關(guān)注 | 芯片“印鈔機(jī)”的背后：人類物理的極限探索與大國博弈的必爭之地

伴隨著中國的芯片安全問題，光刻機(jī)也成為業(yè)界焦點(diǎn)。

它單價售價超1億美元，依然供不應(yīng)求，被認(rèn)為是摩爾定律當(dāng)下的重要推手，勝似芯片公司的“印鈔機(jī)”。它集各學(xué)科之大成，設(shè)備重達(dá)幾十噸，需要多臺波音飛機(jī)運(yùn)輸，被認(rèn)為是半導(dǎo)體工業(yè)皇冠上的明珠。它雖是工業(yè)設(shè)備、商業(yè)產(chǎn)品，但其命運(yùn)從未擺脫大國之間的競合博弈。

摩爾定律攻艱2nm 的物理極限的當(dāng)下，疊加復(fù)雜國際關(guān)系，光刻機(jī)也成為2020年應(yīng)該了解的行業(yè)之一。為此，我們做了這篇輕度行業(yè)研究，希望真實(shí)的呈現(xiàn)這個行業(yè)的過去、現(xiàn)在和未來。

我們希望在本文回答以下問題：

為什么光刻機(jī)對于芯片行業(yè)有這么重要的意義？

為什么當(dāng)下最先進(jìn)的光刻機(jī)如此難研制？

當(dāng)下全球光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)格局如何？ASML是如何成為最為重要的光刻機(jī)玩家？

國產(chǎn)光刻機(jī)與國外的差距主要體現(xiàn)在哪里？

為什么中外光刻機(jī)會存在這樣的差距？

隨著光刻機(jī)逼近物理學(xué)、材料學(xué)、精密制造的極限，未來會呈現(xiàn)什么樣的發(fā)展趨勢？

一、為什么光刻機(jī)這么重要—— “如果我們交不出EUV光刻機(jī)，摩爾定律就會從此停止”

光刻機(jī)有多重要？

作為全球光刻機(jī)最為前沿的公司，荷蘭ASML公司如是說——“如果我們交不出EUV光刻機(jī)，摩爾定律就會從此停止”。

過去五十多年，半導(dǎo)體行業(yè)一直遵循著摩爾定律這一經(jīng)濟(jì)規(guī)律：集成電路上可容納的元器件的數(shù)，每隔18個月就會增加一倍。這意味著每隔18個月，為了實(shí)現(xiàn)芯片性能提升一倍以上，芯片的制程就會縮小至少一倍。

20世紀(jì)初期的芯片納米制程進(jìn)度表，圖片來自互聯(lián)網(wǎng)

21世紀(jì)初，芯片還剛剛進(jìn)入百納米制程。當(dāng)時的光刻機(jī)，門檻還不高。在2007年，中國上海微電子裝備有限公司成立5年，當(dāng)年研發(fā)出了90nm光刻機(jī)。事實(shí)上，在更早的上世紀(jì)七八十年代，諸如尼康、佳能等光學(xué)廠商、Intel等芯片廠商都做出過光刻機(jī)。

　　
（一）為什么光刻機(jī)對芯片行業(yè)這么重要？我們可以先來簡單先來拆解下。

1、芯片的制造過程

為了更清晰的表達(dá)光刻機(jī)對于芯片行業(yè)和摩爾定律的重要性，我們可以先來簡單描述下芯片的制作過程。

可以看一個簡單、直接的有關(guān)芯片是如何研發(fā)、生產(chǎn)的示意圖：

　　半導(dǎo)體行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈，圖片來自中泰證券

一家公司要研發(fā)芯片，他們會使用Cadence、Synospsys這些公司提供的EDA工具來輔助設(shè)計芯片，期間會用到來自于本公司自研或者ARM等第三方的各種IP核，在芯片設(shè)計完成后會交給TSMC臺積電、UMC聯(lián)電、SMIC中芯國際等晶圓代工廠生產(chǎn)，這些代工廠的生產(chǎn)設(shè)備就包括了來自ASML等的光刻機(jī)。最后經(jīng)過日月光、長電科技的封測，形成完整芯片。

可以說，光刻的主要作用是將掩模版上的芯片電路圖轉(zhuǎn)移到硅片上，是IC制造的核心環(huán)節(jié)，也是整個IC制造中最復(fù)雜、最關(guān)鍵的工藝步驟。

2、光刻機(jī)的原理

光刻技術(shù)是指光刻膠在特殊波長光線或者電子束下發(fā)生化學(xué)變化，通過曝光、顯影、刻蝕等工藝過程，將設(shè)計在掩膜上的圖形轉(zhuǎn)移到襯底上的圖形精細(xì)加工技術(shù)。

