出品丨自主可控新鮮事
本文內容來源于民生證券
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，華為的手機業務就要被卡脖子。而臺積電又處在阿斯麥爾的下方，沒有阿斯麥爾供應的光刻機，臺積電就做不出最先進的芯片。處在阿斯麥爾上方的是蔡司，對阿斯麥爾光刻機至關重要的鏡頭僅有蔡司一家企業能夠供應。
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，也是一種半導體工業中常用的設備，用于將電路圖案轉移到半導體芯片上，其精確度和性能對于芯片制造的成功至關重要。
雖然，國內一直在進行相關的研發，希望可以突破壟斷，但似乎有點走歪了。
近期，光刻機市場出現了兩個新動向。首先，哈爾濱工業大學公布了一項名為"高速超精密激光干涉儀"的研發成果，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。另一個是國內某公司開發了SAQP技術，在不依賴EUV光刻機的前提下，實現了7納米工藝，并且在經濟方面仍有進一步的潛力，甚至可以實現5納米工藝。
這兩個消息一看，是不是覺得國內光刻機，有前途了！確實，這些動態消息引發了許多網友和業內人士的討論，但也引發了過度的“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內的熱議。但實際上，這些路徑的研究仍停留在實驗室設想的階段。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，還需要在基礎理論和創新方面進一步突破。
今天，我們就來縷一縷光刻機各環節的國產化情況~
1、光刻機整機方面：國產 90nm 已攻克，推進 28nm
光刻技術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移到基片上的技術工藝。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，光刻機由于技術壁壘高、單臺成本高，為光刻工藝中最為重要的設備。
根據 SEMI 預測，2022 年光刻機占半導體設備市場份額達 23%，市場規模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 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 仍維持領先地位，出貨量分辨占 100%/95%/87%，中國內地占 ASML 銷售額 14%。上海微電子光刻機技術在國內領先，目前已可量產 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，數值越小芯片性能也就越強，當然難度也就大。
激光光源：浸沒式 193nm 準分析激光器突破，EUV 有新進展。
光刻機主要就是由激光光源、物鏡系統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，數值越小芯片性能也就越強，當然難度也就大。就激光光源來說，為了實現更精確的光刻，提高分辨率，減少光源波長是重要手段。
光源系統發展到今天，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：美國的 Cymer（2012 年被 ASML 收購）和日本的Gigaphoton。
國產進度：中國科益虹源公司自主研發設計生產的首臺高能準分子激光器，以高質量和低成本的優勢，填補中國在準分子激光技術領域的空白，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：與海外差距較大，突破 90nm
物鏡是光刻機中最昂貴最復雜的部件之一，二十余枚鏡片的初始結構設計難度極大——不僅要控制物鏡波像差，更要全面控制物鏡系統的偏振像差。
外界都知道 ASML 對于半導體產業鏈的重要性，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，收集器和其他關鍵光學元件（即光學元件）的唯一供應商。ASML 與卡爾蔡司成了獨家協議，如果卡爾蔡司無法維持和提高生產水平，ASML 可能無法履行訂單。
在光學鏡頭方面，盡管與卡爾蔡司、尼康等公司還有非常大的差距，但奧普光學提供的鏡頭已經可以做到 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，一個工作臺負責測量，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 倍以上的生產效率。雙工作臺技術難度很高，精確度要求極高（高速運動下保持 2nm 精度），能夠掌握該項技術的只有荷蘭 ASML。有媒體傳出清華大學和華卓精科合作研發出光刻機雙工作臺，精度為 10nm，雖然比不上 ASML 的水平，但也算填補了國內空白。
沉浸系統：突破 ArFi
目前，國產光刻機還處于 DUV 階段。而 DUV 光刻機也分三類，即 KrF、ArF、ArFi。前兩種已經突破，國產最高可做到 90nm，可滿足國內重要機構使用，不受國外限制。現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，一旦能夠實現突破，那么就等于邁進了 DUV 光刻機中的高端行列。ArFi 沉浸式光刻機最關鍵的就是這個沉浸式技術，ArF 波長為193nm，加入沉浸式技術后就可以達到 134 nm。而近些年國內企業啟爾機電在浸液控制系統上取得了重大突破。
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，其溶解度會發生變化的耐蝕劑刻薄膜材料。根據下游不同的應用，光刻膠可分半導體光刻膠(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企業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 光刻膠產品領域，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體光刻膠產品上雖有一定的技術儲備和產品驗證，但是在量產層面完全處于空白。
我國半導體光刻膠對外依賴程度達 80%以上。尤其是國產高端半導體光刻膠非常稀缺。據晶瑞股份公告數據顯示，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口。
涂膠/顯影設備：國產突破 28nm
涂膠顯影設備是光刻工序中與光刻機配套使用的涂膠、烘烤及顯影設備。
全球前道涂膠顯影設備銷售額由 2013 年的 14.07 億美元增長至 2018 年的23.26 億美元，年均復合增長率達 10.58%，智研咨詢預計 2023 年將達到 24.76億美元；中國前道涂膠顯影設備銷售額由 2016 年的 8.57 億美元增長到 2018 年8.96 億美元，2023 年將達到 10.26 億美元。
根據 VLSI Research 數據，2019 年全球集成電路制造前道晶圓加工領域用涂膠顯影設備市場主要被日本 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%。
涂膠顯影領域國內龍頭為沈陽芯源微，成立于2002年，是由中國科學院沈陽自動化研究所發起創建的國家高新技術企業，公司主要從事半導體專用設備的研發、生產和銷售，產品包括光刻工序涂膠顯影設備（涂膠/顯影機、噴膠機）和單片式濕法設備（清洗機、去膠機、濕法刻蝕機）。2022 年，公司披露在 28nm 及以上節點的光刻涂膠顯影工藝上可實現全面國產替代，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：光刻機各環節國產化情況》
從7nm到5nm：國產光刻機的突破，從告別自嗨開始
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