出品丨自主可控新鮮事
本文內(nèi)容來源于民生證券
在芯片食物鏈上，華為處在臺積電的下方，沒有臺積電為華為代工芯片，華為的手機業(yè)務(wù)就要被卡脖子。而臺積電又處在阿斯麥爾的下方，沒有阿斯麥爾供應(yīng)的光刻機，臺積電就做不出最先進(jìn)的芯片。處在阿斯麥爾上方的是蔡司，對阿斯麥爾光刻機至關(guān)重要的鏡頭僅有蔡司一家企業(yè)能夠供應(yīng)。
可以說，光刻機既是制造芯片的核心裝備，制造難度極大，被譽為世界上最精密的儀器，也是一種半導(dǎo)體工業(yè)中常用的設(shè)備，用于將電路圖案轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體芯片上，其精確度和性能對于芯片制造的成功至關(guān)重要。
雖然，國內(nèi)一直在進(jìn)行相關(guān)的研發(fā)，希望可以突破壟斷，但似乎有點走歪了。
近期，光刻機市場出現(xiàn)了兩個新動向。首先，哈爾濱工業(yè)大學(xué)公布了一項名為"高速超精密激光干涉儀"的研發(fā)成果，該成果獲得了首屆"金燧獎"中國光電儀器品牌榜金獎，并有人聲稱解決了7納米以下的光刻機難題。另一個是國內(nèi)某公司開發(fā)了SAQP技術(shù)，在不依賴EUV光刻機的前提下，實現(xiàn)了7納米工藝，并且在經(jīng)濟方面仍有進(jìn)一步的潛力，甚至可以實現(xiàn)5納米工藝。
這兩個消息一看，是不是覺得國內(nèi)光刻機，有前途了！確實，這些動態(tài)消息引發(fā)了許多網(wǎng)友和業(yè)內(nèi)人士的討論，但也引發(fā)了過度的“自我陶醉”。
在過去的一年中，從光子芯片到量子芯片、超分辨率光刻機等等，各種繞過光刻機路線的方案曾多次引起業(yè)內(nèi)的熱議。但實際上，這些路徑的研究仍停留在實驗室設(shè)想的階段。解決圍繞光刻機制造和工藝層面的許多難題，不僅需要突破工藝精度，還需要在基礎(chǔ)理論和創(chuàng)新方面進(jìn)一步突破。
今天，我們就來縷一縷光刻機各環(huán)節(jié)的國產(chǎn)化情況~
1、光刻機整機方面：國產(chǎn) 90nm 已攻克，推進(jìn) 28nm
光刻技術(shù)是在特定波長的光照作用下，借助光刻膠將光掩模上的圖形轉(zhuǎn)移到基片上的技術(shù)工藝。從工藝原理上來看，光刻工藝首先光源穿過光掩模，并通過透鏡使得光掩模縮小，最終使光落于覆蓋有光刻膠的基板上；在此過程中，光掩模遮蓋區(qū)域的光刻膠底片不會變硬，在刻蝕過程中被剝落，從而完成對底片的雕刻。由于光刻工藝的一般流程包括涂膠、曝光、顯影等核心過程，分別涉及涂膠機、光刻機和顯影機。其中，光刻機由于技術(shù)壁壘高、單臺成本高，為光刻工藝中最為重要的設(shè)備。
根據(jù) SEMI 預(yù)測，2022 年光刻機占半導(dǎo)體設(shè)備市場份額達(dá) 23%，市場規(guī)模232.3 億美元。其中，全球光刻機三大巨頭 ASML/Canon/Nikon 光刻機營收分別為 161/20/15 億美元，市場份額達(dá) 82%/10%/8%；出貨量分別為 345/176/30臺，市場份額 63%/32%/5%。
