最近，譽(yù)有「半導(dǎo)體工業(yè)皇冠上的明珠」的光刻機(jī)，在二級市場火的一塌糊涂。特別是7月20日首臺國產(chǎn)SMEE光刻機(jī)（28納米）啟動搬遷入之后，整個光刻機(jī)板塊連續(xù)上漲，10個交易日不到板塊指數(shù)漲幅超10%。據(jù)富途數(shù)據(jù)顯示，截至5月初至7月底，短短兩個月光刻機(jī)概念板塊漲幅超過50%。

　　在光刻機(jī)概念板塊投資熱度高漲的背后，我國光刻機(jī)設(shè)備高端制造依舊任重而道遠(yuǎn)，國內(nèi)光刻機(jī)生產(chǎn)商與國際大廠仍有巨大的差距。正因國產(chǎn)企業(yè)及國際大廠存在技術(shù)工藝上的差距，光刻機(jī)設(shè)備行業(yè)亦是被「卡脖子」的領(lǐng)域。

　　為了讓投資者及讀者更加深度了解光刻機(jī)行業(yè)、行業(yè)競爭格局、國產(chǎn)光刻機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀、國內(nèi)巨頭上海微電子與全球寡頭阿斯麥（ASML）的技術(shù)差距，財華社就此策劃了《中國「芯」時代之光刻機(jī)》專題，深度剖析當(dāng)前光刻機(jī)市場熱門話題。

　　光刻機(jī)：半導(dǎo)體設(shè)備中不可或缺的一環(huán)

　　集成電路設(shè)備是集成電路產(chǎn)業(yè)鏈至關(guān)重要的一環(huán)。

　　目前，整個信息產(chǎn)業(yè)如同倒金字塔形，底部每年約600億美元產(chǎn)值的半導(dǎo)體集成電路設(shè)備產(chǎn)業(yè)，支撐了每年超5,000億美元產(chǎn)值的半導(dǎo)體芯片產(chǎn)業(yè)和幾萬億美元的電子系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，最終支撐了幾十萬億美元的軟件、網(wǎng)絡(luò)、電商及大數(shù)據(jù)等信息產(chǎn)業(yè)。

　　雖然半導(dǎo)體設(shè)備產(chǎn)業(yè)的相對體量不大，但它有成百上千倍的放大作用。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)具有「一代設(shè)備、一代工藝和一代產(chǎn)品」的行業(yè)特點(diǎn)。毫不含糊地講，若沒有半導(dǎo)體設(shè)備，就沒有半導(dǎo)體芯片，就沒有信息時代。

　　先進(jìn)集成電路大規(guī)模生產(chǎn)線的投資可達(dá)100億美元，75%以上是半導(dǎo)體設(shè)備投資。以芯片制作為例，在芯片制造的前道工藝環(huán)節(jié)，一般占整個芯片總投入比重的70%以上。投資占比大的主要原因是該領(lǐng)域涉及高精密設(shè)備最多，技術(shù)工藝要求更高，而且在制成芯片的過程中該制造環(huán)節(jié)需要重復(fù)數(shù)十次的循環(huán)試驗，直至將產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到一定的工藝標(biāo)準(zhǔn)。

　　下圖為上游晶圓制作成芯片需要經(jīng)歷的關(guān)鍵步驟：

　　在芯片制造的前道工藝環(huán)節(jié)中，最關(guān)鍵、市場規(guī)模最大的設(shè)備是光刻（光刻曝光）、刻蝕、薄膜沉積（CVD）三大領(lǐng)域。

　　在芯片制造前道工藝之中，光刻、刻蝕、CVD工藝的步驟數(shù)量比例分別為1次、4次、2次。因此，刻蝕和CVD的工藝用量提升最多，光刻則是單次工藝的成本最高。

　　在這幾大半導(dǎo)體設(shè)備市場中，絕大數(shù)領(lǐng)先的技術(shù)工藝被國外大廠掌握。譬如，爐式設(shè)備、刻蝕設(shè)備、薄膜沉積設(shè)備市場中AMAT、TEL、LAM等國際大廠市場份額占據(jù)過半，而國內(nèi)能跟上步伐的僅有北方華創(chuàng)(002371,股吧)（爐式設(shè)備、刻蝕設(shè)備）跟沈陽拓荊（薄膜沉積設(shè)備）。

　　然而，在半導(dǎo)體設(shè)備中最為重要的一環(huán)——光刻機(jī)設(shè)備，最先進(jìn)的技術(shù)基本被阿斯麥、佳能及尼康三大國際大廠壟斷，其中阿斯麥（ASML）幾乎在EUV（極紫外光刻）領(lǐng)域是壟斷的。而國內(nèi)能與國際大廠正面抗衡的企業(yè)，暫時還沒有。

