盤點(diǎn)國產(chǎn)光刻產(chǎn)業(yè)鏈的“星星之火”，十三年磨一劍背后的中國芯片業(yè)隱痛

國產(chǎn)光刻機(jī)的研發(fā)進(jìn)程，似乎越發(fā)“撲朔迷離”。中國的IC前道用先進(jìn)光刻機(jī)研發(fā)之路，究竟走得怎么樣了？傳言中的ArF光刻機(jī)背后，又有哪些玩家的身影？我們挖掘國產(chǎn)193nm ArF浸沒式DUV光刻機(jī)背后的研發(fā)故事，發(fā)現(xiàn)除了國產(chǎn)光刻機(jī)龍頭上海微電子，其他5家“低調(diào)”的企業(yè)亦承擔(dān)了重要角色。

今年以來，中美貿(mào)易摩擦加劇、全球范圍內(nèi)疫情肆虐等種種因素，為國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈開啟了“hard”模式。其中，光刻機(jī)被“卡脖子”的問題，既是國產(chǎn)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的遠(yuǎn)慮，更是近憂。

芯東西了解到，面向這一難題，包括上海微電子在內(nèi)的上述六家國產(chǎn)光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈玩家，正致力于攻關(guān)先進(jìn)光刻機(jī)各個(gè)部件的技術(shù)壁壘。

今天，我們挖掘這六家企業(yè)身上的故事，盤點(diǎn)國產(chǎn)光刻產(chǎn)業(yè)鏈的“星星之火”。

一、光刻：十三年磨一劍背后的中國芯片業(yè)隱痛

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈可分為芯片設(shè)計(jì)、制造、封測(cè)三大環(huán)節(jié)，在芯片制造幾百道工序之中，光刻是最重要的步驟之一，直接定義了晶體管的尺寸。

光刻機(jī)是中國芯片業(yè)發(fā)展的一道短板，這已經(jīng)不是新聞。盡管如此，提起中國可量產(chǎn)的光刻機(jī)已被卡在90nm制程4年，這個(gè)時(shí)間跨度仍令人心驚。

2007年，中國光刻機(jī)龍頭企業(yè)上海微電子宣布突破365nm光波長的DUV光刻技術(shù)，該技術(shù)可用于90nm芯片制程的生產(chǎn)。2016年，上海微電子SSX600系列的三款步進(jìn)掃描投影光刻機(jī)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，其中SSA600/20光刻機(jī)分辨率達(dá)到90nm。從2007國產(chǎn)光刻技術(shù)突破90nm分辨率至今，國產(chǎn)玩家十三年磨一劍。其間， 盡管國產(chǎn)光刻機(jī)玩家不斷探索，但始終未實(shí)現(xiàn)更先進(jìn)光刻機(jī)的量產(chǎn)。

然而，90nm制程的芯片一般用于電源管理芯片、MCU等非核心芯片的生產(chǎn)，并不能滿足手機(jī)處理器等產(chǎn)品的需求。

目前，大陸晶圓代工龍頭中芯國際14nm晶圓代工產(chǎn)線上，使用的是荷蘭光刻機(jī)廠商ASML的設(shè)備。

直到今年，中國光刻機(jī)研發(fā)工作似乎出現(xiàn)進(jìn)展。今年早些時(shí)候曾傳出消息，稱上海微電子已經(jīng)研發(fā)出可用于22nm芯片生產(chǎn)的光刻機(jī)，但并未透露相關(guān)光刻機(jī)型號(hào)，芯東西也未找到確鑿的信源。

相比之下，上海微電子突破28nm芯片制程用光刻機(jī)技術(shù)壁壘的消息更為可信。

據(jù)方正證券今年發(fā)布的一份研報(bào)，在02專項(xiàng)光刻機(jī)項(xiàng)目二期中，設(shè)定于2020年12月驗(yàn)收193nm ArF浸沒式DUV光刻機(jī)，這款光刻機(jī)直接對(duì)標(biāo)國際光刻龍頭ASML現(xiàn)階段最強(qiáng)DUV光刻機(jī)TWINSCAN NXT：2000i。

