關注 | 芯片“印鈔機”的背后：人類物理的極限探索與大國博弈的必爭之地

伴隨著中國的芯片安全問題，光刻機也成為業(yè)界焦點。

它單價售價超1億美元，依然供不應求，被認為是摩爾定律當下的重要推手，勝似芯片公司的“印鈔機”。它集各學科之大成，設備重達幾十噸，需要多臺波音飛機運輸，被認為是半導體工業(yè)皇冠上的明珠。它雖是工業(yè)設備、商業(yè)產(chǎn)品，但其命運從未擺脫大國之間的競合博弈。

摩爾定律攻艱2nm 的物理極限的當下，疊加復雜國際關系，光刻機也成為2020年應該了解的行業(yè)之一。為此，我們做了這篇輕度行業(yè)研究，希望真實的呈現(xiàn)這個行業(yè)的過去、現(xiàn)在和未來。

我們希望在本文回答以下問題：

為什么光刻機對于芯片行業(yè)有這么重要的意義？

為什么當下最先進的光刻機如此難研制？

當下全球光刻機產(chǎn)業(yè)格局如何？ASML是如何成為最為重要的光刻機玩家？

國產(chǎn)光刻機與國外的差距主要體現(xiàn)在哪里？

為什么中外光刻機會存在這樣的差距？

隨著光刻機逼近物理學、材料學、精密制造的極限，未來會呈現(xiàn)什么樣的發(fā)展趨勢？

一、為什么光刻機這么重要—— “如果我們交不出EUV光刻機，摩爾定律就會從此停止”

光刻機有多重要？

作為全球光刻機最為前沿的公司，荷蘭ASML公司如是說——“如果我們交不出EUV光刻機，摩爾定律就會從此停止”。

過去五十多年，半導體行業(yè)一直遵循著摩爾定律這一經(jīng)濟規(guī)律：集成電路上可容納的元器件的數(shù)，每隔18個月就會增加一倍。這意味著每隔18個月，為了實現(xiàn)芯片性能提升一倍以上，芯片的制程就會縮小至少一倍。

20世紀初期的芯片納米制程進度表，圖片來自互聯(lián)網(wǎng)

21世紀初，芯片還剛剛進入百納米制程。當時的光刻機，門檻還不高。在2007年，中國上海微電子裝備有限公司成立5年，當年研發(fā)出了90nm光刻機。事實上，在更早的上世紀七八十年代，諸如尼康、佳能等光學廠商、Intel等芯片廠商都做出過光刻機。

　　
（一）為什么光刻機對芯片行業(yè)這么重要？我們可以先來簡單先來拆解下。

1、芯片的制造過程

為了更清晰的表達光刻機對于芯片行業(yè)和摩爾定律的重要性，我們可以先來簡單描述下芯片的制作過程。

可以看一個簡單、直接的有關芯片是如何研發(fā)、生產(chǎn)的示意圖：

　　半導體行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈，圖片來自中泰證券

一家公司要研發(fā)芯片，他們會使用Cadence、Synospsys這些公司提供的EDA工具來輔助設計芯片，期間會用到來自于本公司自研或者ARM等第三方的各種IP核，在芯片設計完成后會交給TSMC臺積電、UMC聯(lián)電、SMIC中芯國際等晶圓代工廠生產(chǎn)，這些代工廠的生產(chǎn)設備就包括了來自ASML等的光刻機。最后經(jīng)過日月光、長電科技的封測，形成完整芯片。

可以說，光刻的主要作用是將掩模版上的芯片電路圖轉(zhuǎn)移到硅片上，是IC制造的核心環(huán)節(jié)，也是整個IC制造中最復雜、最關鍵的工藝步驟。

2、光刻機的原理

光刻技術是指光刻膠在特殊波長光線或者電子束下發(fā)生化學變化，通過曝光、顯影、刻蝕等工藝過程，將設計在掩膜上的圖形轉(zhuǎn)移到襯底上的圖形精細加工技術。

光刻機一般是通過激光或電子束直接寫在光掩模板上,然后用激光輻照光掩模板，晶圓上的光敏物質(zhì)因感光而發(fā)生材料性質(zhì)的改變，通過顯影，從而完成芯片從設計版圖到硅片的轉(zhuǎn)移。這其實很像是照相機+投影儀的組合，只不過最后希望將電路圖印到硅片上。

