全球芯片產(chǎn)業(yè)報(bào)告：光刻機(jī)篇

文：澤平宏觀團(tuán)隊(duì)

AI進(jìn)入爆發(fā)期，推動(dòng)全球芯片產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)。2024年全球AI芯片市場(chǎng)規(guī)模將同比增長(zhǎng)33%，達(dá)到713億美元，2025年有望進(jìn)一步增長(zhǎng)。

近些年，在AI芯片等高端芯片領(lǐng)域的國(guó)產(chǎn)化替代成為我國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)的核心命題。

制造端，目前中芯國(guó)際、華虹半導(dǎo)體等領(lǐng)先的國(guó)產(chǎn)芯片代工企業(yè)主要通過成熟制程（如28nm）擴(kuò)大產(chǎn)能，也可實(shí)現(xiàn)更先進(jìn)的14nm的量產(chǎn)，但是7nm及以下仍面臨一定的技術(shù)設(shè)備和產(chǎn)能瓶頸。

設(shè)備端，光刻機(jī)、刻蝕機(jī)、薄膜沉積設(shè)備為三大核心制造設(shè)備。目前，北方華創(chuàng)、中微公司等企業(yè)在刻蝕機(jī)、薄膜沉積設(shè)備領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了較好的國(guó)產(chǎn)替代，刻蝕機(jī)的國(guó)產(chǎn)化替代率達(dá)到55-65%，薄膜沉積設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程雖不及刻蝕機(jī)，但是國(guó)產(chǎn)化替代率也有10%左右。相比之下，我國(guó)光刻機(jī)的國(guó)產(chǎn)化替代率卻不足1%，成為我國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)的一大卡脖子技術(shù)。

光刻機(jī)為何被稱為芯片制造的“皇冠明珠”？當(dāng)前的全球競(jìng)爭(zhēng)格局如何？

我國(guó)光刻機(jī)的國(guó)產(chǎn)化替代進(jìn)展幾何？2025年有什么值得關(guān)注的地方？

正文

1 光刻機(jī)：芯片制造的核心設(shè)備

光刻機(jī)是芯片制造過程中的核心設(shè)備。廣義的光刻機(jī)按照功能主要分為前道光刻機(jī)和后道光刻機(jī)，前道光刻機(jī)用于芯片的制造環(huán)節(jié)，而后道光刻機(jī)則用于芯片后期的封裝環(huán)節(jié)。一般提到“光刻機(jī)”，指的就是前道光刻機(jī)。

芯片制造的最大關(guān)鍵點(diǎn)就在于如何將電路圖案轉(zhuǎn)移到硅片上，這一過程通過光刻實(shí)現(xiàn)。要在直徑毫米級(jí)、厚度微米級(jí)的硅片上刻上由數(shù)十億以上元件構(gòu)成的復(fù)雜電路，光刻機(jī)需達(dá)到幾十納米甚至更高的圖像分辨率。光刻技術(shù)的難度可想而知，其工藝水平直接決定了芯片的制程和性能。

一般來講，芯片制造需要進(jìn)行20-30次的光刻，耗時(shí)占到50%左右，成本占約1/3。光刻機(jī)是光刻工藝用到的最核心設(shè)備，進(jìn)而也就成為芯片制造中的核心設(shè)備。

簡(jiǎn)單來說，光刻的作用就是將掩模版上的圖案復(fù)制到硅片上。掩膜版（Photomask）又稱光罩、光掩膜等，是后續(xù)要在硅片上實(shí)現(xiàn)的集成電路的圖形母板。光刻的大致過程是：（1）涂膠：在硅片上涂上一層光刻膠薄膜。光刻膠是一種光敏感材料，被紫外光、電子束、離子束、X射線等照射或輻射后，其溶解度會(huì)發(fā)生變化。（2）曝光：用紫外光通過掩膜版照射到附有光刻膠薄膜的基片表面，此時(shí)被紫外線照射到的薄膜區(qū)域就會(huì)發(fā)生反應(yīng)，使該區(qū)域的光刻膠更容易（正性光刻膠）或者更難（負(fù)性光刻膠）融于顯影液；（3）顯影：利用顯影液溶解光刻膠，如果使用的是正性光刻膠，則顯影后，留下的光刻膠薄膜圖案將與掩模版相同；如果使用的是負(fù)性光刻膠，則顯影后，留下的光刻膠薄膜圖案就將與掩模版互補(bǔ)。顯影這一步，實(shí)現(xiàn)了圖案從掩模版轉(zhuǎn)移到光刻膠薄膜上。