光刻機(jī)一般是通過激光或電子束直接寫在光掩模板上,然后用激光輻照光掩模板，晶圓上的光敏物質(zhì)因感光而發(fā)生材料性質(zhì)的改變，通過顯影，從而完成芯片從設(shè)計版圖到硅片的轉(zhuǎn)移。這其實(shí)很像是照相機(jī)+投影儀的組合，只不過最后希望將電路圖印到硅片上。

我們以激光為光源的光刻機(jī)為例，來看下其簡易工作原理和流程。在制造芯片時，首先在晶圓（硅晶片）表面涂光感膠，再用光線透過掩模版（相當(dāng)于芯片電路圖紙的底片）照射硅片表面，被光線照射到的光感膠會發(fā)生反應(yīng)。此后用特定溶劑洗去被照射或者未被照射的膠，電路圖就印到硅片上。

3、為什么光刻機(jī)對芯片行業(yè)如此重要？

從上文不能看出，在IC制造的環(huán)節(jié)，光刻機(jī)是處于前道工藝最前端的一環(huán)。

一般來說，芯片的性能受晶體管密度影響，同樣面積下晶體管越多，即晶體管線寬越小，芯片性能越強(qiáng)。我們?nèi)粘Ｂ牭降膸准{米工藝，其中的納米即代表的相應(yīng)光刻工藝能加工出的晶體管線寬。

因此，可以說，光刻機(jī)性能的先進(jìn)性，就在一定程度上，代表了芯片性能的先進(jìn)性。

二、為什么當(dāng)下最先進(jìn)的光刻機(jī)如此難研制？——無限逼近物理學(xué)、材料學(xué)、精密制造的極限

2020年2月，全球光刻機(jī)“帶頭大哥”ASML宣布，可能最早于2021年推出新一代的EUV光刻機(jī)EXE:5000系列，這意味著生產(chǎn)3nm、2nm制程的芯片有了可能。在此之前，當(dāng)下最先進(jìn)的光刻機(jī)為ASLM推出的NXE:3400C，物鏡系統(tǒng)的數(shù)值孔徑為0.33，可支持7nm、5nm制程的芯片制造。

事實(shí)上，研發(fā)這兩款機(jī)器，所耗費(fèi)的資金很可能已不下于百億美元，加上其前期的準(zhǔn)備工作耗時也長達(dá)十多年。

光刻機(jī)分類

（一）當(dāng)下最先進(jìn)的光刻機(jī)到底有多難？

為了更形象的量化當(dāng)下最先進(jìn)的EUV光刻機(jī)難度，我們可以先講幾個直觀的數(shù)據(jù)：　

• 一臺EUV光刻機(jī)一般有超十多萬個零件、4萬個螺栓、十幾公里走線、幾百噸重量；　
• 
  一臺EUV光刻機(jī)一般需要4臺左右的波音747才能完成運(yùn)輸；　　
• 
  2015年時一臺EUV光刻機(jī)的售價高達(dá)1.2億美元；　　
• 
  目前知名的光刻機(jī)公司ASML有2.5萬員工，9500名左右的研發(fā)人員，2300名博士，有6萬名左右的供應(yīng)商技術(shù)伙伴，且需要每年投入10-15%的營收作為研發(fā)投入。　　

每一次芯片制程提升有多難？1nm大約相當(dāng)于頭發(fā)直徑的五萬分之一。要達(dá)到這樣的精度提升，其難度不難想象。

在《光刻機(jī)之戰(zhàn)》一文中，作者金捷幡也曾做過一個比喻，“由于光刻精度是幾納米，EUV對光的集中度要求極高，相當(dāng)于拿個手電照到月球光斑不超過一枚硬幣。反射要求的鏡子要求長30cm起伏不到0.3nm，這相當(dāng)于是北京到上海做根鐵軌起伏不超過1毫米”。

可以說，當(dāng)下最先進(jìn)的EUV光刻機(jī)，其難度已經(jīng)無限逼近物理學(xué)、材料學(xué)、精密制造的極限

（二）為什么當(dāng)下的光刻機(jī)難研制？

1、光刻機(jī)的進(jìn)化其實(shí)是不斷降低波長的進(jìn)程

根據(jù)摩爾定律，集成電路上可容納的元器件的數(shù)，每隔18個月就會增加一倍。這意味著，集成電路芯片的集成度大約每三年增加4倍，半導(dǎo)體器件的特征尺寸大約每三年縮小兩倍。

如上文所講，芯片的性能受晶體管密度影響，同樣面積下晶體管越多，即晶體管線寬越小，芯片性能越強(qiáng)。我們?nèi)粘Ｂ牭降膸准{米工藝，其中的納米即代表的相應(yīng)光刻工藝能加工出的晶體管線寬。

那如何才能提高線寬呢？這里就涉及到了一個重要的光學(xué)公式——瑞利公式Rayleigh Criterion。

其中，R代表的是最小的半角分辨率；K是與經(jīng)驗(yàn)相關(guān)的常數(shù)，一般由光刻工藝決定，比如光刻膠和掩模圖形形狀；λ表示入射光波長；NA表示曝光系統(tǒng)的數(shù)值孔徑，NA的數(shù)值多在0.25-1.35之間。

