光刻机，国产半导体绕不过的“痛”

Original Trista 芯师爷 2023-10-25

光刻机限制，终究由最先进的极紫外光刻机（EUV）扩大到了深紫外（DUV）。

近日，荷兰政府表示，计划对半导体技术出口实施新的管制，强调限制措施包括ASML制造的一些深紫外（DUV）光刻机。荷兰光刻机巨头阿斯麦（ASML）随后发布声明回应，ASML将需要申请出口许可证才能发运最先进的浸润式DUV系统。

众所周知，早在2019年，ASML就开始停止对中国销售EUV光刻机。“光刻机之痛”，成了我国半导体产业难以逾越的坎儿。

EUV光刻机源自: ASML官网

光刻机的痛，从何而来？

来自完全国产化较难！

每颗芯片都要经过光刻技术的雕琢，光刻机被誉为“芯片产业皇冠上的明珠”，是晶圆厂里最贵的设备，每一代光刻机都在不断挑战人类工业制造能力的极限。

光刻机的原理非常简单，就是类似照相机，用光把图案投射到硅片上。然而实现上有两个难点，一个是如何让图案尽可能的小，另一个是怎么让生产效率最高。

图案要多小呢？最新技术是一平方毫米(比芝麻还小)里面有一亿个晶体管。

生产效率要多高呢？目前的核心技术是一小时出产近300片12英寸（300毫米）晶圆，每片晶圆上要做出上千个芯片。ASML的先进光刻机7x24小时工作，全年停机时间不超过3%，这意味着一台光刻机每年要连续加工出数亿的芯片。

光刻机一次只能曝光指甲那么大的一点区域，一块直径12英寸的晶圆全部曝光一遍至少要移动好几百次，而每次移动，定位要精确到几十纳米（也就是头发丝直径的几万分之一）。你可以想象光刻机台的移动速度有多快。

让动作精密到令人发指的机器，24小时全年连续稳定工作，是工程学上的巨大挑战。

我们经常看到新闻，说某科研单位实现了多少nm光刻，这时你要理解从实验室刻出两条线到工厂7x24之间，是有天壤之别的。

因此，光刻机的技术决定了集成电路的高度，也正是有了更先进的光刻机，摩尔定律才能不断延续，计算机、手机等电子产品性能才能越来越强、功能越来越丰富。同时，芯片制造以及背后的光刻机技术也成为了美国对华科技打压的缩影。

大致来看，光刻机分为两类：

1）DUV深紫外线光刻机：DUV技术由日本和荷兰独立发展，可以制备0.13um到28/14/7nm芯片，也就是说能覆盖7nm及以上制程需求，可满足绝大多数需求；价格为2000-5000万美元/台不等。

2）EUV极紫外线光刻机：与DUV有着本质的不同，EUV自出生就被美国从资本和技术层面全面掌控，适合7nm到5/4/3nm以下芯片，是5nm及更先进制程芯片的刚需，也是未来光刻技术和先进制程的核心，这也是美国牢牢控制EUV技术的重要原因。价格则是1-3亿美元/台。

目前，全球前道光刻机几乎被ASML、尼康、佳能垄断。其中，最先进的EUV光刻机，则由ASML公司完全垄断，且至今未实现量产，2022年预计生产了约50余台，台积电、三星、英特尔等芯片巨头，每年为此抢破了头。

ASML：从青铜走上王者之巅

但其实，早在上世纪80年代，ASML还只是飞利浦旗下的一家合资小公司。全司上下算上老板31位员工，只能挤在飞利浦总部旁临时搭起的板房里办公。在对手的映衬下，显得弱小、可怜，又无助。

ASML成立于1984年的愚人节，和联想同岁，是当时正打算大裁员的飞利浦，为了占个坑观望，与ASM International合作成立，飞利浦并没有大手笔押注光刻机，所以那时候的ASML堪称贫穷，而对手尼康，正来回碾压美国对手：