我們以激光為光源的光刻機為例，來看下其簡易工作原理和流程。在制造芯片時，首先在晶圓（硅晶片）表面涂光感膠，再用光線透過掩模版（相當于芯片電路圖紙的底片）照射硅片表面，被光線照射到的光感膠會發(fā)生反應。此后用特定溶劑洗去被照射或者未被照射的膠，電路圖就印到硅片上。

3、為什么光刻機對芯片行業(yè)如此重要？

從上文不能看出，在IC制造的環(huán)節(jié)，光刻機是處于前道工藝最前端的一環(huán)。

一般來說，芯片的性能受晶體管密度影響，同樣面積下晶體管越多，即晶體管線寬越小，芯片性能越強。我們?nèi)粘Ｂ牭降膸准{米工藝，其中的納米即代表的相應光刻工藝能加工出的晶體管線寬。

因此，可以說，光刻機性能的先進性，就在一定程度上，代表了芯片性能的先進性。

二、為什么當下最先進的光刻機如此難研制？——無限逼近物理學、材料學、精密制造的極限

2020年2月，全球光刻機“帶頭大哥”ASML宣布，可能最早于2021年推出新一代的EUV光刻機EXE:5000系列，這意味著生產(chǎn)3nm、2nm制程的芯片有了可能。在此之前，當下最先進的光刻機為ASLM推出的NXE:3400C，物鏡系統(tǒng)的數(shù)值孔徑為0.33，可支持7nm、5nm制程的芯片制造。

事實上，研發(fā)這兩款機器，所耗費的資金很可能已不下于百億美元，加上其前期的準備工作耗時也長達十多年。

光刻機分類

（一）當下最先進的光刻機到底有多難？

為了更形象的量化當下最先進的EUV光刻機難度，我們可以先講幾個直觀的數(shù)據(jù)：　

• 一臺EUV光刻機一般有超十多萬個零件、4萬個螺栓、十幾公里走線、幾百噸重量；　
• 
  一臺EUV光刻機一般需要4臺左右的波音747才能完成運輸；　　
• 
  2015年時一臺EUV光刻機的售價高達1.2億美元；　　
• 
  目前知名的光刻機公司ASML有2.5萬員工，9500名左右的研發(fā)人員，2300名博士，有6萬名左右的供應商技術伙伴，且需要每年投入10-15%的營收作為研發(fā)投入。　　

每一次芯片制程提升有多難？1nm大約相當于頭發(fā)直徑的五萬分之一。要達到這樣的精度提升，其難度不難想象。

在《光刻機之戰(zhàn)》一文中，作者金捷幡也曾做過一個比喻，“由于光刻精度是幾納米，EUV對光的集中度要求極高，相當于拿個手電照到月球光斑不超過一枚硬幣。反射要求的鏡子要求長30cm起伏不到0.3nm，這相當于是北京到上海做根鐵軌起伏不超過1毫米”。

可以說，當下最先進的EUV光刻機，其難度已經(jīng)無限逼近物理學、材料學、精密制造的極限

（二）為什么當下的光刻機難研制？

1、光刻機的進化其實是不斷降低波長的進程

根據(jù)摩爾定律，集成電路上可容納的元器件的數(shù)，每隔18個月就會增加一倍。這意味著，集成電路芯片的集成度大約每三年增加4倍，半導體器件的特征尺寸大約每三年縮小兩倍。

如上文所講，芯片的性能受晶體管密度影響，同樣面積下晶體管越多，即晶體管線寬越小，芯片性能越強。我們?nèi)粘Ｂ牭降膸准{米工藝，其中的納米即代表的相應光刻工藝能加工出的晶體管線寬。

那如何才能提高線寬呢？這里就涉及到了一個重要的光學公式——瑞利公式Rayleigh Criterion。

其中，R代表的是最小的半角分辨率；K是與經(jīng)驗相關的常數(shù)，一般由光刻工藝決定，比如光刻膠和掩模圖形形狀；λ表示入射光波長；NA表示曝光系統(tǒng)的數(shù)值孔徑，NA的數(shù)值多在0.25-1.35之間。