從 EUV、ArFi、ArF 三個高端機型的出貨來看，ASML 仍維持領(lǐng)先地位，出貨量分辨占 100%/95%/87%，中國內(nèi)地占 ASML 銷售額 14%。上海微電子光刻機技術(shù)在國內(nèi)領(lǐng)先，目前已可量產(chǎn) 90nm 分辨率的ArF 光刻機，28nm 分辨率的光刻機也有望取得突破。光刻機主要就是由激光光源、物鏡系統(tǒng)以及工作臺這三個核心部分組成，它們之間相互配合就是為了完成更為精確的光刻，數(shù)值越小芯片性能也就越強，當(dāng)然難度也就大。
激光光源：浸沒式 193nm 準(zhǔn)分析激光器突破，EUV 有新進(jìn)展。
光刻機主要就是由激光光源、物鏡系統(tǒng)以及工作臺這三個核心部分組成，它們之間相互配合就是為了完成更為精確的光刻，數(shù)值越小芯片性能也就越強，當(dāng)然難度也就大。就激光光源來說，為了實現(xiàn)更精確的光刻，提高分辨率，減少光源波長是重要手段。
光源系統(tǒng)發(fā)展到今天，主流的 EUV 光源已確定為激光等離子體光源(LPP)，目前只有兩家公司能夠生產(chǎn)：美國的 Cymer（2012 年被 ASML 收購）和日本的Gigaphoton。
國產(chǎn)進(jìn)度：中國科益虹源公司自主研發(fā)設(shè)計生產(chǎn)的首臺高能準(zhǔn)分子激光器，以高質(zhì)量和低成本的優(yōu)勢，填補中國在準(zhǔn)分子激光技術(shù)領(lǐng)域的空白，其已完成了6kHZ、60w 主流 ArF 光刻機光源制造，激光器上的 KBFF 晶體由中國科學(xué)院旗下的福晶科技提供。同時，科益虹源也是上海微電子待交付的 28 納米光刻機的光源制造商。
物鏡系統(tǒng)：與海外差距較大，突破 90nm
物鏡是光刻機中最昂貴最復(fù)雜的部件之一，二十余枚鏡片的初始結(jié)構(gòu)設(shè)計難度極大——不僅要控制物鏡波像差，更要全面控制物鏡系統(tǒng)的偏振像差。
外界都知道 ASML 對于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的重要性，而德國擁有一家對于 ASML極其重要的公司，卡爾蔡司。ASML 與卡爾蔡司合作超過三十多年。卡爾蔡司是ASML 透鏡，反射鏡，照明器，收集器和其他關(guān)鍵光學(xué)元件（即光學(xué)元件）的唯一供應(yīng)商。ASML 與卡爾蔡司成了獨家協(xié)議，如果卡爾蔡司無法維持和提高生產(chǎn)水平，ASML 可能無法履行訂單。
在光學(xué)鏡頭方面，盡管與卡爾蔡司、尼康等公司還有非常大的差距，但奧普光學(xué)提供的鏡頭已經(jīng)可以做到 90nm。
雙工作臺：突破 10nm
高端光刻機都采用了雙工作臺，如此一來，一個工作臺負(fù)責(zé)測量，另一個工作臺可以曝光晶圓，完成后，兩個工作臺交換位置和智能，從而提高 3 倍以上的生產(chǎn)效率。雙工作臺技術(shù)難度很高，精確度要求極高（高速運動下保持 2nm 精度），能夠掌握該項技術(shù)的只有荷蘭 ASML。有媒體傳出清華大學(xué)和華卓精科合作研發(fā)出光刻機雙工作臺，精度為 10nm，雖然比不上 ASML 的水平，但也算填補了國內(nèi)空白。
沉浸系統(tǒng)：突破 ArFi
目前，國產(chǎn)光刻機還處于 DUV 階段。而 DUV 光刻機也分三類，即 KrF、ArF、ArFi。前兩種已經(jīng)突破，國產(chǎn)最高可做到 90nm，可滿足國內(nèi)重要機構(gòu)使用，不受國外限制。現(xiàn)在我們正在努力的就是 ArFi 光刻機（波長等效 134nm），多出的這個 i 代表加入了沉浸式技術(shù)，一旦能夠?qū)崿F(xiàn)突破，那么就等于邁進(jìn)了 DUV 光刻機中的高端行列。ArFi 沉浸式光刻機最關(guān)鍵的就是這個沉浸式技術(shù)，ArF 波長為193nm，加入沉浸式技術(shù)后就可以達(dá)到 134 nm。而近些年國內(nèi)企業(yè)啟爾機電在浸液控制系統(tǒng)上取得了重大突破。
