近期，光刻機的相關消息鋪天蓋地，在國際貿易摩擦反復無常的環境背景下，業界對于仍處處受制于他國的光刻機設備格外關注。

據了解，光刻機是通過光學系統將光掩模版上設計好的集成電路圖形印制到硅襯底的感光材料上，實現圖形轉移，根據應用工序不同，光刻機可以用于集成電路的制造環節和封裝環節，其中用于封裝環節的光刻機在技術門檻上低于用于制造環節的光刻機。

在制造環節中，光刻工藝流程決定了芯片的工藝精度及性能水平，對光刻機的技術要求十分苛刻，因此光刻機也是集成電路制造中技術門檻最高、價格最昂貴的核心設備，被譽為集成電路產業皇冠上的明珠。

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美日荷光刻機競逐賽

在過去數十年間，光刻機不斷發展演進同時推動了集成電路制造工藝不斷發展演進，集成電路的飛速發展，光刻技術起到了極為關鍵的作用，兩者相輔相成，因而自1947年貝爾實驗室發明點觸式晶體管，光刻機技術亦已具備發展土壤。

光刻機最初從美國發展起來。1959年，仙童半導體研制出全球首臺“步進重復”相機，使用光刻技術在單個晶圓片上制造了許多相同的硅晶體管。20世紀60年代末，日本企業尼康和佳能開始進入光刻機領域并逐步崛起，但70年代主要是美國公司的競逐賽。

70年代初，美國Kasper公司推出接觸式光刻設備；1973年，Perkin Elmer公司推出了投影式光刻系統并迅速占領市場，在一段時間里處于主導地位；1978年，GCA公司推出了真正現代意義的自動化步進式光刻機（Stepper），但產量效率相對較低。

80年代日本企業開始發力，尼康推出首臺商用Stepper NSR-1010G，隨后尼康一度占據光刻機過半市場份額，佳能亦在市場上占有一席之地。值得一提的是，1984年4月，飛利浦與荷蘭公司ASMI正式合資成立ASML，ASML脫胎于飛利浦光刻設備研發小組，該小組于1973年已推出其新型光刻設備。

80年代末到90年代，美國初代光刻機公司走向衰落，GCA被收購后關閉、Perkin Elmer光刻部也被出售，日企尼康處于市場主導地位。同時，ASML亦在逐步發展，1991年推出了PAS 5000光刻機；1995年，ASML在阿姆斯特丹和納斯達克交易所上市。

進入21世紀，ASML強勢崛起。2000年，ASML推出其首臺Twinscan系統光刻機；隨后，ASML相繼發布首臺量產浸入式設備TWINSCAN XT:1700i、首臺193nm浸入式設備TWINSCAN XT:1900i，一舉力壓尼康、佳能成為全球光刻機市場新霸主。

如今，ASML已成為全球光刻機領域的絕對龍頭企業，壟斷高端EUV（極紫外）光刻機市場，是全球唯一一家可提供EUV光刻機的企業。

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國產光刻機攻關歷程

在歐美日光刻機市場風云變幻的數十年間，我國也在通過各種努力研制國產光刻機設備。據了解，20世紀70年代我國就開始有清華大學精密儀器系、中科院光電技術研究所、中電科四十五所等機構投入光刻機設備研制。

除了上述提及的高校/科研單位，國內從事光刻機及相關研究生產的企業/單位還有上海微電子裝備、中科院長春光機所、合肥芯碩半導體、江蘇影速集成電路裝備，以及光刻機雙工件臺系統企業北京華卓精科等。

2001年，國務院正式批準在“十五”期間繼續實施國家高技術研究發展計劃（863計劃），國家科技部和上海市于2002年共同推動成立上海微電子裝備公司，承擔國家“863計劃”項目研發100nm高端光刻機。據悉，中電科四十五所當時將其從事分步投影光刻機團隊整體遷至上海參與其中。

