今年六月份有消息傳出，國產(chǎn)光刻機龍頭上海微電子將在一年內(nèi)交付用于28nm制程生產(chǎn)的193nm ArF光刻機。

另外，據(jù)方正證券今年發(fā)布的相關(guān)研報，國家02專項光刻機項目二期曾設(shè)定，擬于2020年12月驗收由上海微電子設(shè)計集成的193nm ArF浸沒式DUV光刻機。

這一技術(shù)突破無疑極具重要意義。要知道，此前上海微電子能量產(chǎn)的最先進(jìn)光刻機，已被卡在90nm制程上四年之久。但是，現(xiàn)在時間邁進(jìn)12月中旬，我們卻并未看到有關(guān)這臺光刻機的確鑿消息。

這一背景下，中國的IC前道用先進(jìn)光刻機研發(fā)之路，究竟走得怎么樣了？那臺傳言中的ArF光刻機背后，又有哪些玩家的身影？

芯東西挖掘國產(chǎn)193nm ArF浸沒式DUV光刻機背后的研發(fā)故事，發(fā)現(xiàn)除了國產(chǎn)光刻機龍頭上海微電子，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)光刻機產(chǎn)業(yè)鏈玩家，正致力于攻關(guān)先進(jìn)光刻機各個部件的技術(shù)壁壘。

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

▲六家國產(chǎn)光刻機產(chǎn)業(yè)鏈玩家匯總

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、制造、封測三大環(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)的光刻機已被卡在90nm制程4年，這個時間跨度仍令人心驚。

2007年，中國光刻機龍頭企業(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)掃描投影光刻機實現(xiàn)量產(chǎn)，其中SSA600/20光刻機分辨率達(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)光刻機玩家不斷探索，但始終未實現(xiàn)更先進(jìn)光刻機的量產(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廠商ASML的設(shè)備。

直到今年，中國光刻機研發(fā)工作似乎出現(xiàn)進(jìn)展。今年早些時候曾傳出消息，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，但并未透露相關(guān)光刻機型號，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，在02專項光刻機項目二期中，設(shè)定于2020年12月驗收193nm ArF浸沒式DUV光刻機，這款光刻機直接對標(biāo)國際光刻龍頭ASML現(xiàn)階段最強DUV光刻機TWINSCANNXT：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。盡管短時間內(nèi)可能無法實現(xiàn)193nm ArF浸沒式DUV光刻機的量產(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。

▲近三年ASML、尼康、佳能光刻機出貨量情況

跨越13年研發(fā)，這臺可用于28nm制程芯片生產(chǎn)的光刻機，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)，而光刻機則是光刻工序中的一種投影曝光系統(tǒng)。

光刻機可分為無掩模光刻機和有掩模光刻機，前者技術(shù)壁壘相對較低，一般用于高分辨率掩模版、集成電路原型驗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，有掩模光刻機目前多用于先進(jìn)制程的前道工藝中。

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

此外，有掩模光刻機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浸沒式光刻機屬于第四代光刻機，可用于45～22nm制程芯片的生產(chǎn)。

▲光刻機經(jīng)歷了五代發(fā)展（圖源：國泰君安證券研究）

目前，上海微電子是中國國內(nèi)唯一能制造IC前道工藝用光刻機的企業(yè)，在其已量產(chǎn)的光刻機產(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)。

深紫外線光刻機作為有掩模光刻機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、集成出193nm光波長ArF浸沒式光刻機。就意味著在深紫外線光刻領(lǐng)域，中國技術(shù)水平已經(jīng)趕上全球光刻機龍頭ASML。

三、上海微電子背后的國家隊“五強”

光刻機主要可分為照明系統(tǒng)、Stage系統(tǒng)（工作臺系統(tǒng)）、鏡頭組、搬送系統(tǒng)、Alignment系統(tǒng)（對準(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，光刻機對集成度的要求極高。有數(shù)據(jù)顯示，組裝一臺光刻機需要上萬個零部件。

由于光刻機各個組件的高度復(fù)雜，全球光刻機龍頭ASML即在成立早期，采取“Out House”的運營模式，僅負(fù)責(zé)光刻機整機的設(shè)計和子系統(tǒng)的需求定義，將各個子系統(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193nm光波長ArF DUV光刻機的攻關(guān)，中國推出“極大規(guī)模集成電路制造技術(shù)及成套工藝”項目（又稱“02專項計劃”），其中專門針對光刻產(chǎn)業(yè)進(jìn)行規(guī)劃。

根據(jù)“02專項計劃”，我國光刻機研發(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)整機的設(shè)計與集成，另有五家企業(yè)各自負(fù)責(zé)對光刻機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，均為長春光機所所長助理孫守紅。

長春光機所是中科院最大的研究所，先后孕育出了西安光機所、上海光機所、成都光機所等科研機構(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02專項”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)品包括光刻機雙工件臺及其衍生產(chǎn)品超精密運動平臺、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)行上市申請文件中記載的財務(wù)資料已過有效期，需要補充提交。

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

▲北京華卓精科主要客戶群體

5、浙江啟爾機電

浙江啟爾機電技術(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。啟爾機電前身是浙江大學(xué)流體動力與機電系統(tǒng)國家重點實驗室啟爾團(tuán)隊。

四、無掩模光刻機已實現(xiàn)“從0到1”

相比有掩模光刻機，中國在無掩模光刻機方面走得更遠(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%。

▲2013-2020年中國面板產(chǎn)能及全球占比（來源：商務(wù)部，國泰君安證券）

目前，除了大陸光刻機龍頭上海微電子外，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型號產(chǎn)品已經(jīng)實現(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、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)國際首臺雙臺面高速激光直接成像連線設(shè)備（LDI），實現(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、高精度的檢測系統(tǒng)。

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

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現(xiàn)突破。2018年，我國芯片公司中芯國際花費約1.2億美元，向阿斯麥訂購了一臺EUV光刻機。由于種種原因，目前，這臺光刻機還未成功交付。我們期待它能夠盡快落地中國，助力中國芯片事業(yè)再上一個臺階。

在嚴(yán)峻的外部貿(mào)易環(huán)境下，攻關(guān)光刻技術(shù)對國產(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。