光刻機想要縮小晶體管線寬，即是需要提高光刻分辨率，即公式中的R值要足夠低，這就意味著要降低波長（即降低λ值）、提高工藝水平（即降低k值）、提高曝光系統(tǒng)的數(shù)值孔徑（即提高NA值）。過去幾十年，行業(yè)的普遍做法是降低波長（降低λ值），即研發(fā)出可用于光刻機的更短波長的光源。

光譜

可以說，過去幾十年，光刻機的光源就是從紅外線的最右側(cè)不停無限接近紫外線最左側(cè)的過程。今天所謂的EUV極紫外光刻機，使用的即是紫外線波段最左側(cè)的光譜。

在《光刻機之戰(zhàn)》一文中也詳細的描述了這一進程：90年代前半期，光刻開始使用波長365nm i-line，后半期開始使用248nm的KrF激光；其中，00年代光刻開始使用193nm波長的DUV激光（即因為難度而變得著名的ArF準分子激光）。

光刻技術發(fā)展歷程及趨勢

光刻機初登場時，光源采用波長為436mn的高壓汞燈g-line，NA數(shù)值為0.28一0.30。90年代前半期，光刻開始使用波長365nm i-line， NA數(shù)值為0.50一0.55，以存儲芯片為例，主要用于16Mibt DRAM制造工藝。90年代后半期，開始使用248nm的KrF激光，NA數(shù)值為0.60左右，以存儲芯片為例，主要用于64Mibt DRAM、256Mibt DRAM制造工藝。00年代光刻開始使用193nm波長的DUV激光（即因為難度而變得著名的ArF準分子激光）。

目前常在新聞中出現(xiàn)的EUV則是極紫外線，其波長達到了13.5nm。根據(jù)知乎作者ArtoriasPhD的介紹，這里還有一個有意思的題外話，之所以從365nm、248nm、193nm ，跳過了進度條上的157nm，直接到了13.5nm波長的EUV，一個主要的原因即是157nm會被大部分的透鏡吸收，發(fā)熱嚴重會導致鏡面發(fā)生形變，無法準確反射和對焦，當時曾考慮用用螢石氟化鈣來做透鏡，但成本巨高且只有佳能掌握一些小型螢石透鏡的制造技術，幾年之后終于放棄。

2、使用低波長的光源

典型的光刻機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如上圖所示，包括了以下四個部分：光源；照明系統(tǒng)；投影光學系統(tǒng)；工作臺。

一般來說，由光源發(fā)出的光波，經(jīng)由照明系統(tǒng)的多層薄膜反射鏡投射到反射掩模上，反射出的光波再通過面反射鏡光學微縮投影系統(tǒng)，將反射掩模上的集成電路幾何圖形投影成像到硅片上的抗蝕劑中，形成集成電路所需要的光刻圖形。

使用低波長的光源，不僅會帶來照明系統(tǒng)、投影光學系統(tǒng)、工作臺的變化，也會對材料等帶來新挑戰(zhàn)。

我們以當下關注度最高的EUV光刻機為例，進行拆解。

要保證光刻工作，首先就需要保證光源的“能力”，以及多次反射后最終可以精準投影。因此，要保證光刻機所需要的能力，首先需要制造出合格的光源。以ASML為例，為了解決光源制造問題，收購了全球領先的準分子激光器供應商Cymer。這里所謂的合格是指，在適當?shù)某杀鞠拢瑢崿F(xiàn)特定功率的窄帶EUV輸出。

其次，需要設計專門的透鏡保證通過不斷反射聚集光源，以透鏡吸收光的能量。有一個統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，每反射1次，EUV的能量就會損失30%，十幾次反射后，到達晶圓的光線理論上只剩下2%。韓國企業(yè)海力士曾經(jīng)表示，極紫外光EUV的能源轉(zhuǎn)換效率只有0.02%左右。若按這一轉(zhuǎn)化率推算，ASML的EUV光刻機輸出功率為250瓦，那輸入功率很可能需要達到125萬瓦，每天耗電3萬度。因此，需要EUV光刻機的微縮投影光學系統(tǒng)應由數(shù)量盡可能少的反射鏡構(gòu)成。這將會減少光學設計時的自由變量，限制光學系統(tǒng)的成像質(zhì)量。為此，一般會通過非球面反射鏡，增加微縮投影光學系統(tǒng)設計時的自由變量。但采用非球面反射鏡，就會產(chǎn)生畸變，而畸變又會導致圖像錯位，最終導致掩模復制圖形的畸變。因此，投影系統(tǒng)需要具有足夠的分辨率的基礎上做到最小畸變。

