出品丨自主可控新鮮事
本文內(nèi)容來(lái)源于民生證券
在芯片食物鏈上，華為處在臺(tái)積電的下方，沒(méi)有臺(tái)積電為華為代工芯片，華為的手機(jī)業(yè)務(wù)就要被卡脖子。而臺(tái)積電又處在阿斯麥爾的下方，沒(méi)有阿斯麥爾供應(yīng)的光刻機(jī)，臺(tái)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(duì)阿斯麥爾光刻機(jī)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(shuō)，光刻機(jī)既是制造芯片的核心裝備，制造難度極大，被譽(yù)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(duì)于芯片制造的成功至關(guān)重要。
雖然，國(guó)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(diǎn)走歪了。
近期，光刻機(jī)市場(chǎng)出現(xiàn)了兩個(gè)新動(dòng)向。首先，哈爾濱工業(yè)大學(xué)公布了一項(xiàng)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(jiǎng)"中國(guó)光電儀器品牌榜金獎(jiǎng)，并有人聲稱解決了7納米以下的光刻機(jī)難題。另一個(gè)是國(guó)內(nèi)某公司開(kāi)發(fā)了SAQP技術(shù)，在不依賴EUV光刻機(jī)的前提下，實(shí)現(xiàn)了7納米工藝，并且在經(jīng)濟(jì)方面仍有進(jìn)一步的潛力，甚至可以實(shí)現(xiàn)5納米工藝。
這兩個(gè)消息一看，是不是覺(jué)得國(guó)內(nèi)光刻機(jī)，有前途了！確實(shí)，這些動(dòng)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(guò)度的“自我陶醉”。
在過(guò)去的一年中，從光子芯片到量子芯片、超分辨率光刻機(jī)等等，各種繞過(guò)光刻機(jī)路線的方案曾多次引起業(yè)內(nèi)的熱議。但實(shí)際上，這些路徑的研究仍停留在實(shí)驗(yàn)室設(shè)想的階段。解決圍繞光刻機(jī)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(lái)縷一縷光刻機(jī)各環(huán)節(jié)的國(guó)產(chǎn)化情況~
1、光刻機(jī)整機(jī)方面：國(guó)產(chǎn) 90nm 已攻克，推進(jìn) 28nm
光刻技術(shù)是在特定波長(zhǎng)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(lái)看，光刻工藝首先光源穿過(guò)光掩模，并通過(guò)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(guò)程中，光掩模遮蓋區(qū)域的光刻膠底片不會(huì)變硬，在刻蝕過(guò)程中被剝落，從而完成對(duì)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(guò)程，分別涉及涂膠機(jī)、光刻機(jī)和顯影機(jī)。其中，光刻機(jī)由于技術(shù)壁壘高、單臺(tái)成本高，為光刻工藝中最為重要的設(shè)備。
根據(jù) SEMI 預(yù)測(cè)，2022 年光刻機(jī)占半導(dǎo)體設(shè)備市場(chǎng)份額達(dá) 23%，市場(chǎng)規(guī)模232.3 億美元。其中，全球光刻機(jī)三大巨頭 ASML/Canon/Nikon 光刻機(jī)營(yíng)收分別為 161/20/15 億美元，市場(chǎng)份額達(dá) 82%/10%/8%；出貨量分別為 345/176/30臺(tái)，市場(chǎng)份額 63%/32%/5%。
從 EUV、ArFi、ArF 三個(gè)高端機(jī)型的出貨來(lái)看，ASML 仍維持領(lǐng)先地位，出貨量分辨占 100%/95%/87%，中國(guó)內(nèi)地占 ASML 銷(xiāo)售額 14%。上海微電子光刻機(jī)技術(shù)在國(guó)內(nèi)領(lǐng)先，目前已可量產(chǎn) 90nm 分辨率的ArF 光刻機(jī)，28nm 分辨率的光刻機(jī)也有望取得突破。光刻機(jī)主要就是由激光光源、物鏡系統(tǒng)以及工作臺(tái)這三個(gè)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(qiáng)，當(dāng)然難度也就大。
激光光源：浸沒(méi)式 193nm 準(zhǔn)分析激光器突破，EUV 有新進(jìn)展。
光刻機(jī)主要就是由激光光源、物鏡系統(tǒng)以及工作臺(tái)這三個(gè)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(qiáng)，當(dāng)然難度也就大。就激光光源來(lái)說(shuō)，為了實(shí)現(xiàn)更精確的光刻，提高分辨率，減少光源波長(zhǎng)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(guó)的 Cymer（2012 年被 ASML 收購(gòu)）和日本的Gigaphoton。
