這臺(tái)超級(jí)設(shè)備能改變中國(guó)芯的命運(yùn)嗎?

據(jù)多家媒體證實(shí)，長(zhǎng)江存儲(chǔ)從荷蘭阿斯麥（ASML）公司訂購(gòu)的一臺(tái)光刻機(jī)已抵達(dá)武漢。這臺(tái)光刻機(jī)價(jià)值價(jià)值7200萬(wàn)美元，約合人民幣4.6億元。另?yè)?jù)媒體報(bào)道，中芯國(guó)際在中興事件之后也向該公司下單了一臺(tái)光刻機(jī)，這臺(tái)名為EUV（極紫外線）光刻機(jī)更是身價(jià)不菲，價(jià)值1.2億美元，交貨日期尚不確定。

價(jià)值幾個(gè)億的光刻機(jī)是什么？

半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)主要分為 IC 設(shè)計(jì)、 IC 制造、 IC 封測(cè)三大環(huán)節(jié)。 IC 設(shè)計(jì)主要根據(jù)芯片的設(shè)計(jì)目的進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)和規(guī)則制定，并根據(jù)設(shè)計(jì)圖制作掩模以供后續(xù)光刻步驟使用。 IC 制造實(shí)現(xiàn)芯片電路圖從掩模上轉(zhuǎn)移至硅片上，并實(shí)現(xiàn)預(yù)定的芯片功能，包括光刻、刻蝕、離子注入、薄膜沉積、化學(xué)機(jī)械研磨等步驟。 IC 封測(cè)完成對(duì)芯片的封裝和性能、功能測(cè)試，是產(chǎn)品交付前的最后工序。

芯片制造核心工藝主要設(shè)備全景圖

光刻是半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)流程中最復(fù)雜、最關(guān)鍵的工藝步驟，耗時(shí)長(zhǎng)、成本高。半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)在于將電路圖從掩模上轉(zhuǎn)移至硅片上，這一過(guò)程通過(guò)光刻來(lái)實(shí)現(xiàn)， 光刻的工藝水平直接決定芯片的制程水平和性能水平。芯片在生產(chǎn)中需要進(jìn)行 20-30 次的光刻，耗時(shí)占到 IC 生產(chǎn)環(huán)節(jié)的 50%左右，占芯片生產(chǎn)成本的 1/3，因此光刻機(jī)成為芯片制造的核心設(shè)備之一。

光刻機(jī)按照用途可以分為好幾種：有用于生產(chǎn)芯片的光刻機(jī)；有用于封裝的光刻機(jī)；還有用于LED制造領(lǐng)域的投影光刻機(jī)。用于生產(chǎn)芯片的光刻機(jī)是中國(guó)在半導(dǎo)體設(shè)備制造上最大的短板，國(guó)內(nèi)晶圓廠所需的高端光刻機(jī)完全依賴進(jìn)口，長(zhǎng)江存儲(chǔ)和中芯國(guó)際訂購(gòu)的光刻機(jī)就是用來(lái)生產(chǎn)芯片的。

光刻機(jī)工作原理

光刻機(jī)通過(guò)一系列的光源能量、形狀控制手段，將光束透射過(guò)畫著線路圖的掩模，經(jīng)物鏡補(bǔ)償各種光學(xué)誤差，將線路圖成比例縮小后映射到硅片上，不同光刻機(jī)的成像比例不同，有5:1，也有4:1。然后使用化學(xué)方法顯影，得到刻在硅片上的電路圖（即芯片）。

一般的光刻工藝要經(jīng)歷硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻膠、軟烘、對(duì)準(zhǔn)曝光、后烘、顯影、硬烘、激光刻蝕等工序。經(jīng)過(guò)一次光刻的芯片可以繼續(xù)涂膠、曝光。越復(fù)雜的芯片，線路圖的層數(shù)越多，也需要更精密的曝光控制過(guò)程?，F(xiàn)在先進(jìn)的芯片有30多層。

