最近被譽為“半導體行業(yè)皇冠上的明珠”的光刻機在二級市場上一片狼藉。尤其是7月20日國內首款SMEE光刻機(28nm)開始搬遷后，整個光刻機板塊連續(xù)上漲，板塊指數(shù)不到10個交易日漲幅超過10%。富途數(shù)據顯示，截至5月初至7月底，僅兩個月時間，光刻機概念板塊漲幅超過50%。

在光刻機概念板塊投資熱潮的背后，中國在光刻機方面的高端裝備制造還有很長的路要走，國內光刻機廠商與國際廠商還有巨大的差距。由于國內企業(yè)與國際廠商的技術差距，光刻機的設備行業(yè)也是一個“瓶頸”領域。

為了讓投資者和讀者更深入地了解光刻機行業(yè)、行業(yè)競爭格局、國內光刻機發(fā)展現(xiàn)狀，以及國內巨頭上海微電子與全球寡頭ASML (ASML)的技術差距，蔡華學會策劃了“中國“芯時代”的光刻機”專題，深入剖析當前光刻機市場熱點話題。

光刻機:半導體設備不可或缺的一部分

IC設備是IC產業(yè)鏈中至關重要的一環(huán)。

目前整個信息產業(yè)就像一個倒金字塔，以年產值約600億美元的半導體集成電路設備產業(yè)為底層，支撐年產值超過5000億美元的半導體芯片產業(yè)和數(shù)萬億美元的電子系統(tǒng)產業(yè)，最后支撐起軟件、網絡、電子商務、大數(shù)據等數(shù)十萬億美元的信息產業(yè)。

半導體設備行業(yè)的相對體量雖然不大，但卻有著成百上千倍的放大。半導體行業(yè)的特點是“一代設備，一代技術，一代產品”。毫無疑問，沒有半導體器件，就沒有半導體芯片，也就沒有信息時代。

先進集成電路大規(guī)模生產線投資可達100億美元，75%以上是半導體設備投資。以芯片制造為例。在芯片制造的前期工藝中，一般占整個芯片總投資的70%以上。投資比例大的主要原因是該領域涉及的高精尖設備最多，技術要求較高。而且在制作芯片的過程中，這個制造環(huán)節(jié)需要重復數(shù)十次循環(huán)測試，直到產品質量達到一定的工藝標準。

下圖顯示了為上游晶圓制作芯片的關鍵步驟:

在芯片制造的前期工藝中，市場規(guī)模最大的最關鍵設備是光刻(光刻曝光)、刻蝕和薄膜沉積(CVD)。

在先前的芯片制造工藝中，光刻、蝕刻和CVD的步驟比例分別是1、4和2倍。所以刻蝕和CVD的工藝用量增加最多，而光刻是單個工藝成本最高的。

在這些主要的半導體設備市場中，大部分領先的技術和工藝都被國外的大廠所掌握。例如，在爐子設備、蝕刻設備和薄膜沉積設備市場，AMAT、TEL、LAM等國際大公司占據了一半以上的市場份額，而國內只有北方華創(chuàng)(爐子設備、蝕刻設備)和沈陽拓晶(薄膜沉積設備)能跟上步伐。

而半導體設備最重要的部分——光刻機設備，最先進的技術基本被ASML、佳能、尼康壟斷，其中ASML (ASML)幾乎被EUV壟斷(極紫外光刻)。但是國內沒有能和國際大廠抗衡的企業(yè)。

目前光刻機領先的微電子芯片光刻機技術還處于起步階段，與世界領先的超高端技術還有較大差距。

值得一提的是，國內光刻機概念板塊中的絕大多數(shù)成份股只涉及光刻機中的零部件和其他種類的光刻機產業(yè)投資，并不具備芯片制造所需的光刻機制造能力。

具體來說，根據用途的不同，光刻機可以分為三類:一類是光刻機，主要用于生產芯片；第二，用于封裝的掩模對準器；三是LED制造領域使用的投影光刻機。其中，用于生產芯片的光刻機，涉及了很多世界先進技術。中國光刻機與國外頂級光刻機的差距是顯而易見的。正是因為差距大，美國抓住了“卡住”的機會。

光刻機:“日本和荷蘭”瓜分了全球90%的份額，中國正在奮力追趕。

不可否認，在過去的十年里，中國經濟的高速增長令世界其他國家驚嘆，甚至在一些領域實現(xiàn)了“彎道超車”，遠超一些歐洲國家。但由于中國進入高質量發(fā)展的時間較短，在一些高科技領域與發(fā)達國家仍有一定差距，還需要較長時間“補課”。其中，國內半導體設備技術與發(fā)達國家先進半導體設備技術的差距最為顯著。

從2014年到2018年，根據全球前10大半導體設備供應商的市場份額，包括應用材料(AMAT)、ASML (ASML)、LAM、科雷半導體(KLA)和東京電子(TEL)在內的前十大半導體設備供應商基本占據了75%以上的市場份額，并且市場份額隨著技術迭代和創(chuàng)新而增加。前十大半導體供應商基本來自美國、日本、韓國、荷蘭，這四個國家是半導體技術發(fā)達國家。

在全球十大半導體供應商中，擁有最先進光刻機技術的ASML (ASML)也位列其中。ASML領先的光刻機技術是未來15年以上海微電子為首的國內光刻機企業(yè)共同努力的方向。據了解，中科院曾表示，中國的光刻機技術比ASML (ASML)落后至少15年。

