中国造光刻机到底有多难？VS整个西方！详解半导体设备国产化之路

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作者：科技宅男圈



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很多人都以为，中国研发EUV光刻机，追赶的目标是荷兰阿斯麦，可实际却是在挑战整个西方最尖端的技术，因为阿斯麦EUV光刻机的关键部件，包括美国Cymer的光源、德国通快的激光器、德国蔡司的光学系统、英国爱德华/Edwards的真空系统、德国柏林格拉斯/Berliner Glas的静电吸盘等。





















虽然我国是全世界唯一拥有联合国产业分类中，所列全部工业门类的国家，有41个工业大类、207个工业中类、666个工业小类，形成了独立完整的现代工业体系，但是各行各业仍然存在各种“卡脖子”问题。
大多数“卡脖子”领域，国外一般不会实行禁售，因为外国企业不想放弃中国市场，给中国企业成长的空间。但是半导体就不一样了，国内企业采购半导体设备，就遭遇到了限制，一方面是因为贸易问题被政治化，另一方面是因为中国半导体设备的竞争力还不够。中国掌握了技术，并形成竞争力，外国企业就会解禁，甚至降价，这种情况已经被验证过无数次了，关键还得看国产半导体设备的竞争力，打铁还需自身硬啊。
接下来就说说各种半导体设备的竞争格局，以及国产化情况，重点关注光刻机等关键设备的最新进展，今天的内容都是纯干货，数据比较多，看完后相信大家对半导体设备行业，会有一个客观全面的认识，也更能深刻地理解到，中国以一国之力造光刻机的难度有多大了。
好了废话不多说，直接上数据。全球去胶设备销售额约5亿美元，韩国PSK占30%，美国泛林半导体/Lam Research占28%。 国产化率为80%，国内厂商有：北京屹唐。



全球热处理设备销售额约18亿美元，美国应用材料/Applied Materials占49%。 国产化率为20%，国内厂商有：北方华创、北京屹唐。



全球清洗设备销售额约30~35亿美元，日本迪恩士占40%。 国产化率为20%，国内厂商有：盛美、北方华创、沈阳芯源、至纯科技。



全球化学机械抛光机(CMP)销售额约20亿美元，美国应用材料/Applied Materials占70%。 国产化率为15%，国内厂商有：华海清科、中电装备。



全球量测设备销售额约60亿美元，美国科磊半导体/KLA-Tencor占52%。 国产化率为1~2%，国内厂商有：上海精测、上海睿励、中科飞测。



全球测试机销售额约30~35亿美元，美国泰瑞达/Teradyne占46.7%，日本爱德华/Advantest占35.3%。 国产化率2%，国内厂商有：华峰测控、长川科技。



全球分选机销售额约9亿美元，美国科休半导体/Cohu占21%，美国科利登/Xcerra占16%。 国产化率2%，国内厂商有：长川科技、台湾鸿劲。



全球涂胶显影销售额约20亿美元，日本东京电子占87%，日本迪恩士占10%。国产化率为1%，国内厂商有：沈阳芯源。



全球探针台销售额约10亿美元，日本东京电子占46%，日本东京精密占42%。 国产化率约为0，国内厂商有：深圳矽电、中电45所。



接下来，重点关注半导体设备四大核心装备：镀膜机、刻蚀机、离子注入机、光刻机。



先说说镀膜机，物理气相沉积(PVD)真空镀膜设备的销售额约30亿美元，美国应用材料/Applied Materials占85%。 国产化率为10~15%，国内厂商的进展情况： 北方华创研制出具有自主知识产权的13款PVD产品，并成功产业化，设备应用跨越90纳米至14纳米的多个技术代，并成功进入了国际供应链体系，从2012年设备销售至今，已实现超过200台设备的销售。



化学气相沉积(CVD)真空镀膜设备销售额约80亿美元，美国应用材料/Applied Materials占29%，日本东京电子占21%，美国泛林半导体/Lam Research占21%。 国产化率为2~5%，国内厂商的进展情况： 北方华创的CVD设备，获得多家国内企业的批量采购。



沈阳拓荆自主研发出国内首台，可用于128层及以上 3D NAND（三维）闪存芯片生产的叠层薄膜沉积设备。



原子层沉积(ALD)镀膜设备销售额约15亿美元，日本东京电子占29%，荷兰ASM占24%。 国产化率约为0，国内厂商的进展情况：北方华创2018年开始ALD设备的销售，实现零的突破。



沈阳拓荆的12英寸ALD设备，已通过客户端14nm工艺验证。



金属有机化学气相沉积(MOCVD)设备销售额为5.53亿美元，德国爱思强/Aixtron占46%，美国维易科/Veeco占27%，中国中微公司占23%。中微公司已经在全球MOCVD设备市场占据领先地位，是目前国产半导体设备取得的最大突破。









刻蚀机方面，蚀刻设备销售额约140亿美元，美国泛林半导体/Lam Research占47%，日本东京电子占26%，美国应用材料/Applied Materials占19%。 国产化率为15~20%，国内厂商的进展情况： 北方华创的集成电路硅刻蚀机，已突破14nm技术，并且已经进入主流芯片代工厂。