光刻之后，還需要再結(jié)合刻蝕技術(shù)將圖形轉(zhuǎn)移到基片上。

實(shí)現(xiàn)光刻技術(shù)的核心設(shè)備便是光刻機(jī)。光刻機(jī)組成要素眾多，光源系統(tǒng)、物鏡系統(tǒng)和工件臺(tái)系統(tǒng)構(gòu)成其三大核心子系統(tǒng)。

光源系統(tǒng)為光刻機(jī)提供曝光所需的光源，光源的波長(zhǎng)等特性對(duì)光刻工藝的精度有直接的影響。有紫外（UV）、深紫外（DUV）或極紫外（EUV）三大類光源；波長(zhǎng)越短，所能實(shí)現(xiàn)的線寬越細(xì)，從而提升芯片的集成度。

物鏡系統(tǒng)負(fù)責(zé)將掩模版上的電路圖形精確地縮小并投影到硅片上。這一系統(tǒng)包含一系列高精度的透鏡和反射鏡，它們需要具備良好的透光率以及極小的像差，從而確保電路圖形的精準(zhǔn)傳輸和優(yōu)質(zhì)的成像效果。

工件臺(tái)系統(tǒng)旨在精密地操控晶圓和掩模版的位置與移動(dòng)。這一系統(tǒng)必須達(dá)到納米級(jí)別的精準(zhǔn)度和速度，同時(shí)還要兼具超高的穩(wěn)定性和重復(fù)性。這些特性對(duì)于實(shí)現(xiàn)多層電路的精準(zhǔn)對(duì)準(zhǔn)和疊加而言至關(guān)重要，直接關(guān)系到芯片的最終良品率。

簡(jiǎn)單來說，使用光刻機(jī)實(shí)現(xiàn)光刻技術(shù)的工作流程如下：（1）將掩膜放置在物鏡系統(tǒng)下方，使其與底片對(duì)齊。（2）曝光光源通過物鏡系統(tǒng)投射光線到掩膜上。（3）光線經(jīng)過掩膜后，通過物鏡系統(tǒng)投射到底片上，形成圖案。（4）底片上的光刻膠對(duì)入射光進(jìn)行反應(yīng)，形成圖案。（5）底片經(jīng)過顯影液處理，將未曝光或曝光不完全的光刻膠去除，顯現(xiàn)出所需的圖案。（6）清洗底片，去除殘留物。（7）完成圖案轉(zhuǎn)移，得到所需微細(xì)結(jié)構(gòu)。

2 光刻機(jī)類型：從UV到DUV再到EUV，光刻技術(shù)精度逐步提升

光刻機(jī)的分類方法多，最常見的是按照光源類型，將光刻機(jī)劃分為紫外（UV）光刻機(jī)、深紫外（DUV）光刻機(jī)以及極紫外（EUV）光刻機(jī)；工藝節(jié)點(diǎn)逐漸減小，光刻技術(shù)的精度逐漸提高。

光刻機(jī)的工藝節(jié)點(diǎn)是指在芯片制造過程中，能夠?qū)崿F(xiàn)的最小特征尺寸，通常以納米（nm）為單位來表示。工藝節(jié)點(diǎn)的數(shù)值越小，表示光刻技術(shù)的精度越高，即能夠在相同面積的硅片上集成更多的晶體管，從而提高芯片的性能和降低功耗。工藝節(jié)點(diǎn)是反映芯片工藝水平最直接的參數(shù)。目前主流的節(jié)點(diǎn)為0.35um、0.25um、0.18um、90nm、65nm、40nm、28nm、20nm、16/14nm、10nm、7nm等。例如，7nm工藝節(jié)點(diǎn)意味著在硅片上可以制造出最小為7納米的晶體管特征。

