近期，光刻機的相關(guān)消息鋪天蓋地，在國際貿(mào)易摩擦反復(fù)無常的環(huán)境背景下，業(yè)界對于仍處處受制于他國的光刻機設(shè)備格外關(guān)注。

據(jù)了解，光刻機是通過光學系統(tǒng)將光掩模版上設(shè)計好的集成電路圖形印制到硅襯底的感光材料上，實現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)移，根據(jù)應(yīng)用工序不同，光刻機可以用于集成電路的制造環(huán)節(jié)和封裝環(huán)節(jié)，其中用于封裝環(huán)節(jié)的光刻機在技術(shù)門檻上低于用于制造環(huán)節(jié)的光刻機。

在制造環(huán)節(jié)中，光刻工藝流程決定了芯片的工藝精度及性能水平，對光刻機的技術(shù)要求十分苛刻，因此光刻機也是集成電路制造中技術(shù)門檻、價格昂貴的核心設(shè)備，被譽為集成電路產(chǎn)業(yè)皇冠上的明珠。

01

美日荷光刻機競逐賽

在過去數(shù)十年間，光刻機不斷發(fā)展演進同時推動了集成電路制造工藝不斷發(fā)展演進，集成電路的飛速發(fā)展，光刻技術(shù)起到了極為關(guān)鍵的作用，兩者相輔相成，因而自1947年貝爾實驗室發(fā)明點觸式晶體管，光刻機技術(shù)亦已具備發(fā)展土壤。

光刻機初從美國發(fā)展起來。1959年，仙童半導體研制出全球臺“步進重復(fù)”相機，使用光刻技術(shù)在單個晶圓片上制造了許多相同的硅晶體管。20世紀60年代末，日本企業(yè)尼康和佳能開始進入光刻機領(lǐng)域并逐步崛起，但70年代主要是美國公司的競逐賽。

70年代初，美國Kasper公司推出接觸式光刻設(shè)備；1973年，PerkinElmer公司推出了投影式光刻系統(tǒng)并迅速占領(lǐng)市場，在一段時間里處于主導地位；1978年，GCA公司推出了真正現(xiàn)代意義的自動化步進式光刻機（Stepper），但產(chǎn)量效率相對較低。

80年代日本企業(yè)開始發(fā)力，尼康推出臺商用StepperNSR-1010G，隨后尼康一度占據(jù)光刻機過半市場份額，佳能亦在市場上占有一席之地。值得一提的是，1984年4月，飛利浦與荷蘭公司ASMI正式合資成立ASML，ASML脫胎于飛利浦光刻設(shè)備研發(fā)小組，該小組于1973年已推出其新型光刻設(shè)備。

80年代末到90年代，美國初代光刻機公司走向衰落，GCA被收購后關(guān)閉、PerkinElmer光刻部也被出售，日企尼康處于市場主導地位。同時，ASML亦在逐步發(fā)展，1991年推出了PAS5000光刻機；1995年，ASML在阿姆斯特丹和納斯達克交易所上市。

進入21世紀，ASML強勢崛起。2000年，ASML推出其臺Twinscan系統(tǒng)光刻機；隨后，ASML相繼發(fā)布臺量產(chǎn)浸入式設(shè)備TWINSCANXT:1700i、臺193nm浸入式設(shè)備TWINSCANXT:1900i，一舉力壓尼康、佳能成為全球光刻機市場新霸主。

如今，ASML已成為全球光刻機領(lǐng)域的龍頭企業(yè)，壟斷高端EUV（極紫外）光刻機市場，是全球唯一一家可提供EUV光刻機的企業(yè)。

02

國產(chǎn)光刻機攻關(guān)歷程

在歐美日光刻機市場風云變幻的數(shù)十年間，我國也在通過各種努力研制國產(chǎn)光刻機設(shè)備。據(jù)了解，20世紀70年代我國有清華大學精密儀器系、中科院光電技術(shù)研究所、中電科四十五所等機構(gòu)投入光刻機設(shè)備研制。

除了上述提及的高校/科研單位，國內(nèi)從事光刻機及相關(guān)研究生產(chǎn)的企業(yè)/單位還有上海微電子裝備、中科院長春光機所、合肥芯碩半導體、江蘇影速集成電路裝備，以及光刻機雙工件臺系統(tǒng)企業(yè)北京華卓精科等。

2001年，正式批準在“十五”期間繼續(xù)實施國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃），國家科技部和上海市于2002年共同推動成立上海微電子裝備公司，承擔國家“863計劃”項目研發(fā)100nm高端光刻機。據(jù)悉，中電科四十五所當時將其從事分步投影光刻機團隊整體遷至上海參與其中。