光刻機(jī)想要縮小晶體管線寬，即是需要提高光刻分辨率，即公式中的R值要足夠低，這就意味著要降低波長（即降低λ值）、提高工藝水平（即降低k值）、提高曝光系統(tǒng)的數(shù)值孔徑（即提高NA值）。過去幾十年，行業(yè)的普遍做法是降低波長（降低λ值），即研發(fā)出可用于光刻機(jī)的更短波長的光源。

光譜

可以說，過去幾十年，光刻機(jī)的光源就是從紅外線的最右側(cè)不停無限接近紫外線最左側(cè)的過程。今天所謂的EUV極紫外光刻機(jī)，使用的即是紫外線波段最左側(cè)的光譜。

在《光刻機(jī)之戰(zhàn)》一文中也詳細(xì)的描述了這一進(jìn)程：90年代前半期，光刻開始使用波長365nm i-line，后半期開始使用248nm的KrF激光；其中，00年代光刻開始使用193nm波長的DUV激光（即因?yàn)殡y度而變得著名的ArF準(zhǔn)分子激光）。

光刻技術(shù)發(fā)展歷程及趨勢

光刻機(jī)初登場時，光源采用波長為436mn的高壓汞燈g-line，NA數(shù)值為0.28一0.30。90年代前半期，光刻開始使用波長365nm i-line， NA數(shù)值為0.50一0.55，以存儲芯片為例，主要用于16Mibt DRAM制造工藝。90年代后半期，開始使用248nm的KrF激光，NA數(shù)值為0.60左右，以存儲芯片為例，主要用于64Mibt DRAM、256Mibt DRAM制造工藝。00年代光刻開始使用193nm波長的DUV激光（即因?yàn)殡y度而變得著名的ArF準(zhǔn)分子激光）。

目前常在新聞中出現(xiàn)的EUV則是極紫外線，其波長達(dá)到了13.5nm。根據(jù)知乎作者ArtoriasPhD的介紹，這里還有一個有意思的題外話，之所以從365nm、248nm、193nm ，跳過了進(jìn)度條上的157nm，直接到了13.5nm波長的EUV，一個主要的原因即是157nm會被大部分的透鏡吸收，發(fā)熱嚴(yán)重會導(dǎo)致鏡面發(fā)生形變，無法準(zhǔn)確反射和對焦，當(dāng)時曾考慮用用螢石氟化鈣來做透鏡，但成本巨高且只有佳能掌握一些小型螢石透鏡的制造技術(shù)，幾年之后終于放棄。

2、使用低波長的光源

典型的光刻機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如上圖所示，包括了以下四個部分：光源；照明系統(tǒng)；投影光學(xué)系統(tǒng)；工作臺。

一般來說，由光源發(fā)出的光波，經(jīng)由照明系統(tǒng)的多層薄膜反射鏡投射到反射掩模上，反射出的光波再通過面反射鏡光學(xué)微縮投影系統(tǒng)，將反射掩模上的集成電路幾何圖形投影成像到硅片上的抗蝕劑中，形成集成電路所需要的光刻圖形。

使用低波長的光源，不僅會帶來照明系統(tǒng)、投影光學(xué)系統(tǒng)、工作臺的變化，也會對材料等帶來新挑戰(zhàn)。

我們以當(dāng)下關(guān)注度最高的EUV光刻機(jī)為例，進(jìn)行拆解。

要保證光刻工作，首先就需要保證光源的“能力”，以及多次反射后最終可以精準(zhǔn)投影。因此，要保證光刻機(jī)所需要的能力，首先需要制造出合格的光源。以ASML為例，為了解決光源制造問題，收購了全球領(lǐng)先的準(zhǔn)分子激光器供應(yīng)商Cymer。這里所謂的合格是指，在適當(dāng)?shù)某杀鞠拢瑢?shí)現(xiàn)特定功率的窄帶EUV輸出。

其次，需要設(shè)計專門的透鏡保證通過不斷反射聚集光源，以透鏡吸收光的能量。有一個統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，每反射1次，EUV的能量就會損失30%，十幾次反射后，到達(dá)晶圓的光線理論上只剩下2%。韓國企業(yè)海力士曾經(jīng)表示，極紫外光EUV的能源轉(zhuǎn)換效率只有0.02%左右。若按這一轉(zhuǎn)化率推算，ASML的EUV光刻機(jī)輸出功率為250瓦，那輸入功率很可能需要達(dá)到125萬瓦，每天耗電3萬度。因此，需要EUV光刻機(jī)的微縮投影光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)由數(shù)量盡可能少的反射鏡構(gòu)成。這將會減少光學(xué)設(shè)計時的自由變量，限制光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。為此，一般會通過非球面反射鏡，增加微縮投影光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計時的自由變量。但采用非球面反射鏡，就會產(chǎn)生畸變，而畸變又會導(dǎo)致圖像錯位，最終導(dǎo)致掩模復(fù)制圖形的畸變。因此，投影系統(tǒng)需要具有足夠的分辨率的基礎(chǔ)上做到最小畸變。