再次，性能優(yōu)異的掩模照明系統(tǒng)與性能優(yōu)異的微縮投影光學系統(tǒng)配合，才能發(fā)揮作用。掩模照明光學系統(tǒng)也被認為是EUV光刻機中極為重要的分系統(tǒng)之一，直接左右著整個裝置的性能。掩模照明光學系統(tǒng)必須同時滿足這樣一些條件：從EUV光源中盡可能收集最大能量的窄帶EUV輻射，并在掩模上形成與微縮投影光學系統(tǒng)相匹配的環(huán)形照明視場；同時保證環(huán)狀照明視場的輻射照度均勻性。這也意味著對工藝的高要求。

此外，材料也是一個重要難點。比如，在248nm 和 193nm 中，使用的是有機化學放大光刻膠 CAR，但到了EUV時代，因為光源能量大幅增加，CAR的表現(xiàn)就有可能不穩(wěn)定，從而影響芯片良率。而如果到了X光光刻，則需要新的合適的光刻材料。

（三）光刻機難研制的另一個難題——資金

從上文的技術拆解，不難猜到。要做光刻機還有另一個難題——資金。

事實上，光刻機由于技術難度大，研發(fā)資金投入巨大，以至于佳能和索尼都虧損嚴重，已經(jīng)停止研發(fā)，退出未來技術的競爭。美國等發(fā)達國家研究光刻機，幾乎每年都有超過90個億的資金作為研發(fā)費用。到目前為止這些掌握光刻機技術的國家大約都花費了約4000億元

ASML在10月14日發(fā)布的的2020年第三季度財務報表示，ASML2020年第三季度的總營收為39.58億歐元，研發(fā)費用5.34億歐元，約占總營收的13.49%；2020年第二季度研發(fā)費用5.67億歐元，約占此季度總營收的16.87%；2020年第一季度研發(fā)費用為5.44億歐元，約占此季度總營收的22.28%。2019年整年總營收為118億歐元，研發(fā)費用高達20億歐元，約占總營收的16.94%，較2018年的16億歐元有大幅增長。ASML表示：在過去的五年里，ASML的研發(fā)投資已經(jīng)達到70億歐元。據(jù)e公司報道，ASML每年逾10億歐元的研發(fā)投入，連續(xù)20年才研發(fā)出最新一款光刻設備——EUV光刻機。

目前光刻機市場的老大ASML幾乎可以說是整個光刻機技術的壟斷者，他們每年投入的研發(fā)費用，幾乎是某些世界500強企業(yè)的三個季度的收入。ASML，為了籌集資金，同時也是進行上下游利益捆綁，研發(fā)風險共擔，邀請英特爾、三星和臺積電出資，做自己的大股東。ASML實際上是美、日、韓、德等共同投資的項目，才能保證資金夠用。

三、光刻機的歷史

（一）光刻機的技術路線發(fā)展

1、技術進步變化　

在摩爾定律的驅(qū)動下，光學光刻技術經(jīng)了五代變革。20世紀70—80年代，光刻設備主要采用普通光源和汞燈作為曝光光源，其特征尺寸在微米級以上。曝光波長最早從436nm的g線，到90 年代前半期光刻技術開始使用波長 365nm的i線，后半期開始使用 248nm 的 KrF 激光，進入21世紀后，光刻技術開始使用 193nm 波長的 DUV 激光，這就是著名的 ArF 準分子激光，技術上跨越了1μm、0.5μm、0.35μm、0.1μm、90nm、65nm、45nm等節(jié)點。目前最新的光刻技是EUV（極紫外式光刻機）波長也縮短至13.5nm，制程節(jié)點也提高到7-3nm。目前光學光刻技術正朝著縮短曝光光源波長、提高數(shù)值孔徑和改進曝光方式的方向前進。