從紫外（UV）光刻機(jī)到深紫外（DUV）光刻機(jī)再到極紫外（EUV）光刻機(jī)，工藝節(jié)點(diǎn)逐漸從微米級(jí)演進(jìn)至納米級(jí)。EUV光刻機(jī)是目前最高端的光刻機(jī)產(chǎn)品，全球只有ASML擁有生產(chǎn)能力，售價(jià)可達(dá)數(shù)億元，例如ASML的High-NA EUV光刻機(jī)，售價(jià)約3.5億歐元，約合27億人民幣，主要被用于2納米及以下制程芯片制造。

3 全球競(jìng)爭(zhēng)格局：荷蘭ASML占據(jù)壟斷性地位，日本Nikon、CANON退守中低端市場(chǎng)

目前全球90%以上的光刻機(jī)市場(chǎng)都被荷蘭和日本占據(jù)，成規(guī)模的光刻機(jī)供應(yīng)商有三家，即荷蘭的ASML和日本的Nikon、CANON。

ASML（阿斯麥）是全球光刻機(jī)市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者。在高端EUV光刻機(jī)方面，擁有壟斷地位，是全球唯一量產(chǎn)EUV光刻機(jī)的廠商；在浸沒式ArF光刻機(jī)方面，也擁有絕對(duì)的領(lǐng)先地位。2023年，ASML的EUV光刻機(jī)出貨量為53臺(tái)，DUV光刻機(jī)為341臺(tái)，UV光刻機(jī)為55臺(tái)，總出貨量449臺(tái)

Nikon（尼康）技術(shù)實(shí)力強(qiáng)于Canon（佳能），除高端的EUV光刻機(jī)外，其他類型均有出貨；而Canon則主攻低端的i-line和KrF光刻機(jī)。Nikon總出貨量45臺(tái)，2023年DUV光刻機(jī)出貨量為21臺(tái)，UV光刻機(jī)為24臺(tái)。Canon 2023年總出貨量187臺(tái)DUV光刻機(jī)出貨量為56臺(tái)，UV光刻機(jī)為131臺(tái)。

4 國(guó)產(chǎn)化替代：需求迫切，技術(shù)突破中

過去我國(guó)光刻機(jī)設(shè)備進(jìn)口較多，從金額看，荷蘭是最大進(jìn)口來源國(guó)；從數(shù)量看，日本是最大進(jìn)口來源國(guó)。2022-2024年，美日荷對(duì)中國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)的封鎖不斷升級(jí)，芯片制造設(shè)備、尤其是光刻機(jī)這樣的卡脖子設(shè)備，其國(guó)產(chǎn)化替代越發(fā)迫切。

光刻機(jī)在芯片制造設(shè)備中的價(jià)值占比約17%，然而國(guó)產(chǎn)化率不足1%。半導(dǎo)體設(shè)備有前道和后道之分；前道設(shè)備用于芯片制造環(huán)節(jié)，后道設(shè)備則用于芯片封裝測(cè)試環(huán)節(jié)。光刻機(jī)、刻蝕機(jī)、薄膜沉積設(shè)備是三大核心前道設(shè)備，價(jià)值占比分別達(dá)到17%、22%、22%，合計(jì)占比超60%。從國(guó)產(chǎn)化替代看，刻蝕機(jī)的國(guó)產(chǎn)化替代進(jìn)程較快，國(guó)產(chǎn)化替代率達(dá)到55-65%；薄膜沉積設(shè)備相對(duì)緩慢，但是國(guó)產(chǎn)化替代率也有10%左右；相比之下，光刻機(jī)的國(guó)產(chǎn)化替代率卻不足1%，成為我國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)的一大卡脖子技術(shù)。

從金額看，荷蘭是我國(guó)光刻機(jī)最大的進(jìn)口來源國(guó)，對(duì)應(yīng)的供貨商是ASML。近十年來，來自荷蘭的光刻機(jī)進(jìn)口額占總金額的比重均超過60%，2023、2024兩年，由于美日荷對(duì)華封鎖的加碼，一定程度上刺激了中國(guó)芯片代工企業(yè)在有效期內(nèi)加速采購(gòu)半導(dǎo)體設(shè)備。2023、2024兩年，來自荷蘭的光刻機(jī)進(jìn)口額占總金額的比重飆升至80%以上。2024年，我國(guó)光刻機(jī)進(jìn)口總額107億美元，同比增長(zhǎng)22.7%；其中從荷蘭進(jìn)口額達(dá)96億美元，占進(jìn)口總額88.73%，這一占比相較2023年增加了近6個(gè)百分點(diǎn)，創(chuàng)下歷史新高。

