近日，三星電子傳來漲價消息，預(yù)計將在下半年對晶圓代工價格提高15％至20％，以應(yīng)對原材料價格上漲和疫情影響下物流成本提高帶來的壓力。此前，臺積電也已通知客戶，將于2023年起全面提高晶圓代工價格5％至8％。
隨著晶圓代工廠巨頭陸續(xù)發(fā)出漲價通知，芯片漲價又成趨勢。漲價被視為半導(dǎo)體行業(yè)的高景氣信號，但其主要驅(qū)動力還是來自目前半導(dǎo)體市場持續(xù)已久的困境——缺芯。半導(dǎo)體產(chǎn)能因何受限？我國半導(dǎo)體行業(yè)又該如何提高產(chǎn)能？
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研發(fā)難，量產(chǎn)難，光刻機(jī)供不應(yīng)求
半導(dǎo)體供應(yīng)緊張的最大原因之一在于設(shè)備的緊缺，其中又以光刻機(jī)為最。光刻機(jī)是制造芯片的關(guān)鍵前道設(shè)備之一，主要功能就是將芯片設(shè)計公司制出的電路圖縮印在硅晶圓上，以供刻蝕機(jī)刻印
具體而言，它的工作流程可分為兩步：首先是光源通過繪制了電路圖的掩膜到達(dá)縮圖透鏡，這一過程里由于部分光源被掩膜阻擋在縮圖透鏡上會出現(xiàn)曝光區(qū)和未曝光區(qū)；而后，曝光區(qū)的光源經(jīng)由縮圖透鏡抵達(dá)覆蓋了一層光刻膠的硅片上，與光刻膠產(chǎn)生反應(yīng)，配合涂膠顯影設(shè)備使電路圖縮印到硅片上。
集成電路光刻／刻蝕主要步驟
圖片來源：張汝京《納米集成電路制造工藝》
隨著芯片工藝的先進(jìn)化，電路設(shè)計圖日益精細(xì)和復(fù)雜，所需要的光刻精度也就越來越高，研發(fā)光刻機(jī)的技術(shù)要求、生產(chǎn)成本和生產(chǎn)難度都直線上升。迄今為止，世界上能自主研發(fā)和制造光刻機(jī)的廠商依然寥寥無幾，光刻機(jī)供應(yīng)緊張，但它又是制造芯片不可或缺的設(shè)備，因此極大程度上限制了半導(dǎo)體產(chǎn)能。
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市場過于集中，半導(dǎo)體產(chǎn)能的不確定風(fēng)險上升
目前，晶圓代工廠主要使用的光刻機(jī)按光源波長分有DUV（深紫外光源）光刻機(jī)和EUV（極紫外光源）光刻機(jī)兩種，后者波長相對較短，光刻精度較高，是迄今為止最先進(jìn)的光刻機(jī)類型，用于生產(chǎn)高端芯片。
然而，現(xiàn)階段世界上只有總部位于荷蘭的光刻機(jī)供應(yīng)商ASML（ASML．US）能夠制造出EUV光刻機(jī)，這也就是說，最高端芯片的制造目前完全受制于ASML這一家公司，一旦公司任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，全球的高端半導(dǎo)體供應(yīng)鏈都會受影響。
2021年度全球半導(dǎo)體光刻機(jī)銷售情況
其實，在整個光刻機(jī)市場，ASML都憑借其技術(shù)優(yōu)勢占據(jù)了市場高地。目前光刻機(jī)市場非常集中，ASML、Canon（CAJ．N）和Nikon（NINOF．F）三大廠商幾乎壟斷了光刻機(jī)供應(yīng)，其中，以2021年光刻機(jī)的銷售額為基準(zhǔn)，ASML的市場占有率將近80％，是光刻機(jī)行業(yè)毋庸置疑的巨頭，幾乎全球的晶圓代工廠商都在向ASML購買光刻機(jī)。
然而，這樣旺盛的市場需求真的能得到滿足嗎？答案自然是不能。ASML在2022Q1業(yè)績說明會上表示，他們的光刻機(jī)設(shè)備供應(yīng)無法滿足當(dāng)下市場需求，就DUV光刻機(jī)而言，ASML目前僅能滿足60％的DUV光刻機(jī)訂單需求，訂單積壓嚴(yán)重，預(yù)計到2024年才能逐漸完成積壓訂單。上游設(shè)備的供不應(yīng)求使得下游晶圓代工廠擴(kuò)產(chǎn)嚴(yán)重受阻，不斷延長的設(shè)備交付周期延長也提高了生產(chǎn)成本，進(jìn)一步讓半導(dǎo)體產(chǎn)能加緊。
03
對中國來說，光刻機(jī)供給方面帶來的問題更加嚴(yán)重
