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(xué)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(dǎo)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(jì)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(dǎo)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(dǎo)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(jì)，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(fēng)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(jì)70年代我國有清華大學(xué)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(dǎo)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(zhǔn)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(dān)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(dāng)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(xué)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(zhǔn)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(dāng)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(xué)精密機械研究所、中科院微電子研究所、北京理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)，承擔(dān)“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(xué)牽頭，聯(lián)合華中科技大學(xué)、上海微電子裝備和成都工具所承擔(dān)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(biāo)，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(xué)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(biāo)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(dān)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(dāng)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(zhǔn)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(dǎo)體設(shè)備要超前半導(dǎo)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(yán)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(dǎo)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(biāo)網(wǎng)信息，長江存儲、華虹無錫等近年新建晶圓廠招標(biāo)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(dǎo)體等企業(yè)均有中標(biāo)。

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(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的技術(shù)限制愈加嚴(yán)格。

在此環(huán)境背景下，半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，豐富了半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)階段。

此外，隨著市場資本進入半導(dǎo)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(dǎo)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(rèn)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。