2006年，發(fā)布《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》確定發(fā)展16個重大專項，其中包括“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（02專項）。2008年，批準實施02專項，200多家企事業(yè)單位和2萬多名科研人員參與攻關(guān)，其中EUV光刻技術(shù)列被為“32-22nm裝備技術(shù)前瞻性研究”重要攻關(guān)任務(wù)。

當時，中科院長春光機所作為牽頭單位，聯(lián)合中科院光電技術(shù)研究所、中科院上海光學精密機械研究所、中科院微電子研究所、北京理工大學、哈爾濱工業(yè)大學、華中科技大學，承擔“極紫外光刻關(guān)鍵技術(shù)研究”項目研究工作。

隨后，清華大學牽頭，聯(lián)合華中科技大學、上海微電子裝備和成都工具所承擔02專項“光刻機雙工件臺系統(tǒng)樣機研發(fā)”，以研制光刻機雙工件臺系統(tǒng)樣機為目標，力爭為研發(fā)65-28nm雙工件臺干式及浸沒式光刻機提供具有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品級技術(shù)。

可見，在國產(chǎn)光刻機研發(fā)歷程上，國家在政策上予以支持，并動員了高校、科研機構(gòu)、企業(yè)等科技力量共同進行技術(shù)攻關(guān)。

歷經(jīng)多年努力過，那么國產(chǎn)光刻機研發(fā)方面有何成果？與國際先進水平還有多大差距？

2016年4月，清華大學牽頭的02專項“光刻機雙工件臺系統(tǒng)樣機研發(fā)”項目成功通過驗收，標志中國在雙工件臺系統(tǒng)上取得技術(shù)突破。

2017年6月，中科院長春光機所牽頭的02專項“極紫外光刻關(guān)鍵技術(shù)研究”項目通過驗收，該項目成功研制了波像差優(yōu)于0.75nmRMS的兩鏡EUV光刻物鏡系統(tǒng)，構(gòu)建了EUV光刻曝光裝置，國內(nèi)次獲得EUV投影光刻32nm線寬的光刻膠曝光圖形。

2018年11月，中科院光電技術(shù)研究所承擔的“超分辨光刻裝備研制”項目通過驗收，該裝備在365nm光源波長下，單次曝光線寬分辨力達到22nm，項目在原理上突破分辨力衍射極限，建立了一條高分辨、大面積的納米光刻裝備研發(fā)新路線。..。..

然而，盡管多個光刻機項目取得成果并通過驗收，這些技術(shù)在助力國產(chǎn)光刻機發(fā)展突破上也起到重要作用，但真正實現(xiàn)量產(chǎn)并應(yīng)用于生產(chǎn)線上卻又是另一回事，如上述超分辨光刻裝備要想應(yīng)用于芯片生產(chǎn)還需要攻克一系列技術(shù)難關(guān)，距離國際先進水平還相當遙遠。目前，上海微電子裝備的90nm光刻機仍代表著國產(chǎn)光刻機水平。

據(jù)了解，隨著光源的改進和工藝的創(chuàng)新，光刻機已經(jīng)歷了五代產(chǎn)品的更新替代。第一代為光源g-Line，波長436nm，小工藝節(jié)點0.8-0.25微米；第二代為光源i-Line、波長365nm，小工藝節(jié)點0.8-0.25微米；第三代為光源KrF、波長248nm，小工藝節(jié)點180-130nm；第四代為光源ArF、波長193nm，小工藝節(jié)點45-22nm；第五代為光源EUV、波長13.5nm，小工藝節(jié)點22-7nm。

第五代EUV光刻機是目前全球光刻機先進水平，ASML是唯一一家可量產(chǎn)EUV光刻機的廠商。財報資料顯示，2019年ASML出售了26臺EUV光刻機，主要用于臺積電、三星的7nm及今年開始量產(chǎn)的5nm工藝。近期媒體報道稱，目前ASML正在研發(fā)新一代EUV光刻機，主要面向3nm制程，快將于2021年問世。

日本企業(yè)尼康方面，官網(wǎng)顯示其新的光刻機產(chǎn)品為ArF液浸式掃描光刻機NSR-S635E，搭載高性能對準站inlineAlignmentStation（iAS），曝光光源ArFexcimerlaser、波長193nm，分辨率≦38nm，官方介紹稱這款光刻機“專為5nm工藝制程量產(chǎn)而開發(fā)”。

而上海微電子裝備方面，官網(wǎng)顯示其目前量產(chǎn)的光刻機包括200系列光刻機（TFT曝光）、300系列光刻機（LED、MEMS、PowerDevices制造）、500系列光刻機（IC后道先進封裝）、600系列光刻機（IC前道制造）。其中，用于IC前道制造用的600系列光刻機共有3款，性能好的是SSA600/20，曝光光源ArFexcimerlaser、分辨率90nm。

