全球芯片产业报告：光刻机篇
全球芯片产业报告：光刻机篇
随着AI技术的快速发展，全球芯片产业正迎来新的增长机遇。2024年全球AI芯片市场规模达到713亿美元，同比增长33%，预计2025年将进一步增长。在这一背景下，作为芯片制造核心设备的光刻机，其技术发展和产业竞争格局备受关注。本文将深入探讨光刻机的工作原理、全球竞争格局以及中国光刻机的国产化进展。
光刻机：芯片制造的核心设备
光刻机是芯片制造过程中的核心设备。广义的光刻机按照功能主要分为前道光刻机和后道光刻机，前道光刻机用于芯片的制造环节，而后道光刻机则用于芯片后期的封装环节。一般提到“光刻机”，指的就是前道光刻机。
芯片制造的最大关键点就在于如何将电路图案转移到硅片上，这一过程通过光刻实现。要在直径毫米级、厚度微米级的硅片上刻上由数十亿以上元件构成的复杂电路，光刻机需达到几十纳米甚至更高的图像分辨率。光刻技术的难度可想而知，其工艺水平直接决定了芯片的制程和性能。
一般来讲，芯片制造需要进行20-30次的光刻，耗时占到50%左右，成本占约1/3。光刻机是光刻工艺用到的最核心设备，进而也就成为芯片制造中的核心设备。
简单来说，光刻的作用就是将掩模版上的图案复制到硅片上。掩膜版（Photomask）又称光罩、光掩膜等，是后续要在硅片上实现的集成电路的图形母板。光刻的大致过程是：
- 涂胶：在硅片上涂上一层光刻胶薄膜。光刻胶是一种光敏感材料，被紫外光、电子束、离子束、X射线等照射或辐射后，其溶解度会发生变化。
- 曝光：用紫外光通过掩膜版照射到附有光刻胶薄膜的基片表面，此时被紫外线照射到的薄膜区域就会发生反应，使该区域的光刻胶更容易（正性光刻胶）或者更难（负性光刻胶）融于显影液；
- 显影：利用显影液溶解光刻胶，如果使用的是正性光刻胶，则显影后，留下的光刻胶薄膜图案将与掩模版相同；如果使用的是负性光刻胶，则显影后，留下的光刻胶薄膜图案就将与掩模版互补。显影这一步，实现了图案从掩模版转移到光刻胶薄膜上。
光刻之后，还需要再结合刻蚀技术将图形转移到基片上。
实现光刻技术的核心设备便是光刻机。光刻机组成要素众多，光源系统、物镜系统和工件台系统构成其三大核心子系统。
光源系统为光刻机提供曝光所需的光源，光源的波长等特性对光刻工艺的精度有直接的影响。有紫外（UV）、深紫外（DUV）或极紫外（EUV）三大类光源；波长越短，所能实现的线宽越细，从而提升芯片的集成度。
物镜系统负责将掩模版上的电路图形精确地缩小并投影到硅片上。这一系统包含一系列高精度的透镜和反射镜，它们需要具备良好的透光率以及极小的像差，从而确保电路图形的精准传输和优质的成像效果。
工件台系统旨在精密地操控晶圆和掩模版的位置与移动。这一系统必须达到纳米级别的精准度和速度，同时还要兼具超高的稳定性和重复性。这些特性对于实现多层电路的精准对准和叠加而言至关重要，直接关系到芯片的最终良品率。
简单来说，使用光刻机实现光刻技术的工作流程如下：
- 将掩膜放置在物镜系统下方，使其与底片对齐。
- 曝光光源通过物镜系统投射光线到掩膜上。
- 光线经过掩膜后，通过物镜系统投射到底片上，形成图案。
- 底片上的光刻胶对入射光进行反应，形成图案。
- 底片经过显影液处理，将未曝光或曝光不完全的光刻胶去除，显现出所需的图案。
- 清洗底片，去除残留物。
- 完成图案转移，得到所需微细结构。
光刻机类型：从UV到DUV再到EUV，光刻技术精度逐步提升
光刻机的分类方法多，最常见的是按照光源类型，将光刻机划分为紫外（UV）光刻机、深紫外（DUV）光刻机以及极紫外（EUV）光刻机；工艺节点逐渐减小，光刻技术的精度逐渐提高。
光刻机的工艺节点是指在芯片制造过程中，能够实现的最小特征尺寸，通常以纳米（nm）为单位来表示。工艺节点的数值越小，表示光刻技术的精度越高，即能够在相同面积的硅片上集成更多的晶体管，从而提高芯片的性能和降低功耗。工艺节点是反映芯片工艺水平最直接的参数。目前主流的节点为0.35um、0.25um、0.18um、90nm、65nm、40nm、28nm、20nm、16/14nm、10nm、7nm等。例如，7nm工艺节点意味着在硅片上可以制造出最小为7纳米的晶体管特征。
从紫外（UV）光刻机到深紫外（DUV）光刻机再到极紫外（EUV）光刻机，工艺节点逐渐从微米级演进至纳米级。EUV光刻机是目前最高端的光刻机产品，全球只有ASML拥有生产能力，售价可达数亿元，例如ASML的High-NA EUV光刻机，售价约3.5亿欧元，约合27亿人民币，主要被用于2纳米及以下制程芯片制造。
全球竞争格局：荷兰ASML占据垄断性地位，日本Nikon、CANON退守中低端市场