上圖是一張光刻機(jī)的簡(jiǎn)易工作原理圖。下面，簡(jiǎn)單介紹一下圖中各設(shè)備的作用。

測(cè)量臺(tái)、曝光臺(tái)：承載硅片的工作臺(tái)，也就是本次所說(shuō)的雙工作臺(tái)。

光束矯正器：矯正光束入射方向，讓激光束盡量平行。

能量控制器：控制最終照射到硅片上的能量，曝光不足或過(guò)足都會(huì)嚴(yán)重影響成像質(zhì)量。

光束形狀設(shè)置：設(shè)置光束為圓型、環(huán)型等不同形狀，不同的光束狀態(tài)有不同的光學(xué)特性。

遮光器：在不需要曝光的時(shí)候，阻止光束照射到硅片。

能量探測(cè)器：檢測(cè)光束最終入射能量是否符合曝光要求，并反饋給能量控制器進(jìn)行調(diào)整。

掩模版：一塊在內(nèi)部刻著線路設(shè)計(jì)圖的玻璃板，貴的要數(shù)十萬(wàn)美元。

掩膜臺(tái)：承載掩模版運(yùn)動(dòng)的設(shè)備，運(yùn)動(dòng)控制精度是nm級(jí)的。

物鏡：物鏡由20多塊鏡片組成，主要作用是把掩膜版上的電路圖按比例縮小，再被激光映射的硅片上，并且物鏡還要補(bǔ)償各種光學(xué)誤差。技術(shù)難度就在于物鏡的設(shè)計(jì)難度大，精度的要求高。

硅片：用硅晶制成的圓片。硅片有多種尺寸，尺寸越大，產(chǎn)率越高。題外話，由于硅片是圓的，所以需要在硅片上剪一個(gè)缺口來(lái)確認(rèn)硅片的坐標(biāo)系，根據(jù)缺口的形狀不同分為兩種，分別叫flat、notch。

內(nèi)部封閉框架、減振器：將工作臺(tái)與外部環(huán)境隔離，保持水平，減少外界振動(dòng)干擾，并維持穩(wěn)定的溫度、壓力。

ASML的光刻機(jī)動(dòng)輒幾個(gè)億，能不能不從他家買呢？

在高端光刻機(jī)上，除了龍頭老大ASML，尼康和佳能也曾做過(guò)光刻機(jī)。

尼康現(xiàn)在之所以還算一家半導(dǎo)體設(shè)備供應(yīng)商，那是因?yàn)槟峥档钠聊幻姘骞饪虣C(jī)業(yè)務(wù)還在正常運(yùn)營(yíng)。以前尼康也賣過(guò)一些光刻機(jī)給intel，可是現(xiàn)在先進(jìn)制程設(shè)備采購(gòu)上，intel看不上尼康的光刻機(jī)，想扶一把也沒(méi)用?，F(xiàn)在尼康精機(jī)部門就是靠著面板光刻機(jī)撐著，毛利潤(rùn)時(shí)而有，時(shí)而無(wú)，虧損是常事，某個(gè)季度一旦扭虧，尼康精機(jī)就會(huì)顯示為業(yè)績(jī)?cè)鲩L(zhǎng)百分之好幾百。

尼康最新的Ar-F immersion630賣價(jià)還不到ASML Ar-F immersion 1980Di平均售價(jià)的一半，更別說(shuō)和ASML劃時(shí)代的EUV光刻機(jī)比了。而ASML 第12臺(tái)EUV光刻機(jī)發(fā)貨中。（EUV才是人類文明半導(dǎo)體技術(shù)延續(xù)的基石）

2016年Q2 Q3 ASML ship出去的兩臺(tái) EUV NXE 3350B單價(jià)已經(jīng)超過(guò)1億美元，Ar-F immersion價(jià)格平均價(jià)位是4000萬(wàn)歐元~5500萬(wàn)歐元左右，以上是算進(jìn)了refurbished的machine，如果不算，應(yīng)該更高。