相比90nm制程芯片，28nm制程的芯片能制造出性能更為優(yōu)越的芯片產(chǎn)品。盡管短時(shí)間內(nèi)可能無法實(shí)現(xiàn)193nm ArF浸沒式DUV光刻機(jī)的量產(chǎn)，但這一技術(shù)突破的戰(zhàn)略意義毋庸置疑。

要知道，理論上來說，193nm光波長ArF浸沒式DUV光刻機(jī)可用于7nm制程芯片的生產(chǎn)。目前，全球擁有193nm光波長ArF浸沒式DUV光刻機(jī)生產(chǎn)量產(chǎn)能力的玩家中，數(shù)得上名字的也僅有占據(jù)80%全球光刻份額的ASML，以及分食剩余市份的尼康和佳能。

跨越13年研發(fā)，這臺(tái)可用于28nm制程芯片生產(chǎn)的光刻機(jī)，可以說被中國芯片業(yè)期盼已久。

二、上海微電子：深紫外線光刻機(jī)水平有望追平ASML

從技術(shù)層面來講，光刻是指利用光學(xué)–化學(xué)反應(yīng)原理，將電路圖轉(zhuǎn)移到晶圓表面的工藝技術(shù)，而光刻機(jī)則是光刻工序中的一種投影曝光系統(tǒng)。

光刻機(jī)可分為無掩模光刻機(jī)和有掩模光刻機(jī)，前者技術(shù)壁壘相對(duì)較低，一般用于高分辨率掩模版、集成電路原型驗(yàn)證芯片等特定芯片的小批量制造。而卡住國產(chǎn)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈“脖子”的，則是技術(shù)壁壘較高的有掩模光刻機(jī)，有掩模光刻機(jī)目前多用于先進(jìn)制程的前道工藝中。

從分類來看，無掩模光刻機(jī)又可分為電子束直寫光刻機(jī)、離子束直寫光刻機(jī)、激光直寫光刻機(jī)；有掩模光刻機(jī)分為接觸/接近式光刻機(jī)和投影式光刻機(jī)。

此外，有掩模光刻機(jī)又可按照光刻光源的代際進(jìn)行劃分，上海微電子正在研發(fā)的193nm光波長ArF浸沒式光刻機(jī)屬于第四代光刻機(jī)，可用于45～22nm制程芯片的生產(chǎn)。

目前，上海微電子是中國國內(nèi)唯一能制造IC前道工藝用光刻機(jī)的企業(yè)，在其已量產(chǎn)的光刻機(jī)產(chǎn)品中，最為先進(jìn)的是SSA600/200產(chǎn)品，能夠用于90nm制程芯片的生產(chǎn)。

深紫外線光刻機(jī)作為有掩模光刻機(jī)歷史上的第四代光源，193nm光波長ArF（準(zhǔn)分子激光器）已經(jīng)是世界領(lǐng)先水平。也就是說，如果上海微電子成功設(shè)計(jì)、集成出193nm光波長ArF浸沒式光刻機(jī)。就意味著在深紫外線光刻領(lǐng)域，中國技術(shù)水平已經(jīng)趕上全球光刻機(jī)龍頭ASML。

三、上海微電子背后的國家隊(duì)“五強(qiáng)”

光刻機(jī)主要可分為照明系統(tǒng)、Stage系統(tǒng)（工作臺(tái)系統(tǒng)）、鏡頭組、搬送系統(tǒng)、Alignment系統(tǒng)（對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記系統(tǒng)）這五大組成部分。

作為高度復(fù)雜的半導(dǎo)體領(lǐng)域關(guān)鍵設(shè)備，光刻機(jī)對(duì)集成度的要求極高。有數(shù)據(jù)顯示，組裝一臺(tái)光刻機(jī)需要上萬個(gè)零部件。

由于光刻機(jī)各個(gè)組件的高度復(fù)雜，全球光刻機(jī)龍頭ASML即在成立早期，采取“Out House”的運(yùn)營模式，僅負(fù)責(zé)光刻機(jī)整機(jī)的設(shè)計(jì)和子系統(tǒng)的需求定義，將各個(gè)子系統(tǒng)委托第三方廠商進(jìn)行研發(fā)生產(chǎn)。