再次，性能優(yōu)異的掩模照明系統(tǒng)與性能優(yōu)異的微縮投影光學(xué)系統(tǒng)配合，才能發(fā)揮作用。掩模照明光學(xué)系統(tǒng)也被認(rèn)為是EUV光刻機(jī)中極為重要的分系統(tǒng)之一，直接左右著整個裝置的性能。掩模照明光學(xué)系統(tǒng)必須同時滿足這樣一些條件：從EUV光源中盡可能收集最大能量的窄帶EUV輻射，并在掩模上形成與微縮投影光學(xué)系統(tǒng)相匹配的環(huán)形照明視場；同時保證環(huán)狀照明視場的輻射照度均勻性。這也意味著對工藝的高要求。

此外，材料也是一個重要難點(diǎn)。比如，在248nm 和 193nm 中，使用的是有機(jī)化學(xué)放大光刻膠 CAR，但到了EUV時代，因?yàn)楣庠茨芰看蠓黾?，CAR的表現(xiàn)就有可能不穩(wěn)定，從而影響芯片良率。而如果到了X光光刻，則需要新的合適的光刻材料。

（三）光刻機(jī)難研制的另一個難題——資金

從上文的技術(shù)拆解，不難猜到。要做光刻機(jī)還有另一個難題——資金。

事實(shí)上，光刻機(jī)由于技術(shù)難度大，研發(fā)資金投入巨大，以至于佳能和索尼都虧損嚴(yán)重，已經(jīng)停止研發(fā)，退出未來技術(shù)的競爭。美國等發(fā)達(dá)國家研究光刻機(jī)，幾乎每年都有超過90個億的資金作為研發(fā)費(fèi)用。到目前為止這些掌握光刻機(jī)技術(shù)的國家大約都花費(fèi)了約4000億元

ASML在10月14日發(fā)布的的2020年第三季度財務(wù)報表示，ASML2020年第三季度的總營收為39.58億歐元，研發(fā)費(fèi)用5.34億歐元，約占總營收的13.49%；2020年第二季度研發(fā)費(fèi)用5.67億歐元，約占此季度總營收的16.87%；2020年第一季度研發(fā)費(fèi)用為5.44億歐元，約占此季度總營收的22.28%。2019年整年總營收為118億歐元，研發(fā)費(fèi)用高達(dá)20億歐元，約占總營收的16.94%，較2018年的16億歐元有大幅增長。ASML表示：在過去的五年里，ASML的研發(fā)投資已經(jīng)達(dá)到70億歐元。據(jù)e公司報道，ASML每年逾10億歐元的研發(fā)投入，連續(xù)20年才研發(fā)出最新一款光刻設(shè)備——EUV光刻機(jī)。

目前光刻機(jī)市場的老大ASML幾乎可以說是整個光刻機(jī)技術(shù)的壟斷者，他們每年投入的研發(fā)費(fèi)用，幾乎是某些世界500強(qiáng)企業(yè)的三個季度的收入。ASML，為了籌集資金，同時也是進(jìn)行上下游利益捆綁，研發(fā)風(fēng)險共擔(dān)，邀請英特爾、三星和臺積電出資，做自己的大股東。ASML實(shí)際上是美、日、韓、德等共同投資的項目，才能保證資金夠用。

三、光刻機(jī)的歷史

（一）光刻機(jī)的技術(shù)路線發(fā)展

1、技術(shù)進(jìn)步變化　

在摩爾定律的驅(qū)動下，光學(xué)光刻技術(shù)經(jīng)了五代變革。20世紀(jì)70—80年代，光刻設(shè)備主要采用普通光源和汞燈作為曝光光源，其特征尺寸在微米級以上。曝光波長最早從436nm的g線，到90 年代前半期光刻技術(shù)開始使用波長 365nm的i線，后半期開始使用 248nm 的 KrF 激光，進(jìn)入21世紀(jì)后，光刻技術(shù)開始使用 193nm 波長的 DUV 激光，這就是著名的 ArF 準(zhǔn)分子激光，技術(shù)上跨越了1μm、0.5μm、0.35μm、0.1μm、90nm、65nm、45nm等節(jié)點(diǎn)。目前最新的光刻技是EUV（極紫外式光刻機(jī)）波長也縮短至13.5nm，制程節(jié)點(diǎn)也提高到7-3nm。目前光學(xué)光刻技術(shù)正朝著縮短曝光光源波長、提高數(shù)值孔徑和改進(jìn)曝光方式的方向前進(jìn)。