1982年，尼康在硅谷设立尼康精机，开始从美国巨头 GCA 手里夺下英特尔、德州仪器和超威半导体等大客户。

1984年，伴随着日本芯片产业的迅速崛起，尼康的市场份额就超过了 30%，与 GCA平起平坐。

1986年前后，由于半导体市场不景气，美国大部分光刻机厂商开始先后倒闭，尼康市场份额长期维持50%以上，成为光刻机设备龙头。

在2000年之前的整个16年时间里，光刻机市场差不多都是尼康的后花园，ASML占据的份额不超过10%。

直到一个叫林本坚的华人出现，他当时是台积电研发副总经理。

图源：网络

当时芯片制程进展到65 纳米，以空气为介质的“干式”微影技术遇到瓶颈，在投入数十亿美元的研发后，始终无法将光刻光源的193纳米波长缩短到157纳米。为缩短光波长度，大量科学家和几乎整个半导体业界都被卷进来，砸进数以十亿计的美金，以及大量人力，提出了多种方案。

但这些方案，要么需要增大投资成本，要么太过超前，以当时的技术难以实现.

林本坚来了个脑筋急转弯：既然157nm难以突破，为什么不退回到技术成熟的193nm，把透镜和硅片之间的介质从空气换成水？因为纯水的折射率比空气高，也就是说，如果镜头和晶圆都泡在水里，分辨率可大大提高！

这个方案被称做“浸入式光刻技术”，优势也非常明显。

但是，当林本坚拿着这项“沉浸式光刻”方案，跑遍美国、德国、日本等国，游说各家半导体巨头，却都吃了闭门羹。

正如前文所说，光刻机是“定位精准、唯快不破”，这也是ASML的发展理念。遵循这一理念，ASML尽量不考虑成本和售价，只要做到最精密和最可靠。

理念相同的人很容易一拍即合，林本坚终于在ASML听到了合作的声音。

2004年，ASML和台积电共同研发出全球第一台浸润式微影机，能够助力芯片制程持续突破到10纳米节点，让业界在震惊之余也刮目相看。台积电顺利突破制程节点，拿下了全球一半的晶圆代工订单。尼康的大客户纷纷倒戈，市场份额被ASML不断吞噬，5年后，ASML已经占据了70%的市场份额。

ASML一跃翻身，执掌起代工厂的生杀大权，更成为大国博弈之间的关键大招。正如ASML所说，“如果我们交不出EUV，摩尔定律就会从此停止”。

ASML能从日美大户横行的光刻市场崛起，除了一点运气，还有“穷则思变，变则通，通则达”的必然律起作用。这也是值得我们学习的地方。

光刻机产业链上的中国企业

中国在自动化步进式光刻机领域的起步相对较晚，再加上缺乏人才和技术，与ASML相比有较大差距。但是，经过多年的努力追赶，中国光刻机产业链在一些领域已经实现了突破，初步打破国外巨头完全垄断的局面，让中国光刻机产业链拥有了追赶国际的基础能力。

在此，芯师爷给大家盘点8家在光刻机产业链上取得了一定的突破的中国光刻机企业。

光刻机产业链中游

上海微电子——光刻机的整机生产

成立于2002年，是国内光刻设备领域的龙头企业，主要产品是SSX600系列步进扫描投影光刻机，可满足IC前道制造90nm、110nm、280nm关键层和非关键层的光刻工艺需求。该设备可用于8寸线或12寸线的大规模工业生产。

上海微电子500系列先进封装光刻机产品国内市场占有率达80%以上。尽管相比目前占据主流的中高端芯片5nm、7nm以及14nm制造工艺仍存在相当大的距离，但随着国产技术工艺的不断精细成熟，长期来看实现技术的追赶并非不可能。

光刻机产业链上游

华卓精科——双工件台方面

根据华卓精科官网显示，其生产的光刻机双工件台，打破了ASML公司在光刻机工件台上的技术上的垄断，成为世界上第二家掌握双工件台核心技术的公司。

华卓精科在光刻机双工件台技术上的突破，也为中国自主研发65nm至28nm 双工件干台式及浸没式光刻机奠定了基础，是生产国产光刻机的上海微电子的的光刻机双工件台供应商。建立初衷在于将清华大学在"极大规模集成电路制造装备及成套工艺"国家科技重大专项中积累的尖端技术落地产业化。