相較于ASML的EUV光刻機，上海微電子裝備的90nm光刻機無疑落后了多個世代，與尼康相比亦有所落后；再者，目前國內(nèi)晶圓代工廠龍頭企業(yè)中芯國際已可量產(chǎn)14nm制程工藝，根據(jù)半導體設(shè)備要超前半導體產(chǎn)品制造開發(fā)新一代產(chǎn)品的規(guī)律，90nm光刻機已遠不能滿足國內(nèi)晶圓制造的需求。

不過值得一提的是，近期有媒體報道稱，上海微電子裝備披露將于年底量產(chǎn)28nm的immersion式光刻機，在2021年至2022年交付國產(chǎn)第一臺SSA/800-10W光刻機設(shè)備。雖然業(yè)界對此消息頗有爭議，但若該消息屬實，那對于國產(chǎn)光刻機而言不得不說是一重大突破。

04

迎來發(fā)展好時代？

由于技術(shù)嚴重落后于國際先進水平，國內(nèi)光刻機市場長期被ASML、尼康、佳能等企業(yè)所占據(jù)，但隨著國內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)加速發(fā)展，國產(chǎn)光刻機迎來發(fā)展機遇。

近年來，全球半導體產(chǎn)能向國內(nèi)轉(zhuǎn)移，國內(nèi)晶圓生產(chǎn)線不斷擴產(chǎn)或新增，成為全球新建晶圓廠積極的地區(qū)，為國產(chǎn)設(shè)備提供了巨大的市場空間。根據(jù)中國國際招標網(wǎng)信息，長江存儲、華虹無錫等近年新建晶圓廠招標設(shè)備國產(chǎn)化率已顯著提升，包括北方華創(chuàng)、中微公司、屹唐半導體等企業(yè)均有中標。

再者，過去兩年國際貿(mào)易摩擦態(tài)勢反復(fù)，美國對國內(nèi)半導體產(chǎn)業(yè)的技術(shù)限制愈加嚴格。

在此環(huán)境背景下，半導體設(shè)備國產(chǎn)替代迫在眉睫，國家高度重視和大力支持行業(yè)發(fā)展，相繼出臺了多項政策，推動中國半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和加速國產(chǎn)化進程，國產(chǎn)光刻機的發(fā)展情況更是受到了業(yè)界重點關(guān)注。國家的重視與支持以及產(chǎn)業(yè)與市場的迫切需求，將有望促使國產(chǎn)光刻機加快發(fā)展步伐。

還有一個較好的發(fā)展勢頭是在資金方面。半導體設(shè)備投資周期長、研發(fā)投入大，是典型的資本密集型行業(yè)，尤其是光刻機領(lǐng)域。此前，國內(nèi)半導體設(shè)備企業(yè)的主要資金來源于股東投入與政府支持，融資渠道單一，近年來國家大基金、地方性投資基金及民間資本以市場化的投資方式進入半導體產(chǎn)業(yè)，豐富了半導體設(shè)備企業(yè)的資金來源，不少企業(yè)也正在尋求上市。

目前，北方華創(chuàng)、晶盛機電、長川科技等企業(yè)早已登陸資本市場，中微公司、華峰測控、芯源微等半導體設(shè)備企業(yè)亦集中在去年以及今年于科創(chuàng)板上市。光刻機企業(yè)方面，上海微電子裝備于2017年12月已進行輔導備案，光刻機雙工件臺企業(yè)華卓精科亦擬闖關(guān)科創(chuàng)板，近日江蘇影速亦宣布已進入上市輔導階段。

此外，隨著市場資本進入半導體設(shè)備領(lǐng)域，近兩年來亦新增了一些光刻機相關(guān)項目。如今年6月5日，上海博康光刻設(shè)備及光刻材料項目簽約落戶西安高陵，據(jù)西安晚報報道，該項目總占地200畝，總投資13億元；今年4月，埃眸科技納米光刻機項目落戶常熟高新區(qū)，計劃總投資10億元，主要方向為納米壓印光刻機的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售及運營。

有人說，對于半導體設(shè)備產(chǎn)業(yè)而言，這是好的時代、也是壞的時代。面對與國際先進水平的差距以及技術(shù)封鎖，國產(chǎn)光刻機仍有很長的路要走。除去外部因素，自身人才匱乏、技術(shù)欠缺亦是發(fā)展難題，光刻機研制出來后產(chǎn)線驗證難更是制約國產(chǎn)光刻機進入生產(chǎn)線的主要瓶頸之一，種種問題亟待解決。

不過，國內(nèi)越來越多的新增晶圓生產(chǎn)線走向穩(wěn)定，將有望給予國產(chǎn)光刻機等更多“試錯”機會。對于國產(chǎn)光刻機，我們需要承認差距，亦要寄予希望，上海微電子裝備等已燃起了星星之火，我們期待其早日燎原。