2、193nm光刻：改寫歷史商業(yè)格局的技術(shù)突破

提到光刻機(jī)的技術(shù)，不得不提的是193nm的技術(shù)突破。從結(jié)果上來看，超越193nm波長的浸潤式技術(shù)橫空出世，不僅讓光刻機(jī)領(lǐng)域換了只領(lǐng)頭羊，也讓光刻機(jī)迎來了下一個時代——EUV時代。但整個過程的艱辛則貫穿了上世界90年代。

上世紀(jì)90年代，光刻機(jī)的光源波長被193nm卡死，成為了擺在全行業(yè)面前的一道難關(guān)?？茖W(xué)家和產(chǎn)業(yè)界提出了各種超越 193nm 的方案，其中包括尼康等公司主張的157nm 的F2 激光、EUV LCC聯(lián)盟押注的更激進(jìn)的EUV(13.5nm) 、日本公司和IBM支持的X 光以及電子束投射 (EPL)、離子投射 (IPL)等技術(shù)。

這時候，2002年臺積電的頂級微影專家林本堅研究出了以水作為介質(zhì)的193納米浸潤式光刻技術(shù)：把透鏡和硅片之間的介質(zhì)從空氣換成水，由于水的折射率大約是1.4，那么波長可縮短132nm。這個想法雖然最初被各家半導(dǎo)體巨頭拒絕，畢竟這只是理想情況，在精密的機(jī)器中加水構(gòu)建浸潤環(huán)境，既要考慮實(shí)際性能，又要擔(dān)心環(huán)境污的問題染。

但是當(dāng)時“初出茅廬不怕虎”的ASML還是選擇了和林本堅一起****一把，押注浸潤式技術(shù)有可能以小博大，之后的一年里，ASML與林本堅合作研制出了第一臺樣機(jī)并先后奪下IBM和臺積電等大客戶的訂單。尼康雖然緊隨其后也推出了干式微影157nm技術(shù)的成品，但被ASML搶占了先機(jī)，而且在波長技術(shù)上不及ASML，因此商業(yè)上并未占優(yōu)。

因?yàn)樵谶@次157nm光源干刻法與193nm光源濕刻法的技術(shù)之爭中****贏了，ASML在光刻機(jī)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了彎道超車，光刻機(jī)領(lǐng)域不僅換了只領(lǐng)頭羊，也讓光刻機(jī)迎來了下一個時代——EUV時代。

這里可以再稍微補(bǔ)充一下。光刻機(jī)根據(jù)光刻機(jī)的光源可以分為紫外光源（UV），深紫外光源（DUV），極紫外光源（EUV），以此遞進(jìn)的關(guān)系，波長越來越小，分辨率會越來越高。通的DUV光刻機(jī)使用的是193nm的深紫外光，現(xiàn)在的EUV光刻機(jī)使用的是波長13.5nm的極紫外光。隨著EUV技術(shù)的誕生，實(shí)現(xiàn)14nm、10nm、和7nm制程的芯片生產(chǎn)，而通過技術(shù)升級，也可以實(shí)現(xiàn)9nm，8nm，6nm，5nm，4nm乃至3nm等制程的芯片生產(chǎn)。

（二）ASML是如何成為今天最為重要的光刻玩家

1、ASML的財務(wù)數(shù)據(jù)

從ASML披露的近五年的財報數(shù)據(jù)顯示，ASML近五年內(nèi)凈銷售額和凈收入都呈上升趨勢，特別是2016-2018年ASML的營收大幅上漲。截止到2019年年底，ASML在研發(fā)方面的支出一年已達(dá)到20億歐元，這不是一個普通的企業(yè)能在短期募集到的資金規(guī)模。據(jù)知乎用戶兜兜的介紹，早期ASML發(fā)展較慢時，為了保持技術(shù)方面的領(lǐng)先，以“客戶聯(lián)合投資計劃”之名進(jìn)行研發(fā)資金的募捐：客戶以出資換取EUV光刻機(jī)的優(yōu)先訂貨權(quán)，協(xié)助客戶提高產(chǎn)品產(chǎn)量。通過這一計劃，ASML用23%的股權(quán)，獲得來自三星5.03億歐元股權(quán)投資及2.75億歐元的研發(fā)支持，臺積電8.38億歐元的股權(quán)投資，以及長期合作伙伴英特爾41億美元的股權(quán)以及10億美元研發(fā)支持，保證了自己的霸主壟斷地位。

ASML在研發(fā)費(fèi)用方面長期領(lǐng)先于行業(yè)對手。長期以來，其研發(fā)費(fèi)用/總銷售額比率一直穩(wěn)定在20%左右，遠(yuǎn)超行業(yè)平均水平3%。除此之外，ASML長期握有大量現(xiàn)金，保證研發(fā)費(fèi)用不受經(jīng)濟(jì)周期影響。也正是由于在研發(fā)上大量的投入才換來ASML如今光刻技術(shù)水平一直保持行業(yè)第一的地位。

