任正非和白春礼的重要握手，中国光刻机的破局之路任重道远
电子发烧友原创（文/章鹰）2020年，对全球半导体行业来说，需求变化如此之剧烈 。中美在芯片产业的角力也全面开始 。近日，中科院院长白春礼表示，为了防止美国在科技上卡中国脖子，中科院将针对重点关键技术进行针对性研发，其中重点强调了光刻机这一当下热门技术，而就在中科院正式表态进入光刻机后，华为有限公司CEO任正非率领公司内部大将亲自率队访问中科院，与中科院院长白春礼进行谈话，这一系列非常举动，在业内引起巨大轰动 。
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图：华为创始人任正非和中科院院长白春礼座谈 。
无独有偶，在在中科院宣布介入光刻机研发之后，ASML一反常态，宣布将在中国加大布局 。阿斯麦（ASML）全球副总裁、中国区总裁沈波近日对媒体表示：“ASML在中国已有700多台光刻机的装机，几乎所有主要芯片生产厂商都有我们的服务 。我们在中国大陆12个城市有办事处或分支机构，2020年中国区有超过1100人的团队，为行业新增和培育了大量光刻技术人才 。未来，ASML将持续投入，扩大在中国市场的布局，用领先的光刻技术，帮助芯片制造商提升性能、降低成本 。”
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阿斯麦（ASML）全球副总裁、中国区总裁沈波
在知乎上，有网友发布的经典提问，ASML的光刻机和氢弹哪一个更难搞？一个有意思的回答是，生意场和战场适用不同的取胜法则 。一个是搞出来就能存活下来，一个是只有最优秀的能存活下来 。ASML光刻机到底为什么可以独步全球？中国光刻机项目前进的最大困难是什么？笔者集合最新阿斯麦（ASML）全球副总裁、中国区总裁沈波、芯谋研究院首席分析师顾文军和求是缘半导体联盟顾问莫大康的观点和大家分享 。
ASML占全球光刻机市场80%份额，技术领先和全球研发是核心利器
2019年，ASML出货26台极紫外线（EUV）光刻机，从光刻机总体出货量来看（含非IC前道光刻机），目前全球光刻机出货量99%集中在ASML，Nikon和Canon 。其中ASML份额最高，达到67.3%，且垄断了高端EUV光刻机市场 。ASML技术先进离不开高投入，其研发费用率始终维持在15%-20%，远高于Nikon和Canon 。
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图：来自平安证券
对ASML及其半导体设备同行来说，2020年半导体行业的真正推动力来自对5G手机和基站的领先芯片的需求比预期强得多 。作为回应，全球最大的先进芯片代工厂台积电将其资本支出与年初的预期相比大幅提高了40% 。
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2020年第一季度， ASML仅赚了24亿欧元，远低于其最初指导的31亿欧元至34亿欧元 。起初，这似乎是一个巨大的危险信号 。但是，管理层强调，延迟完全是由于供应方的延迟，而不是需求不足 。
需求来自两大领域 。台积电的大规模扩意味着需要更多购买ASML的设备，尤其是其极紫外沉积（EUV）机器 。EUV技术可帮助代工厂生产越来越小的芯片，并具有以极薄的光蚀刻半导体晶片的能力，从而减少了传统DUV蚀刻的许多步骤 。ASML是该技术的唯一提供商，其EUV机器的销售价格约为每台1.25亿美元 。此外，三星等存储器厂商公开表示，EUV也可能用于生产DRAM存储器 。
众所周知，台积电的EUV工艺使用制程包括7+和N5，以及三星7LPP，英特尔EUV仅在明年进入自己的7nm产品组合，这些制程之外的任何前沿技术都将继续扩大EUV使用范围 。与常规的DUV比较，EUV的吞吐量较低，每小时约为120-175片晶圆，最新版本可以达到275 WPH，但是由于1层EUV通常可以代替3-4层DUV，因此吞吐效率更高，对于国际上芯片代工厂来说，渴望扩展到多个EUV机器以增加晶圆的物理数量是一个迫切的目标 。
7月15日， ASML总裁兼首席执行官Peter Wennink表示：“公司第二季度的销售额达到33亿欧元，相较第一季度强劲增长35% 。毛利率达到48.2%，和第一季度相比有显著提升 。主要是因为EUV累积装机管理毛利率的提升和销售的DUV系统产品组合的优化 。公司一共交付了9台EUV系统，并在本季度实现了7台系统的销售收入 。”
他自信地表示，该公司的需求没有下降，ASML的订单接收量仍然强劲，预计第三季度的销售额将在36亿欧元到38亿欧元之间，毛利率约在47%到48% 。相对于年初的观点，ASML对2020年的增长预期基本没有变化 。
近日，芯谋研究院首席分析师顾文军对媒体展示他的最新统计，在ASML的2019年销售额中，整体的地域分布为中国台湾51%，美国16.6%，韩国16%，中国大陆12%，日本3%，东南亚2% 。2019年，中国大陆光刻机的采购量，只占了全球的7.8%，约占我国台湾地区的1/7，不到韩国、美国的1/2.
