晶片工業製造領域最為耀眼的明珠——光刻機

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半導體晶片製作分為IC設計、IC製造、IC封測三大環節。

光刻作為IC製造的核心環節，其主要作用是將掩膜版上的晶片電路圖轉移到矽片上。

光刻是整個IC製造中最複雜、最關鍵的工藝步驟。

作為整個晶片工業製造中必不可少的精密設備——光刻機，其光刻的工藝水平直接決定晶片的製程和性能水平。

如果說航空發動機代表了人類科技領域發展的頂級水平，那麼光刻機則是半導體工業界最為耀眼的明珠。

光刻機是光刻工藝的核心設備，也是所有半導體製造設備中技術含量最高的設備，涉及精密光學、精密運動、高精度環境控制等多項先進技術。

在半導體製作過程中，光刻設備會投射光束，穿過印著圖案的掩模及光學鏡片，經物鏡補償各種光學誤差，將線路圖曝光在帶有光感塗層的矽晶圓上，然後使用化學方法顯影，得到刻在矽片上的電路圖。

現代光刻技術可以追溯到1900年以前的油紙曝光刻蝕技術，直到二戰時期，人類才第一次應用光刻技術在塑料板上製作銅線路並印刷電路板，隨後20世紀70年代，GCA成功開發出第一台分布重複投影曝光機。

光刻機自誕生以來隨著光源的改進和工藝的不斷創新，經歷了五代產品的更新替代，使得每一代光刻機在光源、波長、設備、最小工藝節點上都實現了較大突破。

第一代光刻機光源是g-Line，波長為436nm，可以滿足0.8-0.35微米製程晶片的生產，對應設備有接觸式和接近式光刻機。

第二代光刻機光源是i-Line，波長為365nm，同樣可以滿足0.8-0.25微米製程晶片的生產。

第三代光刻機光源是KrF，波長為248nm，最小工藝節點提升至180-130nm水平。

第四代光刻機光源是ArF，波長為193nm，最小製程提升至22nm的水平。

第四代光刻機是目前使用最廣的光刻機，也是最具有代表性的一代光刻機。

第五代光刻機光源是EUV，波長為13.5nm。

第一到四代光刻機使用的光源都屬於深紫外光，而第五代EUV光刻機使用的則是波長13.5nm的極紫外光。

從第一代到第四代光刻機，其波長表現為不斷減短，工藝節點不斷提高，光刻技術也由落後逐步邁向成熟。

目前，第一代光刻機（g-Line光源）由於工藝較為落後，早已被市場淘汰。

而第二至第五代光刻機在市場上仍在銷售，但第五代是當前市場最為先進的一款產品，其製程節點可以達到5nm水平。

近年來全球光刻膠出貨需求持續擴大，2017年全球光刻機出貨達到460台，2018年全球光刻機出貨逾600台，較2017年增幅30%。

然而，就目前來說，光刻系統市場供給遠遠不能滿足光刻設備廠商的下遊客戶如存儲和邏輯晶片製造商的需求。

其主要原因在於上游原材料或部件精度難以做到完全符合下游廠商的標準（光刻作用基礎矽片/矽基材純度要求極高，通常要達99.999999999%的級別以上）。

高精度的IC晶片光刻機長期由ASML、尼康和佳能三大巨頭壟斷。

其中自2011-2017以來，ASML，尼康，佳能三家公司幾乎占據了全球99%的光刻機市場份額，尤其ASML光刻機市場份額常年維持在60%以上，市場地位極其穩固。