ASML的技術(shù)壁壘顯而易見，生態(tài)壁壘則是其看不見的護(hù)城河。

早期，ASML加入了美國能源部與英特爾共同建立的EUV LLC聯(lián)盟，與當(dāng)時的技術(shù)領(lǐng)先的AMD、摩托羅拉等企業(yè)共享頂尖技術(shù)，人才及資源。這可以理解成在別人的生態(tài)中“廣結(jié)善緣”。

后期，ASML則憑借著上下游關(guān)系，搭建了自己的生態(tài)。ASML的CEO Peter Wennink曾提到，“ASML是系統(tǒng)集成商，將數(shù)百家公司的技術(shù)整合在一起，一臺光刻機(jī)需要80000個零件”。而因?yàn)槠洚a(chǎn)品的精密性、復(fù)雜性，也因?yàn)槠滟Y金密集性高，ASML則不得不對一些上下游的合作伙伴技術(shù)共享，甚至讓其中一部分企業(yè)成為自己的股東。

四、光刻機(jī)的歷史

（一）中國光刻機(jī)發(fā)展史

順著時間的脈絡(luò)，讓我們走進(jìn)中國光刻機(jī)最初的時代。

我國的光刻機(jī)發(fā)展歷史可以追溯到上世紀(jì)五十年代，1956年，我國第一支晶體三極管誕生，自此中國的半導(dǎo)體行業(yè)進(jìn)入了新紀(jì)元，緊接著，1958年，第一枚鍺晶體管試制成功，1962年，第一代硅平面晶體管（采用平面工藝制作的晶體管）問世。1966年，109廠與上海光學(xué)儀器廠協(xié)作，成功研制出我國第一臺65型接觸式光刻機(jī)。

伴隨著半導(dǎo)體行業(yè)研究的興起，中國于1977年成功研發(fā)出屬于中國的第一臺光刻機(jī)——GK-3型半自動光刻機(jī)，據(jù)相關(guān)資料顯示，這是一臺接觸式光刻機(jī)。此后一年也就是1978年，恰逢改革開放之際，我國在GK-3的基礎(chǔ)上研發(fā)了GK-4，同時也把加工圓片直徑從50nm提高到了75nm，自動化程度提高了很多，但還是未擺脫接觸式光刻機(jī)，同年，中科院半導(dǎo)體所開始研制JK-1型半自動接近時光刻機(jī)。1980年，清華大學(xué)研制出第四代分步式投影光刻機(jī)，光刻精度達(dá)到3微米。1981年，中科院半導(dǎo)體所研制成功JK-1半自動接近式光刻機(jī)。1982年，科學(xué)院109廠成功研制KHA75-1型半自動進(jìn)階接觸式光刻機(jī)。1985年，機(jī)電部45所成功研制出BG-101分步式光刻機(jī)樣機(jī)，這是中國第一臺分步投影式光刻機(jī)。

80年代前期可以說是中國早期光刻機(jī)加速發(fā)展，努力縮短中外差距的幾年，但到了80年代中后期，隨著改革開放的深入發(fā)展，一方面開始大規(guī)模引進(jìn)外資，光刻機(jī)行業(yè)內(nèi)出現(xiàn)了“造不如買”的思想，實(shí)質(zhì)上已經(jīng)放棄了自主攻關(guān)，而且迫于時代特征，國家重視抓高速增長的產(chǎn)業(yè)，而光刻機(jī)這種需要長期高投入的項目逐漸被邊緣化，得不到國家的重視，致使光刻機(jī)技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化停滯不前。另一方面，在《國產(chǎn)光刻機(jī)發(fā)展史回顧》一文中寫到了西方發(fā)達(dá)國家對我國光刻機(jī)技術(shù)的限制，限制光刻機(jī)相關(guān)配件對我國的出口。由于這兩方面的原因，好不容易可以望其項背的中國又要開始與國外脫節(jié)了。直到九十年代，我國光刻機(jī)的光源已經(jīng)被卡在193nm長達(dá)20多年。

進(jìn)入21世紀(jì)，乘著中國半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的東風(fēng)，光刻技術(shù)重新得到了國家的重視，逐漸開始發(fā)展起來。我國也開始啟動193nmArF光刻機(jī)項目。2002年，上海微電子裝備設(shè)備有限公司成立，這家公司在中國的光刻機(jī)發(fā)展史中有著舉足輕重的作用，剛剛成立就承擔(dān)了國家“十五”光刻機(jī)攻關(guān)項目。2008年，“極大規(guī)模集成電路制造裝備及成套工藝”專項將ASML的EUV技術(shù)列為下一代光刻技術(shù)重點(diǎn)攻關(guān)的方向，國家計劃在2030年實(shí)現(xiàn)EUV光刻機(jī)的國產(chǎn)化。2016年上海微電子已經(jīng)量產(chǎn)90nm，110nm，280nm三種光刻機(jī)。2017年，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所牽頭研發(fā)的“極紫外光刻關(guān)鍵技術(shù)”通過驗(yàn)收。2018年，中科院研制的“超分辨光刻裝備”通過驗(yàn)收。光刻分辨力達(dá)到22納米，結(jié)合雙重曝光技術(shù)后，未來還可用于制造10納米級別的芯片。據(jù)悉，