直至今天，ASML仍保留有部分“Out House”模式的傳統(tǒng)，比如，其使用的光刻機(jī)核心組件，由蔡司、Cymer等多家廠商供應(yīng)。

與ASML相同，上海微電子的193nm光波長ArF浸沒式光刻機(jī)研發(fā)之路上，亦有國產(chǎn)產(chǎn)業(yè)鏈玩家的支持。

為盡快完成對(duì)193nm光波長ArF DUV光刻機(jī)的攻關(guān)，中國推出“極大規(guī)模集成電路制造技術(shù)及成套工藝”項(xiàng)目（又稱“02專項(xiàng)計(jì)劃”），其中專門針對(duì)光刻產(chǎn)業(yè)進(jìn)行規(guī)劃。

根據(jù)“02專項(xiàng)計(jì)劃”，我國光刻機(jī)研發(fā)工作亦采用類似“Out House”的研發(fā)模式，上海微電子負(fù)責(zé)整機(jī)的設(shè)計(jì)與集成，另有五家企業(yè)各自負(fù)責(zé)對(duì)光刻機(jī)不同核心零部件的研發(fā)。

值得一提的是，這五家承擔(dān)核心零部件研發(fā)企業(yè)，均與中國頂尖高校聯(lián)系緊密，代表著中國最頂尖的半導(dǎo)體研發(fā)實(shí)力。

這五家企業(yè)分別是：

1、北京科益虹源

北京科益虹源光電技術(shù)有限公司成立于2016年7月，主營光刻機(jī)光源系統(tǒng)，擁有準(zhǔn)分子激光技術(shù)研究、產(chǎn)品開發(fā)的能力。

在企業(yè)工商平臺(tái)可以看到，北京科益虹源第一大客戶為持股37.5%的中國科學(xué)院微電子研究所。

2、北京國望光學(xué)

北京國望光學(xué)科技有限公司成立于2018年，經(jīng)營范圍包含光刻機(jī)曝光光學(xué)系統(tǒng)、高端鏡頭、光電儀器與裝備、光學(xué)加工與檢測(cè)設(shè)備等。

目前，北京亦莊國際投資發(fā)展有限公司持股國望光學(xué)約66.67%，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所持股國望光學(xué)約14.67%。

3、長春國科精密

長春國科精密光學(xué)技術(shù)有限公司成立于2014年，總部位于吉林省長春市，在上海設(shè)有投影光刻照明系統(tǒng)研發(fā)事業(yè)部。

目前，長春國科精密由長春凈月創(chuàng)業(yè)投資有限公司100%持股。值得一提的是，長春國科精密與北京國望光學(xué)的法定代表人，均為長春光機(jī)所所長助理孫守紅。

長春光機(jī)所是中科院最大的研究所，先后孕育出了西安光機(jī)所、上海光機(jī)所、成都光機(jī)所等科研機(jī)構(gòu)。

據(jù)長春國科精密官網(wǎng)，目前，長春國科精密作為“國家科技重大專項(xiàng)02專項(xiàng)”支持的唯一高端光學(xué)技術(shù)研發(fā)單位，正在承擔(dān)NA0.82、NA1.35等多種類型高端IC制造投影光刻機(jī)曝光光學(xué)系統(tǒng)的技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)工作。

4、北京華卓精科

華卓精科成立于2012年，主營業(yè)務(wù)為集成電路制造裝備及關(guān)鍵零部件的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。目前產(chǎn)品包括光刻機(jī)雙工件臺(tái)及其衍生產(chǎn)品超精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、激光退火設(shè)備、晶圓鍵合設(shè)備等。

今年六月份，華卓精科的科創(chuàng)板IPO申請(qǐng)獲得上交所受理，但這一IPO流程已于9月30日被中止。根據(jù)上交所官網(wǎng)，中止原因是華卓精科發(fā)行上市申請(qǐng)文件中記載的財(cái)務(wù)資料已過有效期，需要補(bǔ)充提交。