2、193nm光刻：改寫歷史商業(yè)格局的技術突破

提到光刻機的技術，不得不提的是193nm的技術突破。從結(jié)果上來看，超越193nm波長的浸潤式技術橫空出世，不僅讓光刻機領域換了只領頭羊，也讓光刻機迎來了下一個時代——EUV時代。但整個過程的艱辛則貫穿了上世界90年代。

上世紀90年代，光刻機的光源波長被193nm卡死，成為了擺在全行業(yè)面前的一道難關?？茖W家和產(chǎn)業(yè)界提出了各種超越 193nm 的方案，其中包括尼康等公司主張的157nm 的F2 激光、EUV LCC聯(lián)盟押注的更激進的EUV(13.5nm) 、日本公司和IBM支持的X 光以及電子束投射 (EPL)、離子投射 (IPL)等技術。

這時候，2002年臺積電的頂級微影專家林本堅研究出了以水作為介質(zhì)的193納米浸潤式光刻技術：把透鏡和硅片之間的介質(zhì)從空氣換成水，由于水的折射率大約是1.4，那么波長可縮短132nm。這個想法雖然最初被各家半導體巨頭拒絕，畢竟這只是理想情況，在精密的機器中加水構(gòu)建浸潤環(huán)境，既要考慮實際性能，又要擔心環(huán)境污的問題染。

但是當時“初出茅廬不怕虎”的ASML還是選擇了和林本堅一起****一把，押注浸潤式技術有可能以小博大，之后的一年里，ASML與林本堅合作研制出了第一臺樣機并先后奪下IBM和臺積電等大客戶的訂單。尼康雖然緊隨其后也推出了干式微影157nm技術的成品，但被ASML搶占了先機，而且在波長技術上不及ASML，因此商業(yè)上并未占優(yōu)。

因為在這次157nm光源干刻法與193nm光源濕刻法的技術之爭中****贏了，ASML在光刻機領域?qū)崿F(xiàn)了彎道超車，光刻機領域不僅換了只領頭羊，也讓光刻機迎來了下一個時代——EUV時代。

這里可以再稍微補充一下。光刻機根據(jù)光刻機的光源可以分為紫外光源（UV），深紫外光源（DUV），極紫外光源（EUV），以此遞進的關系，波長越來越小，分辨率會越來越高。通的DUV光刻機使用的是193nm的深紫外光，現(xiàn)在的EUV光刻機使用的是波長13.5nm的極紫外光。隨著EUV技術的誕生，實現(xiàn)14nm、10nm、和7nm制程的芯片生產(chǎn)，而通過技術升級，也可以實現(xiàn)9nm，8nm，6nm，5nm，4nm乃至3nm等制程的芯片生產(chǎn)。

（二）ASML是如何成為今天最為重要的光刻玩家

1、ASML的財務數(shù)據(jù)

從ASML披露的近五年的財報數(shù)據(jù)顯示，ASML近五年內(nèi)凈銷售額和凈收入都呈上升趨勢，特別是2016-2018年ASML的營收大幅上漲。截止到2019年年底，ASML在研發(fā)方面的支出一年已達到20億歐元，這不是一個普通的企業(yè)能在短期募集到的資金規(guī)模。據(jù)知乎用戶兜兜的介紹，早期ASML發(fā)展較慢時，為了保持技術方面的領先，以“客戶聯(lián)合投資計劃”之名進行研發(fā)資金的募捐：客戶以出資換取EUV光刻機的優(yōu)先訂貨權，協(xié)助客戶提高產(chǎn)品產(chǎn)量。通過這一計劃，ASML用23%的股權，獲得來自三星5.03億歐元股權投資及2.75億歐元的研發(fā)支持，臺積電8.38億歐元的股權投資，以及長期合作伙伴英特爾41億美元的股權以及10億美元研發(fā)支持，保證了自己的霸主壟斷地位。

ASML在研發(fā)費用方面長期領先于行業(yè)對手。長期以來，其研發(fā)費用/總銷售額比率一直穩(wěn)定在20%左右，遠超行業(yè)平均水平3%。除此之外，ASML長期握有大量現(xiàn)金，保證研發(fā)費用不受經(jīng)濟周期影響。也正是由于在研發(fā)上大量的投入才換來ASML如今光刻技術水平一直保持行業(yè)第一的地位。