科益虹源——光源方面

成立于2016年7月，是在国家大力推动科技成果转化的政策下，由中国科学院光电院、中国科学院微电子研究所、北京亦庄国际投资有限公司、中科院国有资产经营有限公司共同投资创立。

在光源方面，科益虹源公司自主研发设计生产的首台高能准分子激光器，以高质量和低成本的优势，填补中国在准分子激光技术领域的空白，打破国外厂家对该技术产品长期市场垄断局面，其已完成了6khz、60w主流ArF光刻机光源制造，也是上海微电子的光源制造商。

福晶科技——光源方面

成立于2001年，主要从事非线性光学晶体、激光晶体、精密光学元件和激光器件的研发、生产和销售，其产品广泛应用于激光、光通讯、医疗设备、检测分析仪器等各诸多工业领域。

该公司生产的KBBF晶体属于激光设备的上游关键零部件，KBBF晶体是目前可直接倍频产生EUV激光的非线性光学晶体，用于建造超高光分辨率光电子能谱仪、光刻技术等前沿领域。

奥普光学——光学镜头方面

奥普光学成立于2016年，是第三批专精特新企业，从事制造光机电一体化产品的高新技术企业，属于专用仪器仪表制造，主要业务为光电测控仪器设备、光学材料和光栅编码器等产品的研发、生产与销售。奥普光电的大股东为中科院长春光机所，其主要负责我国国产光刻机光源、光学部分的研发工作。

在光学镜头方面，奥普光学提供的镜头可以做到90nm，但是与卡尔蔡司、Nikon等公司还有非常大的差距。

芯微源——涂胶显影方面

芯源微是国内半导体设备稀缺供应商，自2002年年成立以来深耕涂胶显影设备，已经在LED芯片制造及集成电路后道先进封装等环节实现进口替代，目前正向前道扩展。

涂胶显影设备后道领域国内市占率第一，前道产品线实现全面突破。公司是国家02重大专项中唯一的涂胶显影设备厂商，后道产品在国内市占率第一，覆盖台积电及大陆主流封测厂。前道产品中，公司offline实现量产并获得上海华力、士兰集科等晶圆厂订单，I-Line实现小批量产，KrF/ArF在中芯绍兴、青岛芯恩等晶圆厂验证过程较为顺利，ArFi研发顺利。全球先进封装涂胶显影设备市场空间大约2亿美元，前道市场大约40亿美元

菲利华——光罩方面

菲利华成立于1966年，经过50余年的发展，目前已具备生产半导体和光学用大尺寸合成石英材料的能力，是国内唯一一家可以生产大尺寸光掩膜基板的企业，也是高端光学用高精密光学合成石英材料的供应厂商。

在大规格合成石英材料领域，公司已处于国内领先地位，独家研发生产G8 代光掩膜（光罩）基板，目前已推出从G4代到G8代的系列产品，打破了长期以来国外垄断；高端光学合成石英已在多个国家重点项目中使用。

传芯半导体——光罩方面

传芯公司是一家致力于半导体级空白掩模版（即掩模基板）的研发和产业化生产的综合型公司，通过引进国内外专业技术及高端人才，汇聚多方资源，组建专业团队，实现集成电路产业链中关键原材料和零配件的国产化，填补国内半导体级空白掩模版领域的空白。

根据国家知识产权官网公布的信息显示，传芯半导体公开了一项专利，名为“曝光成像结构、反射式光掩模版组及投影式光刻机”，该专利可用于EUV光刻，并且可以提高光刻机的分辨率和对比度，简化光刻工艺。

写在最后

中国多年来积极推动芯片产业链的国产化，但受制于该技术的高壁垒，用于生产芯片的光刻机成为中国半导体设备制造的最大短板。

目前，中国光刻机相关的制造业尚不具备完全自主研发光刻技术的能力，美国通过长臂管辖限制中国光刻机领域的发展，倒逼中国未来需要继续走自主的光刻机技术研发路线，中国半导体产业建立起一套完善的“去A化”的芯片产业链成为实现技术突破的必然选择。

参考资料：

1.光刻机之战，金捷幡

2.光刻机产业链上“用实力说话”的中国企业，《中国科技信息》杂志社