近期，光刻機的相關消息鋪天蓋地，在國(guó)際貿易摩擦反複無常的環境背景下，業界對(duì)于仍處處受制于他國(guó)的光刻機設備格外關注。
據了解，光刻機是通過(guò)光學(xué)系統將(jiāng)光掩模版上設計好(hǎo)的集成(chéng)電路圖形印制到矽襯底的感光材料上，實現圖形轉移，根據應用工序不同，光刻機可以用于集成(chéng)電路的制造環節和封裝環節，其中用于封裝環節的光刻機在技術門檻上低于用于制造環節的光刻機。
在制造環節中，光刻工藝流程決定了芯片的工藝精度及性能(néng)水平，對(duì)光刻機的技術要求十分苛刻，因此光刻機也是集成(chéng)電路制造中技術門檻最高、價格最昂貴的核心設備，被譽爲集成(chéng)電路産業皇冠上的明珠。
01
美日荷光刻機競逐賽
在過(guò)去數十年間，光刻機不斷發(fā)展演進(jìn)同時推動了集成(chéng)電路制造工藝不斷發(fā)展演進(jìn)，集成(chéng)電路的飛速發(fā)展，光刻技術起(qǐ)到了極爲關鍵的作用，兩(liǎng)者相輔相成(chéng)，因而自1947年貝爾實驗室發(fā)明點觸式晶體管，光刻機技術亦已具備發(fā)展土壤。
光刻機最初從美國(guó)發(fā)展起(qǐ)來。1959年，仙童半導體研制出全球首台“步進(jìn)重複”相機，使用光刻技術在單個晶圓片上制造了許多相同的矽晶體管。20世紀60年代末，日本企業尼康和佳能(néng)開(kāi)始進(jìn)入光刻機領域并逐步崛起(qǐ)，但70年代主要是美國(guó)公司的競逐賽。
70年代初，美國(guó)Kasper公司推出接觸式光刻設備；1973年，Perkin Elmer公司推出了投影式光刻系統并迅速占領市場，在一段時間裡(lǐ)處于主導地位；1978年，GCA公司推出了真正現代意義的自動化步進(jìn)式光刻機（Stepper），但産量效率相對(duì)較低。
80年代日本企業開(kāi)始發(fā)力，尼康推出首台商用Stepper NSR-1010G，随後(hòu)尼康一度占據光刻機過(guò)半市場份額，佳能(néng)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(chéng)立ASML，ASML脫胎于飛利浦光刻設備研發(fā)小組，該小組于1973年已推出其新型光刻設備。
80年代末到90年代，美國(guó)初代光刻機公司走向(xiàng)衰落，GCA被收購後(hòu)關閉、Perkin Elmer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PAS 5000光刻機；1995年，ASML在阿姆斯特丹和納斯達克交易所上市。
進(jìn)入21世紀，ASML強勢崛起(qǐ)。2000年，ASML推出其首台Twinscan系統光刻機；随後(hòu)，ASML相繼發(fā)布首台量産浸入式設備TWINSCAN XT:1700i、首台193nm浸入式設備TWINSCAN XT:1900i，一舉力壓尼康、佳能(néng)成(chéng)爲全球光刻機市場新霸主。
如今，ASML已成(chéng)爲全球光刻機領域的絕對(duì)龍頭企業，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。
02
國(guó)産光刻機攻關曆程
在歐美日光刻機市場風雲變幻的數十年間，我國(guó)也在通過(guò)各種(zhǒng)努力研制國(guó)産光刻機設備。據了解，20世紀70年代我國(guó)就開(kāi)始有清華大學(xué)精密儀器系、中科院光電技術研究所、中電科四十五所等機構投入光刻機設備研制。
除了上述提及的高校/科研單位，國(guó)内從事(shì)光刻機及相關研究生産的企業/單位還(hái)有上海微電子裝備、中科院長(cháng)春光機所、合肥芯碩半導體、江蘇影速集成(chéng)電路裝備，以及光刻機雙工件台系統企業北京華卓精科等。
2001年，國(guó)務院正式批準在“十五”期間繼續實施國(guó)家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃），國(guó)家科技部和上海市于2002年共同推動成(chéng)立上海微電子裝備公司，承擔國(guó)家“863計劃”項目研發(fā)100nm高端光刻機。據悉，中電科四十五所當時將(jiāng)其從事(shì)分步投影光刻機團隊整體遷至上海參與其中。