2020年6月初，上海微電子宣布將在2021-2022年交付第一臺28nm工藝的國產(chǎn)浸入式光刻機(jī)，國產(chǎn)光刻機(jī)有望從此前的90nm工藝一舉突破到28nm工藝，但實(shí)際上與世界上最先進(jìn)的ASML公司仍然有20年左右的差距。

2、中外差距

在中國發(fā)明出第一支晶體三極管的時候距離貝爾實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的世界上第一支點(diǎn)接觸三極管已經(jīng)有九年之久了。美國在二十世紀(jì)五十年代就已經(jīng)研發(fā)出了接觸式光刻機(jī)，而中國在1977年才研發(fā)出的出第一臺光刻機(jī)——GK-3型半自動光刻機(jī)，這期間又相差了二十多年。

但到了上世紀(jì)80年代，中國在光刻機(jī)領(lǐng)域的研究水平與國外的差距逐漸縮小，相關(guān)資料顯示，1980年代研制的第四代分步式投影光刻機(jī)的光刻精度已經(jīng)接近國際主流水平。1982年的KHA75-1型半自動接近接觸式光刻機(jī)在某些重要的指標(biāo)（比如掩膜變形量等）上已達(dá)到佳能PLA500-F的水平。1985年研制的中國第一臺分步式光刻機(jī)BG-101使得中國在分步光刻機(jī)上與國外的差距不超過7年，大大縮短了中外之間的差距。

由于80年代中后期的不被重視以及技術(shù)限制使得剛縮短的距離又要被拉大。90年代的ASML已經(jīng)開始EUV光刻機(jī)的研發(fā)工作，而直到二十一世紀(jì)，中國才剛剛開始啟動193nmArF光刻機(jī)項目，足足落后ASML20多年。

進(jìn)入新世紀(jì)后，中國的光刻機(jī)事業(yè)得到了國家的重視，有了一定的發(fā)展，但是由于2018年之前我國一直是從海外購買到光刻機(jī)以及半導(dǎo)體芯片，所以我國的光刻機(jī)行業(yè)的發(fā)展一直處于一種不緊不慢、不溫不火的狀態(tài)中，與世界領(lǐng)先的研發(fā)水平的差距并沒有有效縮小，只是處于跟跑的階段。目前來看，中國與世界上光刻機(jī)領(lǐng)域最先進(jìn)的ASML公司仍然有二十年左右的差距。

這里引用一下知乎用戶朝陽區(qū)戴老板的話：“就當(dāng)前世界光刻機(jī)行業(yè)的現(xiàn)實(shí)情況來看，排在上海微電子裝備有限公司前面的參賽選手只剩下了3名，荷蘭的ASML，日本的佳能和尼康。如果單純按照數(shù)字評分的話，ASML如果是100分，佳能大概20分，尼康大概25分，上海微電子大概5分。”

可以說，中外差距仍是“路漫漫其修遠(yuǎn)兮”，仍需“吾將上下而求索”。中國的光刻機(jī)發(fā)展之路還很漫長，需要資金、技術(shù)、人才、企業(yè)、政府各方面的投入。

五、國際光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)格局

　　中商產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)顯示，2016-2018年，全球IC制造前道光刻機(jī)全球銷量整體處于上升趨勢，2018年全球出貨量達(dá)到374臺。2019年出貨量略有下降，全年為359臺。

　　從競爭格局來看，目前，據(jù)全球光刻機(jī)市場的主要企業(yè)即ASML，尼康和佳能三家，ASML在全球光刻機(jī)市場產(chǎn)業(yè)格局中約占比75%，尼康約占比13%，佳能約占比6%，其他公司約總占比7%。

從光刻機(jī)銷售額來看，2019年三家企業(yè)的合計市場份額就占到了全球光刻機(jī)市場的90%以上。據(jù)中商情報網(wǎng)報道，荷蘭ASML公司的主要產(chǎn)品為各級別的光刻機(jī)，2019年阿斯麥銷售了229臺光刻機(jī)，其中占比最大的是ArFi光刻機(jī)，且市場占比高達(dá)88%；其次是KrF光刻機(jī)，市場占比高達(dá)71%，而且值得一提的是ASML公司的EUV光刻機(jī)的市場占比可達(dá)到100%，完全壟斷了整個市場。尼康目前主要為中高端機(jī)型，包括ArF、KrF、KrF、i-line光源，在ASML之后才推出浸入式光刻機(jī)，曾經(jīng)是光刻機(jī)領(lǐng)域的第一，但是現(xiàn)在已經(jīng)落后于ASML。佳能專注于低端產(chǎn)品，只有i-line和Kr-F光刻機(jī)，沒有浸入式光刻機(jī)，現(xiàn)在佳能已逐漸減少在半導(dǎo)體光刻機(jī)領(lǐng)域的投資，轉(zhuǎn)向面板光刻機(jī)領(lǐng)域。

