前兩天關於荷蘭阿斯麥公司（ASML）要斷供中國浸潤式DUV光刻機，後來又反轉了。

今天飆叔就和大家一起聊聊中國光刻機的國產化率問題吧。

一、芯片製造主要需要的設備

既然要說光刻機，那我們還是繞不開整個芯片製造的，畢竟光刻機的主要用途在於芯片的製造。

其實製作芯片有一個複制的生產流程，各個流程中都有相應的設計與製造裝備，即使同一流程也有不同的工藝與相應的機器。

簡單說芯片製造工藝（集成電路）分為“三大四小”工藝：三大佔75％：光刻、刻蝕、沉積；四小占25％：清洗、氧化、檢測、離子注入。

既然工藝如此的複雜，各流程中需要的機器設備肯定也會多種多樣的，飆叔列出主要芯片製造過程中8種機器設備。分別為：

1、光刻機

這是大家最熟悉的了，在加工芯片的過程中，光刻機通過一系列的光源能量、形狀控製手段，將光束透射過畫著線路圖的掩模，經物鏡補償各種光學誤差，將線路圖成比例縮小後映射到矽片上，然後使用化學方法顯影，得到刻在矽片上的電路圖。

2、蝕刻機

蝕刻機分為乾法蝕刻機和浸潤式蝕刻機，其原理是暴露在電子區域的氣體形成等離子體，由此產生的電離氣體和釋放高能電子組成的氣體，從而形成了等離子或離子，電離氣體原子通過電場加速時，會釋放足夠的力量與表面驅逐力緊緊粘合材料或蝕刻表面。

3、離子注入機

離子注入機是高壓小型加速器中的一種。它是由離子源得到所需要的離子，經過加速得到幾百千電子伏能量的離子束流，用做半導體材料、大規模集成電路和器件的離子注入，還用於金屬材料表面改性和製膜等。

4、反應離子刻蝕機

反應離子刻蝕技術是一種各向異性很強、選擇性高的干法腐蝕技術。它是在真空系統中利用分子氣體等離子來進行刻蝕的，利用了離子誘導化學反應來實現各向異性刻蝕，即是利用離子能量來使被刻蝕層的表面形成容易刻蝕的損傷層和促進化學反應，同時離子還可清除表面生成物以露出清潔的刻蝕表面的作用。

5、單晶爐

單晶爐是一種在惰性氣體（氮氣、氦氣為主）環境中,用石墨加熱器將多晶矽等多晶材料熔化,用直拉法生長無錯位單晶的設備。

6、晶圓劃片機

晶圓劃片機主要功能：把晶圓，切割成小片。

7、晶片減薄機

通常在芯片（集成電路）封裝前，需要對晶片背面多餘的基體材料去除一定的厚度。這一工藝過程稱之為晶片背面減薄工藝，對應裝備就是晶片減薄機。

8、氣相外延爐

氣相外延是一種單晶薄層生長方法。是化學氣相沉積的一種特殊方式，其生長薄層的晶體結構是單晶襯底的延續，而且與襯底的晶向保持對應的關係。

一般情況下整個芯片製造的設備投資，光刻機佔比30％，刻蝕機佔25％、PVD（物理氣相沉積）+CVD（化學氣相沉積）+ALD （原子層沉積）等佔25%，並列成為最重要的三大前道設備之一，所以並不是有了光刻機就能造芯片，光刻只是芯片製造工藝流程的中的一個，還需要其他7大前道工藝設備的支撐，其重要程度與光刻機同等重要。

因此，製造芯片有一個非常複雜的流程，非單一設備完成。單獨一個製作流程，也可能有不同的生產工藝，用到不同的機器。

二、光刻機涉及的主要技術環節，以及中國與世界最先進水平的差距

大家知道光刻機是目前世界上最精密、科技含量最高的設備之一了。一台光刻機光零件就有10萬個，廠家超過5000多家，供應商分佈於全球30多個國家。這些數據說明了光刻機的複雜性和精密性，也反映了光刻機產業鏈的廣泛性和分散性。

光刻機是一種投影曝光系統：光刻機由光源、 照明系統、 物鏡、 工件台等部件組裝而成。在芯片製作中，光刻機會投射光束，穿過印有圖案的光掩膜版及光學鏡片， 將線路圖曝光在帶有光感塗層的矽晶圓上。通過蝕刻曝光或未受曝光的部分來形成溝槽， 再進行沉積、 蝕刻等工藝形成線路。因此，光刻機的四大核心：光源系統、物鏡系統、光學鏡頭、雙工作台系統。

1、光源系統

就激光光源來說，為了實現更精確的光刻，就必須要提高分辨率，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)。

目前全世界能生產光刻機的DUV光源只有美國Cymer跟日本Gigiphoton兩家，美國Cymer是ASML的子公司並提供ASML DUV以及EUV光源系統，日本Gigiphoton是從小松獨立出來的並向日本兩大光刻機尼康（Nikon）和佳能（Canon）提供光源。

中國科益虹源自主研發設計生產的首台高能準分子激光器，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光刻機光源製造，激光器上的KBFF晶體由中科院旗下的福晶科技（002222）提供。

安徽光機所的20W 4KHz的ArF電源模塊與負責最終整合光源系統的科益虹源都雙雙通過專項驗收，這個光源系統也用在了上海微電子的SSA600/20W光刻機上。

但目前Cymer和Gigiphoton這兩家全世界唯二光源廠家花了20多年將ArF光源從一開始的20W 4KHz提升到現在的120W 6KHz。

因此，在光源系統上目前國產的技術水平與世界最先進水平客觀的說有將近20年的差距。

2、物鏡系統/光學鏡頭

物鏡是光刻機中最昂貴最複雜的部件之一，二十餘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。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的唯一供應商。在光學鏡頭方面，儘管與卡爾蔡司、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。