由于光刻機(jī)研發(fā)難度大，我國光刻機(jī)設(shè)備嚴(yán)重依賴進(jìn)口，自產(chǎn)率極低。ASML業(yè)績說明會上的數(shù)據(jù)顯示，中國大陸市場在該公司第一季度的收入占比達(dá)到了34％，是光刻機(jī)設(shè)備的最大銷售市場。海關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2021年我國制半導(dǎo)體器件或集成電路用的分步重復(fù)光刻機(jī)進(jìn)口額約為11．4億美元，而貿(mào)易逆差則達(dá)到11．1億美元，自產(chǎn)率極低。
如此高的依賴程度讓我國的半導(dǎo)體制造環(huán)節(jié)很容易處于受控狀態(tài)，而《瓦森納協(xié)議》則讓這一狀態(tài)具象化。《瓦森納協(xié)議》針對我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)提出了多個技術(shù)禁運(yùn)條款，而光刻機(jī)作為半導(dǎo)體制造環(huán)節(jié)的核心設(shè)備，是受管控最為嚴(yán)格的部分。由于《瓦森納協(xié)議》的管控，我國無法購買EUV光刻機(jī)這類最先進(jìn)的半導(dǎo)體制造設(shè)備，這也就導(dǎo)致了我國無法生產(chǎn)高端芯片。
2018年我國最大的國產(chǎn)晶圓代工廠中芯國際（00981．HK）向ASML訂購了一臺EUV光刻機(jī)，但該機(jī)器至今仍然由于《瓦森納協(xié)議》的禁售要求而沒能交付。而若使用DUV光刻機(jī)制造7nm制程的高端芯片則需要多重曝光技術(shù)，將大大提高芯片生產(chǎn)成本，因此中芯國際目前只能大規(guī)模生產(chǎn)中低端芯片，高端芯片產(chǎn)能緊張的原因可想而知。
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光刻機(jī)的國產(chǎn)化雖有希望但道阻且長
前面提到的技術(shù)禁運(yùn)讓我國不得不自主研發(fā)光刻機(jī)，但由于技術(shù)需求過高以及部分專利的限制，我國自主研發(fā)光刻機(jī)水平離世界最先進(jìn)水平還有很大差距。目前，我國最先進(jìn)的光刻機(jī)是上海微電子研發(fā)制造的SSA600／20，適用于生產(chǎn)90nm制程的芯片，但遠(yuǎn)不如ASML適用于生產(chǎn)5nm制程芯片的EUV光刻機(jī)。而傳聞中將在2022年交付的28nm制程浸入式光刻機(jī)截止到2022年5月都沒有確切消息，光刻機(jī)自主研發(fā)進(jìn)程似乎遭遇了瓶頸。
上海微電子600系列產(chǎn)品主要參數(shù)
（圖片來源：長城國瑞證券研究所）
不過，好消息還是有的。比如2018年我國的“超分辨光刻裝備項目”通過國家驗收，這一裝備僅用365nm的光源就可使光刻分辨率達(dá)到22nm。
此前，傳統(tǒng)光刻機(jī)使用透鏡進(jìn)行縮印，在成像過程中就勢必存在衍射極限，限制光刻分辨率。而若要提高光刻分辨率就需要使用波長更短的光源或增加數(shù)值孔徑，但這兩個方法的實現(xiàn)難度都非常大，研究成本極高。
超分辨光刻裝備利用表面等離子體波進(jìn)行光刻，繞開衍射極限的限制，達(dá)到提高光刻分辨率的目的，因此用波長較長的光源便可達(dá)到22nm的分辨率。雖然它由于無法應(yīng)對復(fù)雜電路而暫時不能用于芯片制造，但卻為提高光刻精度提供了另一種方法，為我國光刻機(jī)研發(fā)的技術(shù)路徑提供另一種可能。
然而也需要注意到，超分辨光刻裝備的成功已過去三年，究竟是否可以通過改進(jìn)投入到芯片制造環(huán)節(jié)還有待商榷，表面等離子體波光刻技術(shù)的研發(fā)進(jìn)程仍未公開，光刻機(jī)國產(chǎn)化依然有很長的路要走，而這期間我國半導(dǎo)體行業(yè)的產(chǎn)能仍將受限于高端設(shè)備的禁售協(xié)議。
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結(jié)語
總而言之，光刻機(jī)供應(yīng)緊張是限制半導(dǎo)體產(chǎn)能的主要因素之一， 高生產(chǎn)難度導(dǎo)致了高市場集中度以至于出現(xiàn)壟斷，而壟斷市場的巨頭讓整個半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的不確定風(fēng)險增加，加劇半導(dǎo)體供需失衡。雖然我國在努力研發(fā)光刻機(jī)，以期實現(xiàn)光刻機(jī)的國產(chǎn)化，提高設(shè)備自產(chǎn)率，但是技術(shù)的突破需要長時間的積累和充足的研發(fā)資金投入，自主研發(fā)前路漫漫。