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一个不可忽视的事实是，对ASML全球业绩来说，去年ASML从美国获得16%的销售，从中国获得19%的销售，而中国市场的增长速度超过了美国市场，因此面临利益冲突 。
中国光刻机进展和严峻挑战
2018年11月29日，国家重点科研装备开发项目中国科学院光电技术研究所承担的项目通过了验收测试 。这是世界上第一台使用UV光源实现22 nm分辨率的光刻机 。
【任正非和白春礼的重要握手，中国光刻机的破局之路任重道远】
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当时，科学家杨勇对媒体表示，外资企业使用深紫外光源的光刻机是主流，其成像分辨率极限为34nm，并且通过使用多重曝光技术等进一步提高了分辨率，这是昂贵的 。“ASML的EUV光刻机使用的13.5纳米的极紫外光源，价格高达3000万元，还要在真空下使用 。” 中科院光电技术研究所项目副总师胡松说：“我们使用的是365 nm紫外线汞灯 。只要几万元 。光刻机整机价格从100万元到1000万元不等，加工能力介于深紫外线和紫外线之间 。”
ASML官网显示，截至到2020年7月，荷兰ASML独占的尖端集成电路光刻机的加工极限为7nm和5nm 。在EUV光刻机业务领域，TWINSCAN NXE：3400C是ASML最新一代光刻系统，支持7和5 nm节点的EUV批量生产 。
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光电光刻的分辨率为22 nm，但位置不同 。胡松表示，该机器在制造需要微工程的通用芯片和其他材料（包括某些集成电路）方面具有巨大价值 。”但是，新机器的生产能力仍然很小，因此仍然仅限于生产用于研究的关键部件 。该团队一直致力于将机器的生产率提高到工业规模 。
目前，代表着国产光刻机最高水平的是上海微电子研究所90纳米光刻机，网络上广为传播的即将在2021年上市的28纳米光刻机消息未经官方证实 。国产光刻机目前与荷兰ASML的7nm芯片制备工艺仍有很大差距，如果未来2年内，28nm国产光刻机实现突破，将会逐步缩小与ASML的差距 。
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目前上海微电子光刻机产品包括IC前道制造SSX600系列光刻机；IC后道先进封装SSB500系列光刻机； LED、MEMS、Power Devices制造SSB300系列光刻机； TFT曝光SSB200系列光刻机 。该公司拥有先进的封装光刻技术，并已成为领先的封装和测试公司的重要供应商，其国内市场份额为80%，全球市场份额为40% 。
其中，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寸线或12寸线的大规模工业生产 。
中国在光刻机制造领域绝非是空白的， 中国工程院院士倪光南此前表示，虽然中国芯片产业在7nm技术上受到制约，但是依靠现有技术，中国半导体产业链已经能够实现14nm和28nm芯片制造，可以满足除手机之外的大部分科技产品的使用 。”
中国芯片制造产业正在向14nm、7nm和5nm的芯片产品进行攻关，如果国产的光刻机技术达到7nm的制程精度，荷兰ASML的光刻机业务将会首当其冲地受到影响 。
但是，国产光刻机的破局之路还需要数十年的攻关，我们看一下光刻机的主要构成图，就更明白光刻机的破局是一个系统工程 。ASML一台光刻包含10万个零部件，涉及到上游5000多家供应商，比如德国蔡司镜头和光学设备、超精密仪器，美国的计量设备和光源等 。一台光刻机主要部件包括测量台与曝光台、激光器、光束矫正器、能量控制器等11个模块 。
光刻机组成主要11个部件
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图：来自平安证券
据行业专家分析，目前国产光刻机卡脖子主要卡在光学系统、激光器或者最难做的光学镜头上，还有双工件台 。ASML生产的EUV光刻机的光源是美国cymer提供的，镜头采用的是德国蔡司镜头 。而且目前国产光刻机产业链很弱小，比如，冲刺科创板的“光刻机第一股”华卓精科”，主要为上海微电子提供光刻机所需的双工件台，但招股书披露，公司在2017年、2018年形成小规模收入后，因为在研发上遇到问题，交付延期，导致2019年没有任何收入 。
对于现在高度集成的芯片来说，5nm甚至5nm以下的芯片制造工艺（3nm和2nm制程），就需要更加精细的光刻机 。中芯国际创始人张汝京曾公开表态，在半导体制造设备这一端，中国差距很大，比如光刻机，落后不止一代 。
麻省理工学院副教授、集成电路行业专家谢志峰先生认为，国内光刻机对整个产业的影响还是比较小的，距离高端的光刻机技术还是有一段不小的距离的 。
求是缘半导体联盟顾问莫大康指出，光刻机的攻坚任务是开路先锋，它具有设备国产化的示范引导意义，因此必须集中国内智慧与人力及财力，在新的环境下，克服困难，彻底改变科研院所只关注解决从“0”到“1”，而不能与企业相结合，必须真正能解决芯片量产中的实用化问题 。同时，对于光刻机国产化的复杂性要有充分人士与估计，推动产学研的真正联动，期盼它成为一次打破美国技术垄断与封锁的典范 。我们都希望，华为和中科院联手，将可能为这个问题的彻底解决打下一定的基础 。
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