ASML的技術壁壘顯而易見，生態(tài)壁壘則是其看不見的護城河。

早期，ASML加入了美國能源部與英特爾共同建立的EUV LLC聯(lián)盟，與當時的技術領先的AMD、摩托羅拉等企業(yè)共享頂尖技術，人才及資源。這可以理解成在別人的生態(tài)中“廣結(jié)善緣”。

后期，ASML則憑借著上下游關系，搭建了自己的生態(tài)。ASML的CEO Peter Wennink曾提到，“ASML是系統(tǒng)集成商，將數(shù)百家公司的技術整合在一起，一臺光刻機需要80000個零件”。而因為其產(chǎn)品的精密性、復雜性，也因為其資金密集性高，ASML則不得不對一些上下游的合作伙伴技術共享，甚至讓其中一部分企業(yè)成為自己的股東。

四、光刻機的歷史

（一）中國光刻機發(fā)展史

順著時間的脈絡，讓我們走進中國光刻機最初的時代。

我國的光刻機發(fā)展歷史可以追溯到上世紀五十年代，1956年，我國第一支晶體三極管誕生，自此中國的半導體行業(yè)進入了新紀元，緊接著，1958年，第一枚鍺晶體管試制成功，1962年，第一代硅平面晶體管（采用平面工藝制作的晶體管）問世。1966年，109廠與上海光學儀器廠協(xié)作，成功研制出我國第一臺65型接觸式光刻機。

伴隨著半導體行業(yè)研究的興起，中國于1977年成功研發(fā)出屬于中國的第一臺光刻機——GK-3型半自動光刻機，據(jù)相關資料顯示，這是一臺接觸式光刻機。此后一年也就是1978年，恰逢改革開放之際，我國在GK-3的基礎上研發(fā)了GK-4，同時也把加工圓片直徑從50nm提高到了75nm，自動化程度提高了很多，但還是未擺脫接觸式光刻機，同年，中科院半導體所開始研制JK-1型半自動接近時光刻機。1980年，清華大學研制出第四代分步式投影光刻機，光刻精度達到3微米。1981年，中科院半導體所研制成功JK-1半自動接近式光刻機。1982年，科學院109廠成功研制KHA75-1型半自動進階接觸式光刻機。1985年，機電部45所成功研制出BG-101分步式光刻機樣機，這是中國第一臺分步投影式光刻機。

80年代前期可以說是中國早期光刻機加速發(fā)展，努力縮短中外差距的幾年，但到了80年代中后期，隨著改革開放的深入發(fā)展，一方面開始大規(guī)模引進外資，光刻機行業(yè)內(nèi)出現(xiàn)了“造不如買”的思想，實質(zhì)上已經(jīng)放棄了自主攻關，而且迫于時代特征，國家重視抓高速增長的產(chǎn)業(yè)，而光刻機這種需要長期高投入的項目逐漸被邊緣化，得不到國家的重視，致使光刻機技術的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化停滯不前。另一方面，在《國產(chǎn)光刻機發(fā)展史回顧》一文中寫到了西方發(fā)達國家對我國光刻機技術的限制，限制光刻機相關配件對我國的出口。由于這兩方面的原因，好不容易可以望其項背的中國又要開始與國外脫節(jié)了。直到九十年代，我國光刻機的光源已經(jīng)被卡在193nm長達20多年。

進入21世紀，乘著中國半導體技術發(fā)展的東風，光刻技術重新得到了國家的重視，逐漸開始發(fā)展起來。我國也開始啟動193nmArF光刻機項目。2002年，上海微電子裝備設備有限公司成立，這家公司在中國的光刻機發(fā)展史中有著舉足輕重的作用，剛剛成立就承擔了國家“十五”光刻機攻關項目。2008年，“極大規(guī)模集成電路制造裝備及成套工藝”專項將ASML的EUV技術列為下一代光刻技術重點攻關的方向，國家計劃在2030年實現(xiàn)EUV光刻機的國產(chǎn)化。2016年上海微電子已經(jīng)量產(chǎn)90nm，110nm，280nm三種光刻機。2017年，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所牽頭研發(fā)的“極紫外光刻關鍵技術”通過驗收。2018年，中科院研制的“超分辨光刻裝備”通過驗收。光刻分辨力達到22納米，結(jié)合雙重曝光技術后，未來還可用于制造10納米級別的芯片。據(jù)悉，