光刻膠：KrF 已突破，ArF 待突破
光刻膠又稱光致抗蝕劑，是在通過紫外光、電子束、離子束、X 射線等照射或輻射后，其溶解度會發(fā)生變化的耐蝕劑刻薄膜材料。根據(jù)下游不同的應(yīng)用，光刻膠可分半導(dǎo)體光刻膠(24%)、LCD 光刻膠(27%)、PCB 光刻膠(25%)以及其他光刻膠(24%)。
目前全球的光刻膠生產(chǎn)企業(yè)主要集中在日本與美國，在最為尖端的 ArF 干法光刻膠、ArF 浸沒式光刻膠和 EUV 光刻膠產(chǎn)品領(lǐng)域，日本與美國廠商擁有絕對的壟斷地位，而我國在這些尖端半導(dǎo)體光刻膠產(chǎn)品上雖有一定的技術(shù)儲備和產(chǎn)品驗證，但是在量產(chǎn)層面完全處于空白。
我國半導(dǎo)體光刻膠對外依賴程度達(dá) 80%以上。尤其是國產(chǎn)高端半導(dǎo)體光刻膠非常稀缺。據(jù)晶瑞股份公告數(shù)據(jù)顯示，適用于 6 英寸晶圓的 g/i 線光刻膠自給率為20%，適用于 8 英寸晶圓的 KrF 光刻膠自給率小于 5%，適用于 12 英寸晶圓的ArF 光刻膠目前基本靠進(jìn)口。
涂膠/顯影設(shè)備：國產(chǎn)突破 28nm
涂膠顯影設(shè)備是光刻工序中與光刻機配套使用的涂膠、烘烤及顯影設(shè)備。
全球前道涂膠顯影設(shè)備銷售額由 2013 年的 14.07 億美元增長至 2018 年的23.26 億美元，年均復(fù)合增長率達(dá) 10.58%，智研咨詢預(yù)計 2023 年將達(dá)到 24.76億美元；中國前道涂膠顯影設(shè)備銷售額由 2016 年的 8.57 億美元增長到 2018 年8.96 億美元，2023 年將達(dá)到 10.26 億美元。
根據(jù) VLSI Research 數(shù)據(jù)，2019 年全球集成電路制造前道晶圓加工領(lǐng)域用涂膠顯影設(shè)備市場主要被日本 TEL 所壟斷，占比超過 91%，芯源微占比約為 0.7%；2020 年 TEL 的全球市場占比約 87%。
涂膠顯影領(lǐng)域國內(nèi)龍頭為沈陽芯源微，成立于2002年，是由中國科學(xué)院沈陽自動化研究所發(fā)起創(chuàng)建的國家高新技術(shù)企業(yè)，公司主要從事半導(dǎo)體專用設(shè)備的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售，產(chǎn)品包括光刻工序涂膠顯影設(shè)備（涂膠/顯影機、噴膠機）和單片式濕法設(shè)備（清洗機、去膠機、濕法刻蝕機）。2022 年，公司披露在 28nm 及以上節(jié)點的光刻涂膠顯影工藝上可實現(xiàn)全面國產(chǎn)替代，目前在客戶端已完成驗收。
參考資料：民生證券《一周解一惑系列：光刻機各環(huán)節(jié)國產(chǎn)化情況》
從7nm到5nm：國產(chǎn)光刻機的突破，從告別自嗨開始
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