在華卓精科遞交的招股書中可以看到，其光刻機(jī)雙工件臺(tái)產(chǎn)品的重要客戶，正是上海微電子。

5、浙江啟爾機(jī)電

浙江啟爾機(jī)電技術(shù)有限公司成立于2013年，主要研發(fā)、生產(chǎn)和銷售高端半導(dǎo)體裝備超潔凈流控系統(tǒng)及其關(guān)鍵零部件。啟爾機(jī)電前身是浙江大學(xué)流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室啟爾團(tuán)隊(duì)。

四、無掩模光刻機(jī)已實(shí)現(xiàn)“從0到1”

相比有掩模光刻機(jī)，中國在無掩模光刻機(jī)方面走得更遠(yuǎn)。盡管激光直寫光刻技術(shù)難以達(dá)到納米級(jí)別的光刻精度，但在面板（FPD）領(lǐng)域有較多應(yīng)用。

商務(wù)部數(shù)據(jù)顯示，2013年至今，國內(nèi)面板市場發(fā)展迅速，2013～2020 年復(fù)合增長率達(dá) 36.48%。從全球市場占比來看，2013年至今，中國面板產(chǎn)能持續(xù)增長，在全球市場占比已達(dá)到近50%。

目前，除了大陸光刻機(jī)龍頭上海微電子外，合肥芯碩半導(dǎo)體、無錫影速半導(dǎo)體、東方晶源微電子等玩家已經(jīng)在無掩模光刻機(jī)市場取得技術(shù)突破。

其中，合肥芯碩半導(dǎo)體是國內(nèi)首家半導(dǎo)體直寫光刻設(shè)備制造商，研發(fā)的ATD4000型號(hào)產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)最高200nm的量產(chǎn)。

無錫影速半導(dǎo)體是由中科院微電子所聯(lián)合業(yè)內(nèi)技術(shù)團(tuán)隊(duì)、產(chǎn)業(yè)基金發(fā)起成立的專業(yè)微電子裝備企業(yè)，目前已成功研發(fā)國際首臺(tái)雙臺(tái)面高速激光直接成像連線設(shè)備（LDI），實(shí)現(xiàn)了最高200nm的量產(chǎn)。

東方晶源微電子的產(chǎn)品主要用于20nm以下極大規(guī)模半導(dǎo)體片制子束圖像檢測(cè)設(shè)備和合優(yōu)化開發(fā)及生產(chǎn)，可為關(guān)鍵工序提供高速、高精度的檢測(cè)系統(tǒng)。

結(jié)語：中國光刻技術(shù)攻關(guān)的關(guān)鍵時(shí)刻

不論是瓦森納協(xié)定還是近期的中美貿(mào)易摩擦，在國產(chǎn)芯片產(chǎn)業(yè)鏈面臨的困境中，光刻技術(shù)無疑是直接卡“脖子”的一環(huán)。

要解決這一問題，技術(shù)攻關(guān)當(dāng)然必不可少的。目前，國產(chǎn)的深紫外線光刻機(jī)正處于研發(fā)的關(guān)鍵進(jìn)程之中。在這背后，包括上海微電子在內(nèi)的多位國產(chǎn)玩家正在攻關(guān)。

另外，借力國外成熟產(chǎn)品或可幫助芯片制造商實(shí)現(xiàn)突破。2018年，我國芯片公司中芯國際花費(fèi)約1.2億美元，向阿斯麥訂購了一臺(tái)EUV光刻機(jī)。由于種種原因，目前，這臺(tái)光刻機(jī)還未成功交付。我們期待它能夠盡快落地中國，助力中國芯片事業(yè)再上一個(gè)臺(tái)階。

在嚴(yán)峻的外部貿(mào)易環(huán)境下，攻關(guān)光刻技術(shù)對(duì)國產(chǎn)芯片產(chǎn)業(yè)鏈來說意義非凡，期待相關(guān)技術(shù)攻關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)突破。

責(zé)任編輯：PSY