垄断，其中阿斯麦（ASML）几乎在EUV（极紫外光刻）领域是垄断的。而国内能与国际大厂正面抗衡的企业，暂时还没有。

目前，国内光刻机龙头上海微电子芯片光刻机技术还停留在起步阶段与世界领先的超高端技术还有不小差距。

值得一提的是，国内光刻机概念板块中的成份股绝大数只是涉足光刻机零部件、其他种类的光刻机产业投资，并非具备制造芯片所需的光刻机的制造能力。

具体而言，根据用途不同，可以将光刻机分为三类：一是主要用于生产芯片的光刻机；二是用于封装的光刻机；三是用于LED制造领域的投影光刻机。其中，用于生产芯片的光刻机涉及众多世界先进技术，中国光刻机与国外顶尖光刻机存在的差距比较明显。正是因为存在较大差距，才被美国抓到“卡脖子”的机会。

全球光刻机：“日荷”瓜分九成天下，中国正奋力直追

无可否认，近十年时间里，中国经济高速增长无不让全世界其他国际为之惊叹的，甚至在个别领域也实现了“拐弯超车”，远超部分欧洲国家。但是，因为中国进入高质量发展时间短的缘故，在一些高科技紧密领域还与发达国家仍存在一定差距，还需要很长的时间“补课”。其中，国产半导体设备技术与发达国家领先的半导体设备技术存在差距最为显著。

以2014-2018年全球半导体设备供应商TOP10市场占有率的情况来看，包括应用材料（AMAT)、阿斯麦（ASML）、LAM、科磊半导体（KLA）、东京电子（TEL）等在内前十大半导体设备供应商基本占据了超75%的市场，而且市场占有率随着技术迭代及革新越来越高。而这前十大半导体供应商基本都来自美国、日本、韩国及荷兰四大半导体技术发达的国家包揽。

在全球前十大半导体供应商中，拥有全球光刻机最领先的技术的阿斯麦（ASML）也位居在列。阿斯麦所拥有的领先光刻机技术正是以上海微电子为首的国产光刻机企业未来15年共同努力的方向。据了解，中科院曾表示，中国光刻机技术至少落后阿斯麦（ASML）15年。

光刻机有多难，为何中国需要花15年才能追上？

回答这个问题，首先要从光刻机的工作原理来讲，光刻机通过一系列的光源能量、形状控制手段，将光束透射过画着线路图的掩模版，经物镜补偿各种光学误差，将线路图成比例缩小后映射到硅片上，不同光刻机的成像比例不同，有5:1，也有4:1。然后使用化学方法显影，得到刻在硅片上的电路图（即芯片）。

在这个过程中，光刻质量直接决定了芯片是否可用，在这里最核心的就是光源了。

图源：LeadLeo

正是基于这点，一切光刻机的核心零件都是围绕光源来发展的，所以根据光源的改进，光刻机一共可以分为五代，分别是最早的贡灯光源的436纳米波长的光刻机、第二代是DUV光源的365纳米波长的光刻机、第三代是DUV光源的248纳米波长的光刻机（KrF)、第四代是DUV光源的193纳米波长的光刻机（ArF）、第五代则是13.5纳米波长的极紫外光刻机，即EUV光刻机。

图为：EUV光刻机工作场景图 图源：网络

通俗点讲，从目前技术工艺角度来看，谁能将波长控制得越短并实现效能最大化，谁的技术优势愈发明显。这也是光刻机巨头之间较量决定成败及市场占有率的重要筹码，亦是后来者能否实现“拐弯超车”或提升市场竞争力及话语权的关键。

以现如今的荷兰光刻机巨头阿斯麦（ASML）为例，在2000年前，全球光刻机行业龙头是被日本的尼康占据，阿斯麦暂时未有技术实力与之博弈。

阿斯麦实现拐弯超车的是在第三代光刻机时期。在第三代光刻机时期，阿斯麦选择小改进大效果且产品成熟度非常高的浸入式技术，进行稳扎稳打，而尼康则选择创新路线，希望在157nmF2激光及EPL寻求突围，并一举夯实龙头地位。

2003年之后，阿斯麦相继推出浸入式193纳米波动的系列光刻机，而尼康也陆续推出了157nm产品及EPL产品样机。然而，出于对产品质量及效益等成本因素考虑，半导体厂商选择产品成熟度更高的浸入式光刻机。随后不久，国际大厂英特尔及台积电纷纷选择阿斯麦之后，尼康也就此失去挑战摩尔定律的勇气了。而阿斯麦借势而起，开发出全球首款EUV光刻机，全球光刻机寡头地位就此形成。

目前，全球光刻机市场竞争格局中，阿斯麦以75.3%的市场份额占据绝对的优势，而佳能、尼康两家企业分别以11.3%及6.2%位列第二、第三名。

反观国内市场，目前中国只能生产出90纳米的光刻机设备，这也是生产国产光刻机的最高技术水平。这也导致目前我国光刻机只能从阿斯麦、佳能及尼康手中购买。

截止2021-07，长江存储累计公开中标了16台光刻机，其中阿斯麦供应13台，包括3台浸没式光刻机、1台ArF_Dry光刻机、8台248nm的KrF光刻机以及1台365nm的i线光刻机；佳能供应3台i线光刻机。

截止2021-07，华虹无锡累计公开中标了16台光刻机，其中阿斯麦供应15台，包括1台浸没式光刻机、1台ArF_Dry光刻机、8台248nm的KrF光刻机以及5台365nm的i线光刻机；佳能供应1台ArF_Dry光刻机。

截止2021-07，华力Fab6累计公开中标了14台光刻机，全部由阿斯麦供应，包括5台浸没式光刻机、7台248nm的KrF光刻机以及2台365nm的i线光刻机。

虽然我国正举全国之力在攻克半导体产业存在“卡脖子”的领域，但短时间内国产光刻机技术想追上阿斯麦、佳能及尼康等拥有十几二十年技术沉淀的大厂，难度是不小的。毕竟，我们在进步，别人不会选择固步自封。此外，即使拥有了相应的技术，相关国产零部件等产业链技术也要跟得上才行。

以阿斯麦EUV光刻机为例，光组装的零部件就多达10万个。其中，绝大多数零部件供应商都是国外企业提供。在此背景之下，美国又打着单边主义旗帜四处打压他国，中国半导体产业技术创新步伐势必会多多少少受到影响。

除此之外，随着技术革新不断推进，投资成本不断抬高，会让很多企业望尘莫及。具体而言，在摩尔定律的推动下，元器件集成度的大幅提高要求集成电路线宽不断缩小，导致生产技术与制造工序愈为复杂，制造成本呈指数级上升趋势。根据IBS统计，随着技术节点的不断缩小，集成电路制造的设备投入呈大幅上升的趋势。以5纳米技术节点为例，其投资成本高达数百亿美元，是14纳米的两倍以上，28纳米的四倍左右。

结语：

目前，中国半导体产业面临被“卡脖子”等问题，并非只是简单的光刻机技术发展慢的缘故，而是未形成一条完整的国产化半导体产业链，而这个需要国产半导体企业在国策的助力下努力一环一环攻克才行。

中国半导体产业想站上世界之巅，面临的路很难，也很漫长。但是，贵在当前全国上下万众一心，努力攻克各项难关。我们有理由相信，虚心学习，持之以恒，中国可以创造历史。