國(guó)產(chǎn)進(jìn)度：中國(guó)科益虹源公司自主研發(fā)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的首臺(tái)高能準(zhǔn)分子激光器，以高質(zhì)量和低成本的優(yōu)勢(shì)，填補(bǔ)中國(guó)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(jī)光源制造，激光器上的 KBFF 晶體由中國(guó)科學(xué)院旗下的福晶科技提供。同時(shí)，科益虹源也是上海微電子待交付的 28 納米光刻機(jī)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(jī)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(jì)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(duì)于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的重要性，而德國(guó)擁有一家對(duì)于 ASML極其重要的公司，卡爾蔡司。ASML 與卡爾蔡司合作超過(guò)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(dú)家協(xié)議，如果卡爾蔡司無(wú)法維持和提高生產(chǎn)水平，ASML 可能無(wú)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(tái)：突破 10nm
高端光刻機(jī)都采用了雙工作臺(tái)，如此一來(lái)，一個(gè)工作臺(tái)負(fù)責(zé)測(cè)量，另一個(gè)工作臺(tái)可以曝光晶圓，完成后，兩個(gè)工作臺(tái)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(tái)技術(shù)難度很高，精確度要求極高（高速運(yùn)動(dòng)下保持 2nm 精度），能夠掌握該項(xiàng)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(jī)雙工作臺(tái)，精度為 10nm，雖然比不上 ASML 的水平，但也算填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。
沉浸系統(tǒng)：突破 ArFi
目前，國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)還處于 DUV 階段。而 DUV 光刻機(jī)也分三類，即 KrF、ArF、ArFi。前兩種已經(jīng)突破，國(guó)產(chǎn)最高可做到 90nm，可滿足國(guó)內(nèi)重要機(jī)構(gòu)使用，不受?chē)?guó)外限制。現(xiàn)在我們正在努力的就是 ArFi 光刻機(jī)（波長(zhǎng)等效 134nm），多出的這個(gè) 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(jī)中的高端行列。ArFi 沉浸式光刻機(jī)最關(guān)鍵的就是這個(gè)沉浸式技術(shù)，ArF 波長(zhǎng)為193nm，加入沉浸式技術(shù)后就可以達(dá)到 134 nm。而近些年國(guó)內(nèi)企業(yè)啟爾機(jī)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(guò)紫外光、電子束、離子束、X 射線等照射或輻射后，其溶解度會(huì)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(guó)，在最為尖端的 ArF 干法光刻膠、ArF 浸沒(méi)式光刻膠和 EUV 光刻膠產(chǎn)品領(lǐng)域，日本與美國(guó)廠商擁有絕對(duì)的壟斷地位，而我國(guó)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(chǔ)備和產(chǎn)品驗(yàn)證，但是在量產(chǎn)層面完全處于空白。
我國(guó)半導(dǎo)體光刻膠對(duì)外依賴程度達(dá) 80%以上。尤其是國(guó)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(guó)產(chǎn)突破 28nm
涂膠顯影設(shè)備是光刻工序中與光刻機(jī)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(xiāo)售額由 2013 年的 14.07 億美元增長(zhǎng)至 2018 年的23.26 億美元，年均復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá) 10.58%，智研咨詢預(yù)計(jì) 2023 年將達(dá)到 24.76億美元；中國(guó)前道涂膠顯影設(shè)備銷(xiāo)售額由 2016 年的 8.57 億美元增長(zhǎng)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(chǎng)主要被日本 TEL 所壟斷，占比超過(guò) 91%，芯源微占比約為 0.7%；2020 年 TEL 的全球市場(chǎng)占比約 87%。
涂膠顯影領(lǐng)域國(guó)內(nèi)龍頭為沈陽(yáng)芯源微，成立于2002年，是由中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所發(fā)起創(chuàng)建的國(guó)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(xiāo)售，產(chǎn)品包括光刻工序涂膠顯影設(shè)備（涂膠/顯影機(jī)、噴膠機(jī)）和單片式濕法設(shè)備（清洗機(jī)、去膠機(jī)、濕法刻蝕機(jī)）。2022 年，公司披露在 28nm 及以上節(jié)點(diǎn)的光刻涂膠顯影工藝上可實(shí)現(xiàn)全面國(guó)產(chǎn)替代，目前在客戶端已完成驗(yàn)收。
參考資料：民生證券《一周解一惑系列：光刻機(jī)各環(huán)節(jié)國(guó)產(chǎn)化情況》
從7nm到5nm：國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)的突破，從告別自嗨開(kāi)始
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