中微公司可以量产全球最高水平的5nm刻蚀机，28nm、16nm、5nm蚀刻机已经被台积电采用。



这里有必要提一个人，中微公司董事长兼总经理——尹志尧博士，尹志尧曾任职于英特尔、泛林半导体、应用材料，参与并领导了国际几代等离子体刻蚀机的研发。



2004年，尹志尧和一批行业专家一起回国创业，短时间内就让我国突破了国际刻蚀机的技术垄断。2019年美国VLSI Research将他和英特尔董事长等10名国际领军人物，评选为“全球半导体行业明星榜 All Star”。



离子注入机方面，在半导体晶圆制造设备当中，离子注入机是开发难度和单价，仅次于光刻机的设备，存在较高的行业竞争壁垒，其中低能大束流离子注入机，和高能离子注入机技术难度最高，低能大束流离子注入机，价格大概在3000至3500万元，高能大束流价格大概在6000至6500万元。



离子注入机销售额约16亿美元，美国应用材料/Applied Materials占70%，美国亚舍立/Axcelis占18%。 国产化率1%，国内厂商的进展情况：电科装备的中束流、大束流离子注入机，广泛服务于全球知名芯片制造企业，自主研制的高能离子注入机取得突破，成功实现百万电子伏特高能离子加速，性能达到国际先进水平。



2020年，凯世通共获得4个集成电路离子注入机设备订单，涵盖低能大束流、高能离子注入等工艺，凯世通的超越7纳米的离子注入平台，已通过客户验证并取得验收。



这里有必要提一下凯世通创始人——陈炯博士，陈炯是国际离子注入技术协会终身常务理事，被公认为是行业内最有技术创意的领军人物，和国际级的离子注入设备专家，他曾以著者或合著者的身份发表论文15篇，拥有16项美国专利。曾是全球第三大离子注入机制造商汉辰科技/AIBT的创始人之一，带领美国团队成功开发了两代大束流离子注入机。






光刻机方面，光刻机设备是所有半导体设备中，复杂度最高、精度最高、单价最高的设备。



全球光刻机销售额为130多亿美元，荷兰阿斯麦占91%，日本尼康占6%，日本佳能占3%。 国产化率约为0，国内厂商的进展情况：上海微电子的SSX600系列步进扫描投影光刻机，可满足90nm、110nm、280nm工艺，可用于8寸线或12寸线的大规模工业生产，28nm光刻机有望在今年交付。



虽然上海微电子在集成电路制造领域的光刻机，占有率比较低，但在其他领域还是很牛逼的，就比如说上海微电子的封装光刻机，国内市场占有率达到80%，并且出口到海外，全球市场占有率为40%。另外，LED光刻机市场占有率也达到了20%。
接下来说说国产光刻机关键子系统方面的突破，国科精密，研发出我国首套用于高端IC制造的光刻机物镜系统，目前承担多种光刻机曝光光学系统的研发工作。






科益虹源，是世界第三家高能准分子激光器的研发制造企业，打破了美国和日本厂商对该产品的长期垄断。



华卓精科，是世界上第二家掌握双工件台核心技术的公司，打破了荷兰阿斯麦的独家垄断。华卓精科干式的双工件台，售价约2000万元，浸jìn 没式的双工件台，售价约6000万元。






启尔机电，是世界上第三家浸液系统制造商，国际上仅阿斯麦和尼康拥有浸液系统技术。






再来说说EUV光刻机，极紫外(EUV)光刻机是最高端的光刻机，是光刻机皇冠上的明珠，2020年阿斯麦EUV光刻机单价超过1.4亿欧元。



光源波长和物镜决定了光刻机的分辨率，下面说说EUV光刻机的光源和物镜。
光源方面，阿斯麦EUV光刻机的激光等离子光源，由美国Cymer提供，采用了德国通快的脉冲式高功率激光器。



物镜方面，目前德国蔡司为阿斯麦EUV光刻机提供的物镜数值孔径为0.33，400毫米的物镜波像差为50皮米/0.05纳米。









蔡司已经开始制造下一代EUV光刻机物镜，数值孔径为0.5，1.2米的物镜波像差为20皮米/0.02纳米，是进一步提升分辨率的关键。
再说说国内EUV光刻机研发进展情况：机械与真空系统方面，光电所承担机械与真空系统的研制，突破了曝光装置高稳定的真空环境、主动减振、自动输片系统、高精度工件台控制、纳米级调平调焦测量系统等关键技术，在工件台控制、精密测量技术等领域取得了一系列原创性成果，累计申请发明专利31项，其中国内专利28项，国际专利3项。



物镜系统方面，长春光机所突破了超高精度非球面加工与检测、极紫外多层膜、投影物镜系统集成测试等核心单元技术，成功研制了波像差优于0.75纳米(RMS)的两镜EUV光刻物镜系统，构建了EUV光刻曝光装置，是国内首次获得EUV投影光刻32nm线宽的光刻胶曝光图形。









最后总结一下，表面上看，中国研发EUV光刻机是在追赶阿斯麦，实际却是在挑战西方最尖端的技术，阿斯麦EUV光刻机的关键部件，包括美国Cymer的光源、德国通快的激光器、德国蔡司的光学系统、英国爱德华/Edwards的真空系统，德国柏林格拉斯/Berliner Glas的静电吸盘等。



目前国产半导体设备与国外先进企业仍然存在较大的差距，要知道的是，之前我国集成电路行业的高端装备，基本处于空白状态，完全依赖进口，产业链严重缺失。庆幸的是，现在，中国已经实现了从无到有的突破，建立起了完整的产业链，相信不久之后我们会突破更多卡脖子技术。我是科技宅男，我们下期不见不散。