2020年6月初，上海微電子宣布將在2021-2022年交付第一臺28nm工藝的國產(chǎn)浸入式光刻機，國產(chǎn)光刻機有望從此前的90nm工藝一舉突破到28nm工藝，但實際上與世界上最先進的ASML公司仍然有20年左右的差距。

2、中外差距

在中國發(fā)明出第一支晶體三極管的時候距離貝爾實驗室研發(fā)的世界上第一支點接觸三極管已經(jīng)有九年之久了。美國在二十世紀五十年代就已經(jīng)研發(fā)出了接觸式光刻機，而中國在1977年才研發(fā)出的出第一臺光刻機——GK-3型半自動光刻機，這期間又相差了二十多年。

但到了上世紀80年代，中國在光刻機領域的研究水平與國外的差距逐漸縮小，相關資料顯示，1980年代研制的第四代分步式投影光刻機的光刻精度已經(jīng)接近國際主流水平。1982年的KHA75-1型半自動接近接觸式光刻機在某些重要的指標（比如掩膜變形量等）上已達到佳能PLA500-F的水平。1985年研制的中國第一臺分步式光刻機BG-101使得中國在分步光刻機上與國外的差距不超過7年，大大縮短了中外之間的差距。

由于80年代中后期的不被重視以及技術限制使得剛縮短的距離又要被拉大。90年代的ASML已經(jīng)開始EUV光刻機的研發(fā)工作，而直到二十一世紀，中國才剛剛開始啟動193nmArF光刻機項目，足足落后ASML20多年。

進入新世紀后，中國的光刻機事業(yè)得到了國家的重視，有了一定的發(fā)展，但是由于2018年之前我國一直是從海外購買到光刻機以及半導體芯片，所以我國的光刻機行業(yè)的發(fā)展一直處于一種不緊不慢、不溫不火的狀態(tài)中，與世界領先的研發(fā)水平的差距并沒有有效縮小，只是處于跟跑的階段。目前來看，中國與世界上光刻機領域最先進的ASML公司仍然有二十年左右的差距。

這里引用一下知乎用戶朝陽區(qū)戴老板的話：“就當前世界光刻機行業(yè)的現(xiàn)實情況來看，排在上海微電子裝備有限公司前面的參賽選手只剩下了3名，荷蘭的ASML，日本的佳能和尼康。如果單純按照數(shù)字評分的話，ASML如果是100分，佳能大概20分，尼康大概25分，上海微電子大概5分。”

可以說，中外差距仍是“路漫漫其修遠兮”，仍需“吾將上下而求索”。中國的光刻機發(fā)展之路還很漫長，需要資金、技術、人才、企業(yè)、政府各方面的投入。

五、國際光刻機產(chǎn)業(yè)格局

　　中商產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)顯示，2016-2018年，全球IC制造前道光刻機全球銷量整體處于上升趨勢，2018年全球出貨量達到374臺。2019年出貨量略有下降，全年為359臺。

　　從競爭格局來看，目前，據(jù)全球光刻機市場的主要企業(yè)即ASML，尼康和佳能三家，ASML在全球光刻機市場產(chǎn)業(yè)格局中約占比75%，尼康約占比13%，佳能約占比6%，其他公司約總占比7%。

從光刻機銷售額來看，2019年三家企業(yè)的合計市場份額就占到了全球光刻機市場的90%以上。據(jù)中商情報網(wǎng)報道，荷蘭ASML公司的主要產(chǎn)品為各級別的光刻機，2019年阿斯麥銷售了229臺光刻機，其中占比最大的是ArFi光刻機，且市場占比高達88%；其次是KrF光刻機，市場占比高達71%，而且值得一提的是ASML公司的EUV光刻機的市場占比可達到100%，完全壟斷了整個市場。尼康目前主要為中高端機型，包括ArF、KrF、KrF、i-line光源，在ASML之后才推出浸入式光刻機，曾經(jīng)是光刻機領域的第一，但是現(xiàn)在已經(jīng)落后于ASML。佳能專注于低端產(chǎn)品，只有i-line和Kr-F光刻機，沒有浸入式光刻機，現(xiàn)在佳能已逐漸減少在半導體光刻機領域的投資，轉(zhuǎn)向面板光刻機領域。