目前全球90%以上的光刻机市场都被荷兰和日本占据，成规模的光刻机供应商有三家，即荷兰的ASML和日本的Nikon、CANON。
ASML（阿斯麦）是全球光刻机市场领导者。在高端EUV光刻机方面，拥有垄断地位，是全球唯一量产EUV光刻机的厂商；在浸没式ArF光刻机方面，也拥有绝对的领先地位。2023年，ASML的EUV光刻机出货量为53台，DUV光刻机为341台，UV光刻机为55台，总出货量449台。
Nikon（尼康）技术实力强于Canon（佳能），除高端的EUV光刻机外，其他类型均有出货；而Canon则主攻低端的i-line和KrF光刻机。Nikon总出货量45台，2023年DUV光刻机出货量为21台，UV光刻机为24台。Canon 2023年总出货量187台，DUV光刻机出货量为56台，UV光刻机为131台。
国产化替代：需求迫切，技术突破中
过去我国光刻机设备进口较多，从金额看，荷兰是最大进口来源国；从数量看，日本是最大进口来源国。2022-2024年，美日荷对中国芯片产业的封锁不断升级，芯片制造设备、尤其是光刻机这样的卡脖子设备，其国产化替代越发迫切。
光刻机在芯片制造设备中的价值占比约17%，然而国产化率不足1%。半导体设备有前道和后道之分；前道设备用于芯片制造环节，后道设备则用于芯片封装测试环节。光刻机、刻蚀机、薄膜沉积设备是三大核心前道设备，价值占比分别达到17%、22%、22%，合计占比超60%。从国产化替代看，刻蚀机的国产化替代进程较快，国产化替代率达到55-65%；薄膜沉积设备相对缓慢，但是国产化替代率也有10%左右；相比之下，光刻机的国产化替代率却不足1%，成为我国芯片产业的一大卡脖子技术。
从金额看，荷兰是我国光刻机最大的进口来源国，对应的供货商是ASML。近十年来，来自荷兰的光刻机进口额占总金额的比重均超过60%，2023、2024两年，由于美日荷对华封锁的加码，一定程度上刺激了中国芯片代工企业在有效期内加速采购半导体设备。2023、2024两年，来自荷兰的光刻机进口额占总金额的比重飙升至80%以上。2024年，我国光刻机进口总额107亿美元，同比增长22.7%；其中从荷兰进口额达96亿美元，占进口总额88.73%，这一占比相较2023年增加了近6个百分点，创下历史新高。
从台数看，日本则是最大的进口来源国。近十年来，来自日本的光刻机台数占总进口台数的比重在35%-65%区间。2024年，我国光刻机进口总台数962台，其中有358台来自日本，占比达37.21%。
2022-2024年，美日荷对中国芯片产业的封锁不断升级，作为核心制造设备之一，光刻机进口面临的不确定性也随之加强。
光刻机是中央政策指明要重点突破发展卡脖子技术及装备。国内真正对芯片制造攻关始于02专项。2008年，我国出台了《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）》，明确了16个科技重大专项。其中“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”项目，因次序排在16个重大专项中的第二位，所以在行业内就被称为“02专项”。
优势在于集中力量突破“卡脖子”环节：
光刻机方面，整机的设计及集成由上海微电子（SMEE）负责。而光刻机的四大核心部件，物镜、光源、工件台和浸液系统则由高校和科研院所牵头：由中科院长春光学精密机械和物理研究所（长光所）牵头物镜系统的研发，中科院上海光学精密机械研究所（上光所）负责照明系统的研发，两者一起组成光刻机的曝光光学系统；清华大学牵头光刻机双工件台设计；浙江大学牵头负责研发光刻机浸液系统。
通过“国家队”主导分工，也避免了重复研发和资源分散。例如，SMEE整合了200余家供应商，覆盖光栅系统（上光所）、双工件台（华卓精科）等关键环节
我国光刻机技术有所突破，但与国外差距仍然明显。整机方面，上海微电子（SMEE）的SSX600系列，已突破90nm节点。此外，2024年9月15日，工信部发布的《首台（套）重大技术装备推广应用指导目录（2024年版）》中，披露了一台KrF光刻机，248nm的光源，实现了≤110nm分辨率和≤25nm的套刻精度；一台ArFi光刻机，193nm光源，达到分辨率≤65nm和套刻精度≤8nm。需注意的是，我国整机技术与海外的差距仍然较大，对标ASML，其2006年发布的DUV光刻机型号XT，就已具备193nm光源波长、57nm分辨率以及7nm套刻精度的先进性能。核心部件方面，华卓精科光刻机双工件台打破了ASML公司在工件台上的技术垄断，成为世界上第二家掌握双工件台核心技术的公司。光源方面，2025年1月3日，哈尔滨工业大学官宣了成功研制出13.5nm波长的极紫外光刻光源，这是光源技术上备受瞩目的一项突破。