　　目前，國內(nèi)光刻機(jī)龍頭上海微電子芯片光刻機(jī)技術(shù)還停留在起步階段與世界領(lǐng)先的超高端技術(shù)還有不小差距。

　　值得一提的是，國內(nèi)光刻機(jī)概念板塊中的成份股絕大數(shù)只是涉足光刻機(jī)零部件、其他種類的光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)投資，并非具備制造芯片所需的光刻機(jī)的制造能力。

　　具體而言，根據(jù)用途不同，可以將光刻機(jī)分為三類：一是主要用于生產(chǎn)芯片的光刻機(jī)；二是用于封裝的光刻機(jī)；三是用于LED制造領(lǐng)域的投影光刻機(jī)。其中，用于生產(chǎn)芯片的光刻機(jī)涉及眾多世界先進(jìn)技術(shù)，中國光刻機(jī)與國外頂尖光刻機(jī)存在的差距比較明顯。正是因為存在較大差距，才被美國抓到「卡脖子」的機(jī)會。

　　全球光刻機(jī)：「日荷」瓜分九成天下，中國正奮力直追

　　無可否認(rèn)，近十年時間里，中國經(jīng)濟(jì)高速增長無不讓全世界其他國際為之驚嘆的，甚至在個別領(lǐng)域也實現(xiàn)了「拐彎超車」，遠(yuǎn)超部分歐洲國家。但是，因為中國進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展時間短的緣故，在一些高科技緊密領(lǐng)域還與發(fā)達(dá)國家仍存在一定差距，還需要很長的時間「補(bǔ)課」。其中，國產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備技術(shù)與發(fā)達(dá)國家領(lǐng)先的半導(dǎo)體設(shè)備技術(shù)存在差距最為顯著。

　　以2014-2018年全球半導(dǎo)體設(shè)備供應(yīng)商TOP10市場占有率的情況來看，包括應(yīng)用材料（AMAT)、阿斯麥（ASML）、LAM、科磊半導(dǎo)體（KLA）、東京電子（TEL）等在內(nèi)前十大半導(dǎo)體設(shè)備供應(yīng)商基本占據(jù)了超75%的市場，而且市場占有率隨著技術(shù)疊代及革新越來越高。而這前十大半導(dǎo)體供應(yīng)商基本都來自美國、日本、韓國及荷蘭四大半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)達(dá)的國家包攬。

　　在全球前十大半導(dǎo)體供應(yīng)商中，擁有全球光刻機(jī)最領(lǐng)先的技術(shù)的阿斯麥（ASML）也位居在列。阿斯麥所擁有的領(lǐng)先光刻機(jī)技術(shù)正是以上海微電子為首的國產(chǎn)光刻機(jī)企業(yè)未來15年共同努力的方向。據(jù)了解，中科院曾表示，中國光刻機(jī)技術(shù)至少落后阿斯麥（ASML）15年。

　　光刻機(jī)有多難，為何中國需要花15年才能追上？

　　回答這個問題，首先要從光刻機(jī)的工作原理來講，光刻機(jī)通過一系列的光源能量、形狀控制手段，將光束透射過畫著線路圖的掩模版，經(jīng)物鏡補(bǔ)償各種光學(xué)誤差，將線路圖成比例縮小后映射到矽片上，不同光刻機(jī)的成像比例不同，有5:1，也有4:1。然后使用化學(xué)方法顯影，得到刻在矽片上的電路圖（即芯片）。

　　在這個過程中，光刻質(zhì)量直接決定了芯片是否可用，在這里最核心的就是光源了。

　　圖源：LeadLeo

　　正是基于這點(diǎn)，一切光刻機(jī)的核心零件都是圍繞光源來發(fā)展的，所以根據(jù)光源的改進(jìn)，光刻機(jī)一共可以分為五代，分別是最早的貢燈光源的436納米波長的光刻機(jī)、第二代是DUV光源的365納米波長的光刻機(jī)、第三代是DUV光源的248納米波長的光刻機(jī)（KrF)、第四代是DUV光源的193納米波長的光刻機(jī)（ArF）、第五代則是13.5納米波長的極紫外光刻機(jī)，即EUV光刻機(jī)。

　　圖為：EUV光刻機(jī)工作場景圖 圖源：網(wǎng)絡(luò)

　　通俗點(diǎn)講，從目前技術(shù)工藝角度來看，誰能將波長控制得越短并實現(xiàn)效能最大化，誰的技術(shù)優(yōu)勢愈發(fā)明顯。這也是光刻機(jī)巨頭之間較量決定成敗及市場占有率的重要籌碼，亦是后來者能否實現(xiàn)「拐彎超車」或提升市場競爭力及話語權(quán)的關(guān)鍵。

　　以現(xiàn)如今的荷蘭光刻機(jī)巨頭阿斯麥（ASML）為例，在2000年前，全球光刻機(jī)行業(yè)龍頭是被日本的尼康占據(jù)，阿斯麥暫時未有技術(shù)實力與之博弈。