2006年，國(guó)務院發(fā)布《國(guó)家中長(cháng)期科學(xué)和技術發(fā)展規劃綱要（2006-2020年）》确定發(fā)展16個重大專項，其中包括“極大規模集成(chéng)電路制造裝備及成(chéng)套工藝”國(guó)家科技重大專項（02專項）。2008年，國(guó)務院批準實施02專項，200多家企事(shì)業單位和2萬多名科研人員參與攻關，其中EUV光刻技術列被爲“32-22nm裝備技術前瞻性研究”重要攻關任務。
當時，中科院長(cháng)春光機所作爲牽頭單位，聯合中科院光電技術研究所、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)、哈爾濱工業大學(xué)、華中科技大學(xué)，承擔“極紫外光刻關鍵技術研究”項目研究工作。
随後(hòu)，清華大學(xué)牽頭，聯合華中科技大學(xué)、上海微電子裝備和成(chéng)都(dōu)工具所承擔02專項“光刻機雙工件台系統樣機研發(fā)”，以研制光刻機雙工件台系統樣機爲目标，力争爲研發(fā)65-28nm雙工件台幹式及浸沒(méi)式光刻機提供具有自主知識産權的産品級技術。
可見，在國(guó)産光刻機研發(fā)曆程上，國(guó)家在政策上予以支持，并動員了高校、科研機構、企業等科技力量共同進(jìn)行技術攻關。
03
階段性突破與差距
曆經(jīng)多年努力過(guò)，那麼(me)國(guó)産光刻機研發(fā)方面(miàn)有何成(chéng)果？與國(guó)際先進(jìn)水平還(hái)有多大差距？
2016年4月，清華大學(xué)牽頭的02專項“光刻機雙工件台系統樣機研發(fā)”項目成(chéng)功通過(guò)驗收，标志中國(guó)在雙工件台系統上取得技術突破。
2017年6月，中科院長(cháng)春光機所牽頭的02專項“極紫外光刻關鍵技術研究”項目通過(guò)驗收，該項目成(chéng)功研制了波像差優于0.75 nm RMS的兩(liǎng)鏡EUV光刻物鏡系統，構建了EUV光刻曝光裝置，國(guó)内首次獲得EUV投影光刻32 nm線寬的光刻膠曝光圖形。
2018年11月，中科院光電技術研究所承擔的“超分辨光刻裝備研制”項目通過(guò)驗收，該裝備在365nm光源波長(cháng)下，單次曝光最高線寬分辨力達到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(miàn)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(chéng)果并通過(guò)驗收，這(zhè)些技術在助力國(guó)産光刻機發(fā)展突破上也起(qǐ)到重要作用，但真正實現量産并應用于生産線上卻又是另一回事(shì)，如上述超分辨光刻裝備要想應用于芯片生産還(hái)需要攻克一系列技術難關，距離國(guó)際先進(jìn)水平還(hái)相當遙遠。目前，上海微電子裝備的90nm光刻機仍代表着國(guó)産光刻機最高水平。
據了解，随着光源的改進(jìn)和工藝的創新，光刻機已經(jīng)曆了五代産品的更新替代。第一代爲光源g-Line，波長(cháng)436nm，最小工藝節點0.8-0.25微米；第二代爲光源i-Line、波長(cháng)365nm，最小工藝節點0.8-0.25微米；第三代爲光源KrF、波長(cháng)248nm，最小工藝節點180-130nm；第四代爲光源ArF、波長(cháng)193nm，最小工藝節點45-22nm；第五代爲光源EUV、波長(cháng)13.5nm，最小工藝節點22-7nm。
第五代EUV光刻機是目前全球光刻機最先進(jìn)水平，ASML是唯一一家可量産EUV光刻機的廠商。财報資料顯示，2019年ASML出售了26台EUV光刻機，主要用于台積電、三星的7nm及今年開(kāi)始量産的5nm工藝。近期媒體報道(dào)稱，目前ASML正在研發(fā)新一代EUV光刻機，主要面(miàn)向(xiàng)3nm制程，最快將(jiāng)于2021年問世。
日本企業尼康方面(miàn)，官網顯示其最新的光刻機産品爲ArF液浸式掃描光刻機NSR-S635E，搭載高性能(néng)對(duì)準站inline Alignment Station（iAS），曝光光源ArF excimer laser、波長(cháng)193nm，分辨率≦38nm，官方介紹稱這(zhè)款光刻機“專爲5nm工藝制程量産而開(kāi)發(fā)”。
而上海微電子裝備方面(miàn)，官網顯示其目前量産的光刻機包括200系列光刻機（TFT曝光）、300系列光刻機（LED、MEMS、Power Devices制造）、500系列光刻機（IC後(hòu)道(dào)先進(jìn)封裝）、600系列光刻機（IC前道(dào)制造）。其中，用于IC前道(dào)制造用的600系列光刻機共有3款，性能(néng)最好(hǎo)的是SSA600/20，曝光光源ArF excimer laser、分辨率90nm。
