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中国光刻机产业如何破局?

根据SEMI预测,2021年全球半导体设备市场规模有望增长34%至953亿美元,到2022年全球半导体设备市场有望突破1000亿美元,主要驱动力来自于半导体行业扩张周期下全球半导体厂商资本开支不断增加。

光刻机无疑是芯片制造设备中最重要的设备之一。光刻设备对光学技术和供应链要求极高,拥有极高技术壁垒,已成为高度垄断行业。

三足鼎立与一骑绝尘

ASML、尼康、佳能已牢牢占据如今的光刻机市场,整个市场形成了三足鼎立的局面。2021年,这三家的集成电路用光刻机出货达478台,较2020年的413台增加65台。从总营收来看,2021年前三大ASML、尼康、佳能的光刻机总营收达1076亿元人民币,较2020年小幅增长8.9%。从营收占比来看,ASML占据80%的份额。

ASML似乎已经成为了“光刻机”的代名词,作为当仁不让的龙头光刻机厂商,ASML旗下产品覆盖全部级别光刻机设备。不仅如此,ASML还在能够适配7nm到5nm制程芯片的设计制造的超高端EUV光刻机领域一骑绝尘。

尼康和佳能早年已经放弃更先进光刻机的研究。因为技术水平不够,尼康和佳能在7nm及以下制程芯片的制造能力已落后于ASML,业务发展主要依赖中低端光刻机市场,未来ASML的行业地位将更加稳固。

目前,尼康主推ArF浸没式技术,大部分精力都在Arf和i-line光刻机领域。EUV技术的运用尚不成熟,光刻工艺距离ASML仍有不小差距。不过,尼康仍然有野心追赶ASML。

佳能主要的光刻机产品则集中在i-line光刻机上面。尼康虽然在光刻机行业发展呈现持续下滑态势,但凭借多年技术积累位居二线供应商地位;佳能只能屈居三线。

国产半导体设备的最大短板

光刻机的制造集合了精密光学、精密仪器、高分子物理与化学等多项世界顶尖先进技术,光刻机被誉为“半导体工业皇冠上的明珠”。由于光刻的工艺水平直接决定芯片的制程水平和性能水平,光刻成为 IC 制造中最复杂、最关键的工艺步骤,耗费时间约占整个硅片工艺的 40%—60%。

处在光刻机“食物链顶端”的则是EUV光刻机。EUV光刻机的发展,能够帮助半导体产业实现跨越性的发展。5G技术的发展,万物互联概念的爆火,都使高端芯片的需求更加的旺盛,而利用EUV光刻技术则能真正的帮助我们实现高速、低功耗和高集成的芯片生产工艺,满足了5G高性能、超带宽、低时延和海量连接的需求。

EUV高端光刻机制造技术高度复杂,光学镜头、光源设备、是最为核心的。高精密光学镜片是光刻机核心部件之一,高数值孔径的镜头决定光刻机分辨率以及套值误差能力,EUV极紫外光刻机唯一可使用的镜头由卡尔蔡司生产;高性能光刻机需要体积小、功率高和稳定的光源,主流EUV光源为激光等离子光源(LPP),目前只有美国厂商Cymer和日本厂商Gigaphoton才能够生产。但是这些所有的核心部件皆对中国禁运。受制于该技术的高壁垒,光刻机成为中国半导体设备制造的最大短板。短时间内,中国光刻机难以追赶世界光刻机世界水平。

国产光刻机设备之光

虽然国内的光刻机产业暂时还无法追平国际大厂的水平,但是国产半导体设备厂商及相关零部件厂商也正在努力发光发亮。

上海微电子

在我国光刻机设备生产领域,上海微电子一骑绝尘。

上海微电子自2002年成立,至今也有了20年的光刻机研发历史,其生产的SSX600系列步进扫描投影光刻机采用四倍缩小倍率的投影物镜、工艺自适应调焦调平技术,以及高速高精的自减振六自由度工件台掩模台技术,可满足IC前道制造90nm、110nm、280nm关键层和非关键层的光刻工艺需求,该设备可用于8吋线或12吋线的大规模工业生产。

奥普光电

奥普光电成立于2001年,主营光电测控仪器设备的研发、生产和销售。具备国内一流的光学精密机械与光学材料研发和生产能力。实际上,得益于在光学与精密机械等领域的技术创新和综合制造优势,公司成功参与了包括神舟号载人航天飞船在内的多项国家重大工程任务,有效带动了业绩表现。