2006年，國務院發布《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006-2020年）》確定發展16個重大專項，其中包括“極大規模集成電路制造裝備及成套工藝”國家科技重大專項（02專項）。2008年，國務院批準實施02專項，200多家企事業單位和2萬多名科研人員參與攻關，其中EUV光刻技術列被為“32-22nm裝備技術前瞻性研究”重要攻關任務。

當時，中科院長春光機所作為牽頭單位，聯合中科院光電技術研究所、中科院上海光學精密機械研究所、中科院微電子研究所、北京理工大學、哈爾濱工業大學、華中科技大學，承擔“極紫外光刻關鍵技術研究”項目研究工作。

在此之后，清華大學牽頭，聯合華中科技大學、上海微電子裝備和成都工具所承擔02專項“光刻機雙工件臺系統樣機研發”，以研制光刻機雙工件臺系統樣機為目標，力爭為研發65-28nm雙工件臺干式及浸沒式光刻機提供具有自主知識產權的產品級技術。

可見，在國產光刻機研發歷程上，國家在政策上予以支持，并動員了高校、科研機構、企業等科技力量共同進行技術攻關。

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階段性突破與差距

歷經多年努力過，那么國產光刻機研發方面有何成果？與國際先進水平還有多大差距？

2016年4月，清華大學牽頭的02專項“光刻機雙工件臺系統樣機研發”項目成功通過驗收，標志中國在雙工件臺系統上取得技術突破。

光刻機雙工件臺樣機，圖片來源：清華大學新聞網

2017年6月，中科院長春光機所牽頭的02專項“極紫外光刻關鍵技術研究”項目通過驗收，該項目成功研制了波像差優于0.75 nm RMS的兩鏡EUV光刻物鏡系統，構建了EUV光刻曝光裝置，國內首次獲得EUV投影光刻32 nm線寬的光刻膠曝光圖形。

2018年11月，中科院光電技術研究所承擔的“超分辨光刻裝備研制”項目通過驗收，該裝備在365nm光源波長下，單次曝光最高線寬分辨力達到22nm，項目在原理上突破分辨力衍射極限，建立了一條高分辨、大面積的納米光刻裝備研發新路線......

然而，盡管多個光刻機項目取得成果并通過驗收，這些技術在助力國產光刻機發展突破上也起到重要作用，但真正實現量產并應用于生產線上卻又是另一回事，如上述超分辨光刻裝備要想應用于芯片生產還需要攻克一系列技術難關，距離國際先進水平還相當遙遠。目前，上海微電子裝備的90nm光刻機仍代表著國產光刻機最高水平。

據了解，隨著光源的改進和工藝的創新，光刻機已經歷了五代產品的更新替代。第一代為光源g-Line，波長436nm，最小工藝節點0.8-0.25微米；第二代為光源i-Line、波長365nm，最小工藝節點0.8-0.25微米；第三代為光源KrF、波長248nm，最小工藝節點180-130nm；第四代為光源ArF、波長193nm，最小工藝節點45-22nm；第五代為光源EUV、波長13.5nm，最小工藝節點22-7nm。

第五代EUV光刻機是目前全球光刻機最先進水平，ASML是唯一一家可量產EUV光刻機的廠商。財報資料顯示，2019年ASML出售了26臺EUV光刻機，主要用于臺積電、三星的7nm及今年開始量產的5nm工藝。近期媒體報道稱，目前ASML正在研發新一代EUV光刻機，主要面向3nm制程，最快將于2021年問世。

日本企業尼康方面，官網顯示其最新的光刻機產品為ArF液浸式掃描光刻機NSR-S635E，搭載高性能對準站inline Alignment Station（iAS），曝光光源ArF excimer laser、波長193nm，分辨率≦38nm，官方介紹稱這款光刻機“專為5nm工藝制程量產而開發”。

圖片來源：截圖于尼康官網產品資料

而上海微電子裝備方面，官網顯示其目前量產的光刻機包括200系列光刻機（TFT曝光）、300系列光刻機（LED、MEMS、Power Devices制造）、500系列光刻機（IC后道先進封裝）、600系列光刻機（IC前道制造）。其中，用于IC前道制造用的600系列光刻機共有3款，性能最好的是SSA600/20，曝光光源ArF excimer laser、分辨率90nm。