在國產(chǎn)光刻機(jī)領(lǐng)域中，上海微電子獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷，作為國內(nèi)最領(lǐng)先的光刻機(jī)研發(fā)企業(yè)同時也是國內(nèi)最具競爭優(yōu)勢的企業(yè)，其產(chǎn)品主要采用ArF、KrF和i-line光源，目前只能達(dá)到90nm制程，且主要用于IC的后道封裝和面板領(lǐng)域。

六、光刻機(jī)的未來發(fā)展趨勢 

（一）未來光刻機(jī)依然不是大市場

今天大家關(guān)注度最高的還是2nm、3nm的光刻機(jī)，主要是手機(jī)芯片領(lǐng)域，但其實(shí)之前的較大制程光刻機(jī)仍在銷售，銷量還不錯。從行業(yè)供給來看，2014-2018年，光刻機(jī)領(lǐng)域排名前三的企業(yè)（ASML、尼康、佳能）銷售量呈現(xiàn)波動增長的態(tài)勢。2019年，光刻機(jī)銷售量有所下滑，全球銷量為354臺，較2018年下降了3.8%。2020年第一季度，全球光刻機(jī)領(lǐng)域排名前三企業(yè)銷售量實(shí)現(xiàn)85臺。除了應(yīng)用于IC前道的光刻機(jī)之外，封裝光刻機(jī)以及LED/MEMS/功率器件光刻機(jī)利基市場也不斷發(fā)展。智研咨詢發(fā)布的《2020-2026年中國光刻機(jī)行業(yè)市場競爭力分析及投資前景趨勢報告》數(shù)據(jù)顯示：從需求量來看，先進(jìn)封裝光刻機(jī)市場需求更大且增速最高，是利基市場的主要拉動力量。2015-2020年先進(jìn)封裝、MEMS以及LED光刻機(jī)出貨量將持續(xù)增長，預(yù)計到2020年總需求量將超過250臺/年。但整體規(guī)模也只是在每年數(shù)百臺左右的需求量，所以未來光刻機(jī)依然不會是一個很大的市場。

（二）X光光刻機(jī)暫時仍無法實(shí)現(xiàn)工程化量產(chǎn)

在半導(dǎo)體工業(yè)領(lǐng)域，X射線光刻機(jī)技術(shù)也是被研究的光刻技術(shù)。據(jù)知乎用戶我為科技狂的描述，現(xiàn)今的EUV極紫外光刻技術(shù)技術(shù)相對成熟，光學(xué)特性佳，經(jīng)濟(jì)性好。X射線的波長從0.001nm到10nm。更小的波長意味著可以減少光波的衍射，利于形成微小清晰的影像。而X射線光刻機(jī)技術(shù)，具有更好的穿透性，可以成形的縱橫比更高，制造下一代3D晶體管與更小納米的芯片。

現(xiàn)在用X射線光刻的公司，主要采用的是LIGA技術(shù)，用來制造高深寬比結(jié)構(gòu)的一種技術(shù)，可以制造出100:1的深寬比，應(yīng)用于mems技術(shù)當(dāng)中。但X射線光刻機(jī)技術(shù)最大的問題也正是由于它的穿透性太強(qiáng)導(dǎo)致了無法用透鏡進(jìn)行放大和縮小，因此圖形尺寸和掩模版的尺寸相同，例如100nm尺寸的圖形需要100nm尺寸的掩模版，所以x射線光刻過分依賴電子束光刻掩模版的精度，所以目前沒有大量普及。目前用X射線做的最小精度為30nm，這個精度卡在中間不上不下，做cmos器件精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，做mems又用不到這么小的尺寸，并且成本也不便宜。

此前曾有ASML的專家在線下向36氪表示，目前EUV至少還能向前迭代1代，有迭代2代的可能，這大約會有至少10年的周期，從經(jīng)濟(jì)性上考慮，EUV光刻機(jī)可能能支持到2nm、1.4nm制程。

（三）芯片小型化微縮化的其他補(bǔ)充解決方案

芯片小型化、微縮化是不可逆的趨勢。光刻機(jī)的進(jìn)步代表著先進(jìn)進(jìn)程，這之外，產(chǎn)業(yè)也在積極尋找其他既能讓芯片維持小體積，又能保持芯片高效能的方式。整體來看，目前芯片微縮的方向有幾大思路，包括：幾何微縮、電路微縮、器件微縮、架構(gòu)微縮。各方案也都有一些科研和產(chǎn)業(yè)進(jìn)展。如我們常聽到的3D封裝、2.5D封裝等均是在這一背景下出現(xiàn)的。