同时,借助大股东长春光机所,在国产光刻机领域的龙头地位,奥普光电极具资源整合优势。

而随着长春光电高端光刻机曝光系统的研发,进入冲刺阶段。奥普光电有望成功站上光刻机国产替代的风口。

科益虹源

2016年7月,中国科学院光电院、中国科学院微电子研究所、北京亦庄国际投资有限公司、中科院国有资产经营有限公司共同投资创立科益虹源。其关键在于,科益虹源是中国唯一、世界第三具备高端准分子激光技术的公司,高端准分子激光器是生产光刻机所需的核心器件。科益虹源的光源技术,弥补中国在高端光源制造领域的空白。

2020年4月份,科益虹源集成电路光刻光源制造及服务基地项目开工建设。该项目由北京科益虹源光电技术有限公司投资建设,总投资5亿元,建筑面积1.2万平方米,年产RS222型光刻准分子激光器、光刻用准分子激光器、405光纤耦合头等各类设备30台(套)。

ASML的成就,中国企业可取多少?

ASML的成功之路也并非康庄大道,但其成功史,也绝对算得上业内传奇。ASML成立初期,也有技术落后和资金不足的阻碍,又加上半导体产业的周期性的衰退,几乎走投无路;1995年,ASML上市,充足的资金给够了ASML发展动力;2000年,ASML推出TWINSCAN双工件台光刻机,一举奠定了ASML的龙头地位;2010年ASML公司成功研发首台EUV光刻机,由此一骑绝尘,将行业内其他厂商远远甩在了身后。ASML的辉煌路与产业大环境和外部因素助力有关,也是其自身重视科技与研发,把握产业前沿动态技术的必然结果。

ASML在成立之时,发展得并不顺利,也离不开外部的支持。得益于通过欧洲基金和荷兰政府早期的补贴,才坚持下来。上市之后,也正是因为获得了更多的资金,才能心无旁骛的钻入研究中。

ASML更勇于创新,积极研发。ASML之所以能成为世界上唯一可以生产EUV光刻机的公司,离不开当初台积电当初建议的“浸入式光刻技术”方案,这项技术提出时业内很少有人愿意尝试,有ASML愿意尝试该技术。使用该方案,ASML将光源波长一举从193nm缩短到132nm。ASML也快速蚕食光刻机市场份额。此外,ASML从不吝啬投入研发费用,研究投入长期领先于行业竞争对手,ASML研发费用占总销售额比率约20%,远超行业平均水平的3%。

ASML是开放的。ASML并非是一个100%的“原创者”,ASML光刻机中超过90%零件都是向外采购。制造光刻机的零部件来自全球各地的龙头企业,ASML比竞品公司更能明白整合供应链的重要性。尼康在与ASML竞争中失败的一个重要原因就是尼康想把所有光刻机零件研发和关键技术都掌握在自己手里。

ASML已经很多上下游企业形成庞大的利益共同体,形成高度生态体系壁垒。为解决资金困境,2012年ASML还提出了“客户联合投资计划”,客户入股可以保证最先拿到最新设备,IBM、三星、海力士、台积电等客户都是它的股东。可以说,大半个半导体行业,都是ASML的合作伙伴,从而形成了庞大的利益集团。

星星之光,何以生辉?

从政策层面来看,半导体行业对资金的需求本来就大,加之光刻机产业不是一场可以速战速决的战争,政府应该保证相关支持政策及资金的持久性与连贯性。除了国家资金外,社会资本对整个半导体产业动向的洞悉会更灵活深入。利用国家大基金等资本的带动作用,引导社会资本深入半导体产业,布局先进技术,更能推动光刻机产业的整体进步。

从产业来看,国内光刻机产业应该促进整个产业链的协调发展,相关生产企业应形成良好的产业分工,从零部件到整机,企业做自己擅长的事情,建立更为紧密的合作关系,加快光刻机产业国产替代进程。

从企业本身来看,企业应该积极吸收外部经验,开放式创新。不放过任何可能成功的机会,把握行业前沿动态,积极投入研发。其实,并非所有的芯片制造都需要EUV光刻机,尼康、佳能日本光刻机企业在全球半导体设备市场仍然有一定的地位和实力。国内的企业可以与这些光刻机企业建立合作关系和技术合作,吸收积累技术。

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