圖片來源：截圖于上海微電子裝備官網

相較于ASML的EUV光刻機，上海微電子裝備的90nm光刻機無疑落后了多個世代，與尼康相比亦有所落后；再者，目前國內晶圓代工廠龍頭企業中芯國際已可量產14nm制程工藝，根據半導體設備要超前半導體產品制造開發新一代產品的規律，90nm光刻機已遠不能滿足國內晶圓制造的需求。

不過值得一提的是，近期有媒體報道稱，上海微電子裝備披露將于年底量產28nm的immersion式光刻機，在2021年至2022年交付國產第一臺SSA/800-10W光刻機設備。雖然業界對此消息頗有爭議，但若該消息屬實，那對于國產光刻機而言不得不說是一重大突破。

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迎來發展好時代？

由于技術嚴重落后于國際先進水平，國內光刻機市場長期被ASML、尼康、佳能等企業所占據，但隨著國內集成電路產業加速發展，國產光刻機迎來發展機遇。

近年來，全球半導體產能向國內轉移，國內晶圓生產線不斷擴產或新增，成為全球新建晶圓廠最積極的地區，為國產設備提供了巨大的市場空間。根據中國國際招標網信息，長江存儲、華虹無錫等近年新建晶圓廠招標設備國產化率已顯著提升，包括北方華創、中微公司、屹唐半導體等企業均有中標。

再者，過去兩年國際貿易摩擦態勢反復，美國對國內半導體產業的技術限制愈加嚴格。

在此環境背景下，半導體設備國產替代迫在眉睫，國家高度重視和大力支持行業發展，相繼出臺了多項政策，推動中國半導體產業的發展和加速國產化進程，國產光刻機的發展情況更是受到了業界重點關注。國家的重視與支持以及產業與市場的迫切需求，將有望促使國產光刻機加快發展步伐。

還有一個較好的發展勢頭是在資金方面。半導體設備投資周期長、研發投入大，是典型的資本密集型行業，尤其是光刻機領域。此前，國內半導體設備企業的主要資金來源于股東投入與政府支持，融資渠道單一，近年來國家大基金、地方性投資基金及民間資本以市場化的投資方式進入半導體產業，豐富了半導體設備企業的資金來源，不少企業也正在尋求上市。

目前，北方華創、晶盛機電、長川科技等企業早已登陸資本市場，中微公司、華峰測控、芯源微等半導體設備企業亦集中在去年以及今年于科創板上市。光刻機企業方面，上海微電子裝備于2017年12月已進行輔導備案，光刻機雙工件臺企業華卓精科亦擬闖關科創板，近日江蘇影速亦宣布已進入上市輔導階段。

此外，隨著市場資本進入半導體設備領域，近兩年來亦新增了一些光刻機相關項目。如今年6月5日，上海博康光刻設備及光刻材料項目簽約落戶西安高陵，據西安晚報報道，該項目總占地200畝，總投資13億元；今年4月，埃眸科技納米光刻機項目落戶常熟高新區，計劃總投資10億元，主要方向為納米壓印光刻機的研發、生產、銷售及運營。

有人說，對于半導體設備產業而言，這是最好的時代、也是最壞的時代。面對與國際先進水平的差距以及技術封鎖，國產光刻機仍有很長的路要走。除去外部因素，自身人才匱乏、技術欠缺亦是發展難題，光刻機研制出來后產線驗證難更是制約國產光刻機進入生產線的主要瓶頸之一，種種問題亟待解決。

不過，國內越來越多的新增晶圓生產線走向穩定，將有望給予國產光刻機等更多“試錯”機會。對于國產光刻機，我們需要承認差距，亦要寄予希望，上海微電子裝備等已燃起了星星之火，我們期待其早日燎原。