相較于ASML的EUV光刻機，上海微電子裝備的90nm光刻機無疑落後(hòu)了多個世代，與尼康相比亦有所落後(hòu)；再者，目前國(guó)内晶圓代工廠龍頭企業中芯國(guó)際已可量産14nm制程工藝，根據半導體設備要超前半導體産品制造開(kāi)發(fā)新一代産品的規律，90nm光刻機已遠不能(néng)滿足國(guó)内晶圓制造的需求。
不過(guò)值得一提的是，近期有媒體報道(dào)稱，上海微電子裝備披露將(jiāng)于年底量産28nm的immersion式光刻機，在2021年至2022年交付國(guó)産第一台SSA/800-10W光刻機設備。雖然業界對(duì)此消息頗有争議，但若該消息屬實，那對(duì)于國(guó)産光刻機而言不得不說是一重大突破。
04
迎來發(fā)展好(hǎo)時代？
由于技術嚴重落後(hòu)于國(guó)際先進(jìn)水平，國(guó)内光刻機市場長(cháng)期被ASML、尼康、佳能(néng)等企業所占據，但随着國(guó)内集成(chéng)電路産業加速發(fā)展，國(guó)産光刻機迎來發(fā)展機遇。
近年來，全球半導體産能(néng)向(xiàng)國(guó)内轉移，國(guó)内晶圓生産線不斷擴産或新增，成(chéng)爲全球新建晶圓廠最積極的地區，爲國(guó)産設備提供了巨大的市場空間。根據中國(guó)國(guó)際招标網信息，長(cháng)江存儲、華虹無錫等近年新建晶圓廠招标設備國(guó)産化率已顯著提升，包括北方華創、中微公司、屹唐半導體等企業均有中标。
再者，過(guò)去兩(liǎng)年國(guó)際貿易摩擦态勢反複，美國(guó)對(duì)國(guó)内半導體産業的技術限制愈加嚴格。
在此環境背景下，半導體設備國(guó)産替代迫在眉睫，國(guó)家高度重視和大力支持行業發(fā)展，相繼出台了多項政策，推動中國(guó)半導體産業的發(fā)展和加速國(guó)産化進(jìn)程，國(guó)産光刻機的發(fā)展情況更是受到了業界重點關注。國(guó)家的重視與支持以及産業與市場的迫切需求，將(jiāng)有望促使國(guó)産光刻機加快發(fā)展步伐。
還(hái)有一個較好(hǎo)的發(fā)展勢頭是在資金方面(miàn)。半導體設備投資周期長(cháng)、研發(fā)投入大，是典型的資本密集型行業，尤其是光刻機領域。此前，國(guó)内半導體設備企業的主要資金來源于股東投入與政府支持，融資渠道(dào)單一，近年來國(guó)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(jìn)入半導體産業，豐富了半導體設備企業的資金來源，不少企業也正在尋求上市。
目前，北方華創、晶盛機電、長(cháng)川科技等企業早已登陸資本市場，中微公司、華峰測控、芯源微等半導體設備企業亦集中在去年以及今年于科創闆上市。光刻機企業方面(miàn)，上海微電子裝備于2017年12月已進(jìn)行輔導備案，光刻機雙工件台企業華卓精科亦拟闖關科創闆，近日江蘇影速亦宣布已進(jìn)入上市輔導階段。
此外，随着市場資本進(jìn)入半導體設備領域，近兩(liǎng)年來亦新增了一些光刻機相關項目。如今年6月5日，上海博康光刻設備及光刻材料項目簽約落戶西安高陵，據西安晚報報道(dào)，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，計劃總投資10億元，主要方向(xiàng)爲納米壓印光刻機的研發(fā)、生産、銷售及運營。
有人說，對(duì)于半導體設備産業而言，這(zhè)是最好(hǎo)的時代、也是最壞的時代。面(miàn)對(duì)與國(guó)際先進(jìn)水平的差距以及技術封鎖，國(guó)産光刻機仍有很長(cháng)的路要走。除去外部因素，自身人才匮乏、技術欠缺亦是發(fā)展難題，光刻機研制出來後(hòu)産線驗證難更是制約國(guó)産光刻機進(jìn)入生産線的主要瓶頸之一，種(zhǒng)種(zhǒng)問題亟待解決。
不過(guò)，國(guó)内越來越多的新增晶圓生産線走向(xiàng)穩定，將(jiāng)有望給予國(guó)産光刻機等更多“試錯”機會。對(duì)于國(guó)産光刻機，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(qǐ)了星星之火，我們期待其早日燎原。
