芯片制造的核心設(shè)備：光刻機

（文章來源：樂晴智庫）

光刻機是半導(dǎo)體制造設(shè)備中價格占比最大，也是最核心的設(shè)備，是附加價值極高的產(chǎn)品，被譽為是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)皇冠上的明珠。芯片的加工過程對精度要求極高，光刻機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，經(jīng)物鏡補償各種光學誤差，將線路圖成比例縮小后映射到硅片上，然后使用化學方法顯影，得到刻在硅片上的電路圖。越復(fù)雜的芯片，線路圖的層數(shù)越多，就需要更精密的光刻機。

光刻機的制造和維護需要高度的光學和電子工業(yè)基礎(chǔ)，能夠掌握這項技術(shù)的廠商寥寥無幾，目前比較知名的光刻機廠商有尼康、佳能、ABM、歐泰克、上海微電子裝備、SUSS等，但是在頂級光刻機領(lǐng)域，荷蘭的ASML公司幾乎壟斷了整個市場，占據(jù)超過70%的高端光刻機市場，且最新的產(chǎn)品EUV光刻機研發(fā)成本巨大，售價高達1億美元，但依舊供不應(yīng)求。

荷蘭ASML公司有一個模式，那就是只有投資它的公司才能夠優(yōu)先得到他們的頂級光刻機。例如蔡司就是投資了ASML，占據(jù)了它超過20%的股份。這些公司不單單投資它，也給它提供最新的技術(shù)，這樣它就不是孤軍奮戰(zhàn)狀態(tài)，做到了技術(shù)分工。英特爾、臺積電筆三星都主動出資入股ASML支持研發(fā)，并有技術(shù)人員駐廠，格羅方德、聯(lián)電及中芯國際等的光刻機主要也是來自ASML，以此優(yōu)先獲得它的最先頂級的光刻機。

ASML公司在2019年年報中，披露了關(guān)于下一代EUV極紫光刻機的研發(fā)進程。預(yù)計2022年年初開始出貨，2024年實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。根據(jù)ASML之前的報告，去年該公司出貨了26臺EUV光刻機，預(yù)計2020年交付35臺EUV光刻機，2021年則會達到45臺到50臺的交付量，是2019年的兩倍左右。

半導(dǎo)體設(shè)備分為晶圓加工設(shè)備、檢測設(shè)備、封裝設(shè)備和其他設(shè)備。晶圓加工設(shè)備中，光刻機、刻蝕機、薄膜沉積設(shè)備（PVD和CVD）技術(shù)難度最高，三者占比分別為30%、25%、25%。

半導(dǎo)體設(shè)備高門檻導(dǎo)致競爭格局高度集中。目前全球半導(dǎo)體設(shè)備市場主要被美國、日本、荷蘭企業(yè)所壟斷。半導(dǎo)體設(shè)備行業(yè)前10家公司2007年市占率合計66%，到2018年市占率合計達到81%，提升了15個百分點；前五家公司2007年市占率合計57%，到2018年市占率合計達到71%，提升了14個百分點。2018年全球半導(dǎo)體設(shè)備榜單前五名包括應(yīng)用材料、東京電子、拉姆研究、ASML和科磊半導(dǎo)體。除ASML外，各家公司產(chǎn)品線均比較豐富，且前三名企業(yè)營收均超過一百億美元。行業(yè)CR5占比75%，CR10占比91%。全球半導(dǎo)體設(shè)備競爭格局呈現(xiàn)高度集中狀態(tài)。

光刻機是生產(chǎn)線上最貴的機臺，千萬-億美元/臺。主要是貴在成像系統(tǒng)和定位系統(tǒng)。一般來說一條產(chǎn)線需要幾臺光刻機，其折舊速度非?？?，大約3～9萬人民幣/天，所以也稱之為印鈔機。光刻機工作原理：光刻機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，經(jīng)物鏡補償各種光學誤差，將線路圖成比例縮小后映射到硅片上，然后使用化學方法顯影，得到刻在硅片上的電路圖。

光源作為光刻機的核心構(gòu)成，很大程度上決定了光刻機的工藝水平。光源的變遷先后經(jīng)歷：（a）紫外光源（UV：UltravioletLight），波長最小縮小至365nm；（b）深紫外光源（DUV：DeepUltravioletLight），其中ArFImmersion實際等效波長為134nm；（c）極紫外光源（EUV：ExtremeUltravioletLight），目前大部分最高工藝制程半導(dǎo)體芯片均采用EUV光源。

在集成電路制造工藝中，光刻是決定集成電路集成度的核心工序，在整個硅片加工成本中占到1/3。光刻的本質(zhì)是把掩膜版上臨時的電路結(jié)構(gòu)復(fù)制到以后要進行刻蝕和離子注入的硅片上。

從光刻機結(jié)構(gòu)來看，它由光源、光學鏡片和對準系統(tǒng)等部件組成，其工藝中十分關(guān)鍵的兩個元素是光刻膠和掩膜版。而光刻處理后的晶圓片再經(jīng)刻蝕和沉積等過程制成芯片成品，用于電腦、手機等各種設(shè)備之中。下游旺盛的終端市場需求決定了光刻設(shè)備必然也面臨巨大的需求。光刻設(shè)備廠商的下游客戶主要在于存儲和邏輯芯片制造商。

從全球角度來看，高精度的IC芯片光刻機長期由ASML、尼康和佳能三家把持。ASML，尼康，佳能三家公司幾乎占據(jù)了99%的市場份額，其中ASML光刻機市場份額常年在70%以上，市場地位極其穩(wěn)固。光刻機研發(fā)的技術(shù)門檻和資金門檻非常高，也正是因此，能生產(chǎn)高端光刻機的廠商非常少，到最先進的14-7nm光刻機就只剩下ASML能生產(chǎn)，日本佳能和尼康已經(jīng)基本放棄EUV光刻機的研發(fā)。

前四代光刻機使用都屬于深紫外光，ArF已經(jīng)最高可以實現(xiàn)22nm的芯片制程，但在摩爾定律的推動下，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)對于芯片的需求已經(jīng)發(fā)展到14nm，甚至是7nm，浸入式光刻面臨更為嚴峻的鏡頭孔徑和材料挑戰(zhàn)。第五代EUV光刻機，采用極紫外光，可將最小工藝節(jié)點推進至7nm。5nm及以下工藝必須依靠EUV光刻機才能實現(xiàn)。隨著半導(dǎo)體制造工藝向7nm以下持續(xù)延伸，EUV光刻機的需求將進一步增加。

2018年我國半導(dǎo)體設(shè)備十強單位完成銷售收入94.97億元，同比增長24.6%。國內(nèi)光刻機廠商有上海微電子、中電科集團四十五研究所、合肥芯碩半導(dǎo)體等。上海微電子是國內(nèi)頂尖的光刻機制造商，根據(jù)電子工程世界資料，近年來公司通過積極研發(fā)，已實現(xiàn)90nm節(jié)點光刻機的量產(chǎn)，并有望延伸至65nm和45nm。由于制程上的差距非常大，國內(nèi)晶圓廠所需的高端光刻機只能完全依賴進口。

在《瓦森納協(xié)定》的封鎖下，高端光刻機在中國被禁售，即使中端光刻機也有保留條款—禁止給國內(nèi)自主CPU做代工，導(dǎo)致自主技術(shù)成長困難重重，光刻機國產(chǎn)化仍有很長的路要走。
（責任編輯：fqj）