現階段，頂級光刻機市場由ASML一家獨大。

2011-2017年頂級光刻機累計出貨量中，EUV光刻膠完全由ASML壟斷，出貨來源達到100%。

此外，超過80%的ArFi光刻機也都由ASML提供，其中英特爾、台積電、三星用來加工14/16nm晶片的高端光刻機均來自ASML。

相對而言，尼康和佳能的先進位程遠落後於ASML，其光刻膠市場主要集中在中低端領域。

尼康和佳能的最大競爭力在於中低端光刻機的成本優勢，因為在很多同類機型價格方面，尼康和佳能遠比ASML便宜，僅是ASML的1/2左右。

ASML一開始並非是行業領跑者，在1980年其市場份額還不達5%，而尼康、GCA卻各占了30%，是那個時代的「雙王」。

20世紀80年代是尼康崛起和稱霸的年代。

80年代初，尼康發布首台商用的Stepper NSR-1010G，並在矽谷成立了尼康精機，準備大舉進攻美國市場。

在當時，尼康與GCV均各占據了近30%的市場份額的，而Ultratech只占10%的市場份額，其餘每家市場份額都不到5%。

80年代末，GCA遭受資金匱乏被尼康收購，此時尼康立刻占據了全球近50%的市場份額，坐上了全球第一的寶座，並在接下來的10年間一直維持領先地位。

20世紀90年代，乾式微影技術遇到了瓶頸，光刻光源無法從193nm波長縮短到157nm。

當時，擔任台積電的研發副總經理的林本堅提出：「把透鏡和矽片之間的介質從空氣換成水，波長可縮短到132nm」的假設。

然而，大多數廠商認為這種假設方案存在很大的風險而拒絕了與其開展合作的可能。

ASML卻抓住了機遇，決心和台積電合作研究這種「浸沒式」的解決方案。

2003年，ASML和台積電成功地共同研發出來全球第一台浸沒式微影機，在當時成為了市場上最為先進的產品，並獲得英特爾、台積電大量客戶訂單。

2005年前後，摩爾定律的延續再度陷入停滯，10mn製程節點成為了瓶頸。

但ASML仍堅持大量資金投入研發EUV光刻機。

終於在2010年，ASML成功推出了第一台EUV光刻機NXE。

此後，2013年，ASML通過收購美國準分子雷射源企業Cymer，進一步打通了EUV光刻機的生產產業鏈，並於同年推出第二款EUV光刻機NXE：3300B。

接著四年後，他又推出第三款EUV光刻機NXE：3400B。

在兩次行業機遇下，ASML的市場份額獲得快速提升。

短短時間內，ASML的市場份額就已達70%左右，躍居世界第一。

目前，ASML已經成為了全球唯一一家能夠設計和製造EUV光刻機設備並在超高端市場進行獨家壟斷的廠商，無論技術還是市場都極大領先於尼康、佳能兩大傳統巨頭。

目前從產品上看，ASML的產品遍及低、中、高、超高端市場，產品種類豐富。

在超高端的5nm、7nm領域，ASML是全球唯一能夠生產的廠商，其EUV光刻機設備的市場占有率達100%。

尼康的光刻機涉及低、中、高端市場，尼康的NRS系列與ASML的ArF浸入式光刻機參數指標大體相近，基本可以達到ASML高端產品的水準，但是在高端的5nm、7nm領域無力與之抗衡。

佳能只能生產低端的光刻機，製程節點只能達到90nm，與ASML技術水平也存在較大差距。

光刻機研發的技術門檻和資金門檻非常高，正是因為如此，能生產高端光刻機的廠商非常少。

目前，最先進的7-14nm光刻機僅剩下ASML能生產，日本佳能和尼康早已經基本放棄EUV光刻機的研發。

我國光刻機設備的研製起步也不晚，自1970年以來，就先後有清華大學精密儀器系、中科學院光電技術研究所、中電科45所投入研製。

截至目前，處於技術領先的上海微電子裝備有限公司能量產的光刻機，性能最好的是90nm光刻機，與全球巨頭相比，其在製程上的差距非常大。

國內晶圓廠所需的高端光刻機只能完全依賴進口，但在《瓦森納協定》的封鎖下，高端光刻機被禁止在中國銷售，並且中端光刻機也有保留某些限制條款（禁止給國內自主CPU做代工）。

總體來說，目前我國光刻機自主技術的成長困難重重，要完全實現光刻設備國產化，所需行走的道路還很漫長。

上海微電子：公司的封裝光刻機在國內市占率高達80%，全球市占率也可達到40%，前道製造光刻機最高可實現90nm製程，有望快速將產品延伸至65nm和45nm。