從臺(tái)數(shù)看，日本則是最大的進(jìn)口來源國(guó)。近十年來，來自日本的光刻機(jī)臺(tái)數(shù)占總進(jìn)口臺(tái)數(shù)的比重在35%-65%區(qū)間。2024年，我國(guó)光刻機(jī)進(jìn)口總臺(tái)數(shù)962臺(tái)，其中有358臺(tái)來自日本，占比達(dá)37.21%。

2022-2024年，美日荷對(duì)中國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)的封鎖不斷升級(jí)，作為核心制造設(shè)備之一，光刻機(jī)進(jìn)口面臨的不確定性也隨之加強(qiáng)。

光刻機(jī)是中央政策指明要重點(diǎn)突破發(fā)展卡脖子技術(shù)及裝備。國(guó)內(nèi)真正對(duì)芯片制造攻關(guān)始于02專項(xiàng)。2008年，我國(guó)出臺(tái)了《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020）》，明確了16個(gè)科技重大專項(xiàng)。其中“極大規(guī)模集成電路制造裝備及成套工藝”項(xiàng)目，因次序排在16個(gè)重大專項(xiàng)中的第二位，所以在行業(yè)內(nèi)就被稱為“02專項(xiàng)”。

優(yōu)勢(shì)在于集中力量突破“卡脖子”環(huán)節(jié)：

光刻機(jī)方面，整機(jī)的設(shè)計(jì)及集成由上海微電子（SMEE）負(fù)責(zé)。而光刻機(jī)的四大核心部件，物鏡、光源、工件臺(tái)和浸液系統(tǒng)則由高校和科研院所牽頭：由中科院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械和物理研究所（長(zhǎng)光所）牽頭物鏡系統(tǒng)的研發(fā)，中科院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所（上光所）負(fù)責(zé)照明系統(tǒng)的研發(fā)，兩者一起組成光刻機(jī)的曝光光學(xué)系統(tǒng)；清華大學(xué)牽頭光刻機(jī)雙工件臺(tái)設(shè)計(jì)；浙江大學(xué)牽頭負(fù)責(zé)研發(fā)光刻機(jī)浸液系統(tǒng)。

通過“國(guó)家隊(duì)”主導(dǎo)分工，也避免了重復(fù)研發(fā)和資源分散。例如，SMEE整合了200余家供應(yīng)商，覆蓋光柵系統(tǒng)（上光所）、雙工件臺(tái)（華卓精科）等關(guān)鍵環(huán)節(jié)

我國(guó)光刻機(jī)技術(shù)有所突破，但與國(guó)外差距仍然明顯。整機(jī)方面，上海微電子（SMEE）的SSX600系列，已突破90nm節(jié)點(diǎn)。此外，2024年9月15日，工信部發(fā)布的《首臺(tái)（套）重大技術(shù)裝備推廣應(yīng)用指導(dǎo)目錄（2024年版）》中，披露了一臺(tái)KrF光刻機(jī)，248nm的光源，實(shí)現(xiàn)了≤110nm分辨率和≤25nm的套刻精度；一臺(tái)ArFi光刻機(jī)，193nm光源，達(dá)到分辨率≤65nm和套刻精度≤8nm。需注意的是，我國(guó)整機(jī)技術(shù)與海外的差距仍然較大，對(duì)標(biāo)ASML，其2006年發(fā)布的DUV光刻機(jī)型號(hào)XT，就已具備193nm光源波長(zhǎng)、57nm分辨率以及7nm套刻精度的先進(jìn)性能。核心部件方面，華卓精科光刻機(jī)雙工件臺(tái)打破了ASML公司在工件臺(tái)上的技術(shù)壟斷，成為世界上第二家掌握雙工件臺(tái)核心技術(shù)的公司。光源方面，2025年1月3日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)官宣了成功研制出13.5nm波長(zhǎng)的極紫外光刻光源，這是光源技術(shù)上備受矚目的一項(xiàng)突破。

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