　　阿斯麥實現(xiàn)拐彎超車的是在第三代光刻機(jī)時期。在第三代光刻機(jī)時期，阿斯麥選擇小改進(jìn)大效果且產(chǎn)品成熟度非常高的浸入式技術(shù)，進(jìn)行穩(wěn)紮穩(wěn)打，而尼康則選擇創(chuàng)新路線，希望在157nmF2激光及EPL尋求突圍，并一舉夯實龍頭地位。

　　2003年之后，阿斯麥相繼推出浸入式193納米波動的系列光刻機(jī)，而尼康也陸續(xù)推出了157nm產(chǎn)品及EPL產(chǎn)品樣機(jī)。然而，出于對產(chǎn)品質(zhì)量及效益等成本因素考慮，半導(dǎo)體廠商選擇產(chǎn)品成熟度更高的浸入式光刻機(jī)。隨后不久，國際大廠英特爾及臺積電紛紛選擇阿斯麥之后，尼康也就此失去挑戰(zhàn)摩爾定律的勇氣了。而阿斯麥借勢而起，開發(fā)出全球首款EUV光刻機(jī)，全球光刻機(jī)寡頭地位就此形成。

　　目前，全球光刻機(jī)市場競爭格局中，阿斯麥以75.3%的市場份額占據(jù)絕對的優(yōu)勢，而佳能、尼康兩家企業(yè)分別以11.3%及6.2%位列第二、第三名。

　　反觀國內(nèi)市場，目前中國只能生產(chǎn)出90納米的光刻機(jī)設(shè)備，這也是生產(chǎn)國產(chǎn)光刻機(jī)的最高技術(shù)水平。這也導(dǎo)致目前我國光刻機(jī)只能從阿斯麥、佳能及尼康手中購買。

　　截止2021-07，長江存儲累計公開中標(biāo)了16臺光刻機(jī)，其中阿斯麥供應(yīng)13臺，包括3臺浸沒式光刻機(jī)、1臺ArF_Dry光刻機(jī)、8臺248nm的KrF光刻機(jī)以及1臺365nm的i線光刻機(jī)；佳能供應(yīng)3臺i線光刻機(jī)。

　　截止2021-07，華虹無錫累計公開中標(biāo)了16臺光刻機(jī)，其中阿斯麥供應(yīng)15臺，包括1臺浸沒式光刻機(jī)、1臺ArF_Dry光刻機(jī)、8臺248nm的KrF光刻機(jī)以及5臺365nm的i線光刻機(jī)；佳能供應(yīng)1臺ArF_Dry光刻機(jī)。

　　截止2021-07，華力Fab6累計公開中標(biāo)了14臺光刻機(jī)，全部由阿斯麥供應(yīng)，包括5臺浸沒式光刻機(jī)、7臺248nm的KrF光刻機(jī)以及2臺365nm的i線光刻機(jī)。

　　雖然我國正舉全國之力在攻克半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)存在「卡脖子」的領(lǐng)域，但短時間內(nèi)國產(chǎn)光刻機(jī)技術(shù)想追上阿斯麥、佳能及尼康等擁有十幾二十年技術(shù)沉淀的大廠，難度是不小的。畢竟，我們在進(jìn)步，別人不會選擇固步自封。此外，即使擁有了相應(yīng)的技術(shù)，相關(guān)國產(chǎn)零部件等產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)也要跟得上才行。

　　以阿斯麥EUV光刻機(jī)為例，光組裝的零部件就多達(dá)10萬個。其中，絕大多數(shù)零部件供應(yīng)商都是國外企業(yè)提供。在此背景之下，美國又打著單邊主義旗幟四處打壓他國，中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新步伐勢必會多多少少受到影響。

　　除此之外，隨著技術(shù)革新不斷推進(jìn)，投資成本不斷擡高，會讓很多企業(yè)望塵莫及。具體而言，在摩爾定律的推動下，元器件集成度的大幅提高要求集成電路線寬不斷縮小，導(dǎo)致生產(chǎn)技術(shù)與制造工序愈為復(fù)雜，制造成本呈指數(shù)級上升趨勢。根據(jù)IBS統(tǒng)計，隨著技術(shù)節(jié)點(diǎn)的不斷縮小，集成電路制造的設(shè)備投入呈大幅上升的趨勢。以5納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)為例，其投資成本高達(dá)數(shù)百億美元，是14納米的兩倍以上，28納米的四倍左右。

　　結(jié)語：

　　目前，中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)面臨被「卡脖子」等問題，并非只是簡單的光刻機(jī)技術(shù)發(fā)展慢的緣故，而是未形成一條完整的國產(chǎn)化半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈，而這個需要國產(chǎn)半導(dǎo)體企業(yè)在國策的助力下努力一環(huán)一環(huán)攻克才行。

　　中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)想站上世界之巔，面臨的路很難，也很漫長。但是，貴在當(dāng)前全國上下萬眾一心，努力攻克各項難關(guān)。我們有理由相信，虛心學(xué)習(xí)，持之以恒，中國可以創(chuàng)造歷史。