因此，在光學鏡頭上雖然突破了90nm，但與世界最先進水平還是相差巨大的，這差距已經隔了好多代。

3、雙工作台和沈浸系統

高端光刻機都採用了雙工作台，負責測量和曝光晶圓，兩個工作台交換位置和智能，從而提高3倍以上的生產效率。雙工作台技術難度很高，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。清華大學和華卓精科合作研發出光刻機雙工作台，精度為10nm，雖然比不上ASML的水平，但也算填補了國內空白。據飆叔了解在雙工作台研發工作完成，工程樣機是出了，而且華卓精科在2020年4月曾向光刻機集成商上海微電子（SMEE）發貨一台雙工件台，但尚未通過驗收。

沉浸系統環節，我們正在努力突破ArFi沉浸式光刻機，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。據說28nm節點浸沒式光刻機產品已經進入製造階段，具體產品什麼時候出來目前沒有消息。

因此，在雙工作台和沈浸系統上：雙工作台處於突破10nm邊緣，沉浸系統已經突破ArFi，可以用於浸潤式DUV的製造上了。

4、光刻膠

除了以上光刻機核心系統之外，其實還有一個非常非常關鍵的配件“光刻膠”，光刻膠則是集成電路晶圓生產的重要物料。作為圖形媒介物質，光刻膠用於芯片製造的光刻環節，是必不可少的關鍵材料。光刻膠可以利用化學反應，通過曝光、顯影等光刻工藝，將所需要的微小圖形從掩模版轉移到代加工基片上。

光刻膠的品種較多，需要根據工藝條件選取相應品種。製造8寸、12寸晶圓需要使用KrF、ArF光刻膠，全球8寸、12寸晶圓廠擴產將帶動KrF、ArF光刻膠需求。

目前中國半導體光刻膠對外依賴程度達80%以上，據晶瑞股份公告數據顯示，適用於6英寸晶圓的g/i線光刻膠自給率為20%，適用於8英寸晶圓的KrF光刻膠自給率小於5%，適用於12英寸晶圓的ArF光刻膠目前基本靠進口。

在高端光刻膠領域，日本佔據了全球市場的75%，掌握了高端光刻膠的絕對話語權。相比之下，國內的高端光刻膠市場份額相對較小。以ArF光刻膠為例，用於14nm至130nm的芯片、光刻機上，我國的ArF光刻膠的國產自給率僅為1%，因此我們需要從日企購買ArF光刻膠。

南大光電據說已經開發出多款ArF光刻膠，製程覆蓋到28nm至90nm，並且得到下游合作夥伴的驗證。這意味著在ArF光刻膠領域，我國突破了1%的自給率，對我國光刻機、芯片的發展起到促進作用。

綜上所述，對於光刻機核心部件，總體國產化率並不是很樂觀，尤其光源系統和雙工作台等核心系統上要取得真正的突破，並能在國產光刻機上進行應用至少需要3 -5年的時間。

因此，最近華為mate60系列手機芯片——麒麟9000s已基本確認是7nm，也基本確認是中芯國際代工生產的。那基本確定其使用的就是AMSL的光刻機以及進口相關物料進行生產製造的。

三、光刻機全球市場情況

目前光刻機主流是：一種浸潤式DUV，稱之為深紫外線光刻機，主要用於10-130nm光刻機。一種是EUV光刻機，也稱之為極紫外線光刻機，用於7nm及以下的芯片光刻，只有ASML能生產。

國內現有兩台於2021年交付的2050i系列DUV光刻機，這兩台是我國唯二用來生產7nm芯片的光刻機。但無法進入5納米工藝，因為5納米工藝需要EUV技術。

據機構統計數據顯示，在2022年全球光刻機市場，ASML主導了整個行業，擁有82.4%的市場份額。佳能位居第二，佔據10.2%的份額。尼康緊隨其後，佔據7.65%的份額。可以看出，這三家廠商合計佔據了接近100%的市場份額，獨占鰲頭。而相比之下，國產光刻機可能僅擁有微乎其微的0.01%的份額，幾乎可以忽略不計。

而這個微乎其微主要來自上海微電子光刻機整機，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、物鏡系統以及工作台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。

但飆叔了解的實際情況，這款光刻機已交貨的6台，2022年交付了三台，今年也將交付三台，目前90nm光刻機交付後在產線認證的的情況是各系統穩定性不足，使用經常故障報錯，運行幾小時就必須重新校正調對準等各式各樣的問題，去年交付的三台，因為問題太多排障時間比生產時間來的多，廠家基本都放棄使用，今年才剛交付的北京某廠還有較大興趣去調適及使用但除了重重問題以外最大的問題還是光源功率不足每小時只有3~40片的效率，這一切都意味著這台90nm光刻機的優化還需要好幾年，目前這種狀態無法正常生產。

我們見證了中國半導體從無到有的每一步發展過程，但自2019年美國對我國實行殘酷而不公平的“實體清單政策”以來（具體可參看：被列入美國“實體名單”8個月，國內“AI 芯片第一股”要撐不住了！深度解讀“美國實體清單”！），對於中國整個半導體行業來說，利用自身的資源以及研發實力能走到今天這個程度已經非常不容易了。光刻機和芯片的研發是一項非常複雜的工作，僅僅依靠某個環節的突破是無法解決問題的。一台光刻機的組裝需要十幾萬個零部件，每一個零部件背後都是全球頂級公司的技術支撐。

因此，我們應保持低調，營造良好的科研環境，唯有埋頭苦幹，才有仰望星空的一天。（飆叔科技洞察）