光刻機有多難？為什么中國需要15年才能趕上？

要回答這個問題，首先根據光刻機的工作原理，光刻機通過一系列光源能量和形狀控制手段，使光束透過帶有電路圖的掩膜，通過物鏡補償各種光學誤差，按比例縮小電路圖，然后映射到硅片上。不同的光刻機成像比例不同，從5:1到4:1不等。然后用化學方法將刻在硅片上的電路圖(即芯片)顯影。

在這個過程中，光刻的質量直接決定了芯片是否可用，而光源是這里的核心。

基于這一點，光刻機的所有核心部件都是圍繞光源展開的，所以根據光源的改進，光刻機可以分為五代，分別是最早的鄧公光源436 nm波長的光刻機，DUV光源365 nm波長的光刻機，DUV光源248 nm波長的光刻機(KrF)，DUV光源193 nm波長的光刻機(ArF)，第四代。

總的來說，從目前的技術和工藝來看，誰能把波長控制得更短，效率最大化，誰就有越來越明顯的技術優(yōu)勢。這也是光刻機巨頭競爭成敗和市場份額的重要籌碼，也是后來者實現(xiàn)“彎道超車”或提升市場競爭力和話語權的關鍵。

以荷蘭光刻機巨頭ASML為例。2000年以前，全球光刻機行業(yè)的領頭羊被日本尼康占據，ASML暫時沒有技術實力與之競爭。

正是在第三代光刻機期間，ASML在拐角處超過了其他人。在第三代光刻機中，ASML選擇了小改進大效果、產品成熟度非常高的沉浸式技術穩(wěn)步前進，而尼康則選擇了創(chuàng)新路線，希望在157nmF2激光和EPL上有所突破，一舉鞏固領先地位。

2003年后，ASML相繼推出了一系列浸入式193 nm波長光刻機，尼康相繼推出了157nm產品和EPL產品樣機。然而，由于產品質量和效率等成本因素，半導體制造商選擇產品成熟度更高的浸沒式掩模對準器。不久之后，在國際巨頭英特爾和TSMC相繼選擇ASML之后，尼康失去了挑戰(zhàn)摩爾定律的勇氣。ASML順勢而為，研發(fā)出世界上第一臺EUV光刻機，全球光刻機寡頭地位由此形成。

目前，在全球光刻機市場的競爭格局中，ASML以75.3%的市場份額占據絕對優(yōu)勢，佳能和尼康分別以11.3%和6.2%位列第二和第三。

另一方面，在國內市場，目前我國只能生產90nm的光刻機設備，這也是國內生產光刻機的最高技術水平。目前，中國的光刻機只能從ASML、佳能和尼康購買。

截至2021年7月，長江存儲共中標16臺光刻機，其中13臺由ASML提供，包括3臺浸沒式光刻機、1臺ArF_Dry光刻機、8臺248nm KrF光刻機和1臺365nm I-line光刻機。佳能供應3 I線口罩對準。

截至2021年7月，華虹共中標16臺光刻機，其中ASML供應15臺，包括1臺浸沒式光刻機、1臺ArF_Dry光刻機、8臺248nm KrF光刻機和5臺365nm I-line光刻機。佳能供應1 ArF _干掩模光刻機。

截至2021年7月，華力Fab6已中標14臺光刻機，全部由ASML提供，包括5臺浸沒式光刻機、7臺248nm KrF光刻機和2臺365nm I-line光刻機。

雖然我國正在全力攻克半導體行業(yè)的“瓶頸”，但國內光刻機技術很難在短時間內趕上ASML、佳能、尼康等有幾十年技術沉淀的大廠。畢竟我們在進步，別人不會選擇固步自封。另外，即使有了相應的技術，相關國產零部件等產業(yè)鏈技術也要跟上。

以ASML EUV光刻機為例，光組裝的零件就多達10萬個。其中，絕大多數(shù)零部件供應商是由國外企業(yè)提供的。在這種背景下，美國打著單邊主義的旗號到處打壓其他國家，中國半導體產業(yè)的技術創(chuàng)新步伐必然會受到或多或少的影響。

此外，隨著技術創(chuàng)新的不斷推進和投資成本的不斷上升，很多企業(yè)將望塵莫及。具體來說，在摩爾定律的驅動下，元器件集成度的大幅提高需要集成電路的線寬不斷變窄，從而導致生產技術和制造工藝日益復雜，制造成本呈指數(shù)級增長。據IBS統(tǒng)計，隨著技術節(jié)點的萎縮，集成電路制造的設備投資呈上升趨勢。以5 nm工藝節(jié)點為例，其投資成本高達數(shù)百億美元，是14 nm的兩倍多，28 nm的四倍左右。

結論:

目前，中國半導體產業(yè)面臨著“卡住”的問題，這不僅僅是光刻機技術發(fā)展緩慢的原因，而是沒有形成完整的國內半導體產業(yè)鏈，這需要國內半導體企業(yè)在國家政策的幫助下逐一克服。

中國半導體產業(yè)想要站在世界之巔，面臨著艱難而漫長的道路。但是，目前你們全國上下團結一致，努力克服各種困難。我們有理由相信，中國可以通過虛心學習和持之以恒來創(chuàng)造歷史。

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