在國產(chǎn)光刻機領域中，上海微電子獨領風騷，作為國內(nèi)最領先的光刻機研發(fā)企業(yè)同時也是國內(nèi)最具競爭優(yōu)勢的企業(yè)，其產(chǎn)品主要采用ArF、KrF和i-line光源，目前只能達到90nm制程，且主要用于IC的后道封裝和面板領域。

六、光刻機的未來發(fā)展趨勢 

（一）未來光刻機依然不是大市場

今天大家關注度最高的還是2nm、3nm的光刻機，主要是手機芯片領域，但其實之前的較大制程光刻機仍在銷售，銷量還不錯。從行業(yè)供給來看，2014-2018年，光刻機領域排名前三的企業(yè)（ASML、尼康、佳能）銷售量呈現(xiàn)波動增長的態(tài)勢。2019年，光刻機銷售量有所下滑，全球銷量為354臺，較2018年下降了3.8%。2020年第一季度，全球光刻機領域排名前三企業(yè)銷售量實現(xiàn)85臺。除了應用于IC前道的光刻機之外，封裝光刻機以及LED/MEMS/功率器件光刻機利基市場也不斷發(fā)展。智研咨詢發(fā)布的《2020-2026年中國光刻機行業(yè)市場競爭力分析及投資前景趨勢報告》數(shù)據(jù)顯示：從需求量來看，先進封裝光刻機市場需求更大且增速最高，是利基市場的主要拉動力量。2015-2020年先進封裝、MEMS以及LED光刻機出貨量將持續(xù)增長，預計到2020年總需求量將超過250臺/年。但整體規(guī)模也只是在每年數(shù)百臺左右的需求量，所以未來光刻機依然不會是一個很大的市場。

（二）X光光刻機暫時仍無法實現(xiàn)工程化量產(chǎn)

在半導體工業(yè)領域，X射線光刻機技術也是被研究的光刻技術。據(jù)知乎用戶我為科技狂的描述，現(xiàn)今的EUV極紫外光刻技術技術相對成熟，光學特性佳，經(jīng)濟性好。X射線的波長從0.001nm到10nm。更小的波長意味著可以減少光波的衍射，利于形成微小清晰的影像。而X射線光刻機技術，具有更好的穿透性，可以成形的縱橫比更高，制造下一代3D晶體管與更小納米的芯片。

現(xiàn)在用X射線光刻的公司，主要采用的是LIGA技術，用來制造高深寬比結(jié)構(gòu)的一種技術，可以制造出100:1的深寬比，應用于mems技術當中。但X射線光刻機技術最大的問題也正是由于它的穿透性太強導致了無法用透鏡進行放大和縮小，因此圖形尺寸和掩模版的尺寸相同，例如100nm尺寸的圖形需要100nm尺寸的掩模版，所以x射線光刻過分依賴電子束光刻掩模版的精度，所以目前沒有大量普及。目前用X射線做的最小精度為30nm，這個精度卡在中間不上不下，做cmos器件精度遠遠不夠，做mems又用不到這么小的尺寸，并且成本也不便宜。

此前曾有ASML的專家在線下向36氪表示，目前EUV至少還能向前迭代1代，有迭代2代的可能，這大約會有至少10年的周期，從經(jīng)濟性上考慮，EUV光刻機可能能支持到2nm、1.4nm制程。

（三）芯片小型化微縮化的其他補充解決方案

芯片小型化、微縮化是不可逆的趨勢。光刻機的進步代表著先進進程，這之外，產(chǎn)業(yè)也在積極尋找其他既能讓芯片維持小體積，又能保持芯片高效能的方式。整體來看，目前芯片微縮的方向有幾大思路，包括：幾何微縮、電路微縮、器件微縮、架構(gòu)微縮。各方案也都有一些科研和產(chǎn)業(yè)進展。如我們常聽到的3D封裝、2.5D封裝等均是在這一背景下出現(xiàn)的。