下面仔細(xì)分析下2016年的ASML季度各個(gè)銷售機(jī)型數(shù)量和銷售額（不包括 solution 的收入）。

如下報(bào)表，ASML的 Ar-F immersion 在Q1銷售15臺(tái)，銷售額856million euro乘以79%（不包括solution部分）：

每臺(tái)價(jià)格約4200萬(wàn)歐元。

其中ASML在2016年Q2季度銷往美國(guó)芯片廠的占21%，銷往韓國(guó)新品廠占20%，銷往***芯片廠的占28%。

幾本就是ASML三大優(yōu)先客戶： intel、三星、臺(tái)積電三巨頭爭(zhēng)霸的格局

值得注意的是2016年Q1的ASML銷售額中，有35%銷往中國(guó)，除了三星在西安的超大型3D 10納米級(jí)NAND芯片廠擴(kuò)產(chǎn)外和intel在大連的芯片廠升級(jí)外，中國(guó)本土廠商也買到了ASML的光刻機(jī)（不過(guò)由于北約的瓦森納協(xié)議限制，中國(guó)只能買到中低端ASML光刻機(jī)）。

下面我們來(lái)看看尼康的財(cái)務(wù)報(bào)表是多么得慘淡。

可以看出尼康的芯片光刻機(jī)慘不忍睹，Ar-F immersion 銷售為0，Ar-F 銷售也為0，只能賣點(diǎn)I-line和 KrF 光刻機(jī)。

別說(shuō)intel、臺(tái)積電、三星這樣的半導(dǎo)體巨頭了，連東芝都不會(huì)買尼康光刻機(jī)了。雖然尼康做的是低端市場(chǎng)，但是Ar- Fimmersion 和 Ar-F一臺(tái)也賣不出去。

截至2013年，ASML就已經(jīng)控制80%的光刻機(jī)市場(chǎng)，壟斷全部的高端光刻機(jī)市場(chǎng)了。高端光刻機(jī)市場(chǎng)，ASML一家獨(dú)大，價(jià)格自然居高不下。

如果考慮中國(guó)自主的光刻機(jī)呢？

我國(guó)光刻機(jī)現(xiàn)在達(dá)到什么水平？

據(jù)悉，長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所、應(yīng)用光學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)物鏡系統(tǒng)；照明系統(tǒng)由中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)所共同負(fù)責(zé)的國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)已于2017年7月首次曝光成功，2017年10月曝光光學(xué)系統(tǒng)在整機(jī)環(huán)境下已通過(guò)驗(yàn)收測(cè)試。

長(zhǎng)春國(guó)科精密光學(xué)技術(shù)有限公司、科技部原副部長(zhǎng)、02專項(xiàng)光刻機(jī)工程指揮部組長(zhǎng)曹健林在分享專項(xiàng)進(jìn)展時(shí)表示，目前90納米檢測(cè)已經(jīng)達(dá)到要求，希望未來(lái)五年內(nèi)應(yīng)可順利驗(yàn)收完成。

2007年正式啟動(dòng)90納米節(jié)點(diǎn)曝光光學(xué)系統(tǒng)立項(xiàng)，2009年項(xiàng)目獲批，國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)物鏡系統(tǒng)由長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所、應(yīng)用光學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)；照明系統(tǒng)由中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)所共同負(fù)責(zé)，專項(xiàng)一期項(xiàng)目投入近6億元。專項(xiàng)目標(biāo)是建立物鏡超精密光學(xué)研發(fā)團(tuán)隊(duì)與平臺(tái)，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化滿足IC生產(chǎn)線的批量生產(chǎn)要求。

曹健林稱，光刻機(jī)的研發(fā)過(guò)程嚴(yán)格按照里程碑節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制與設(shè)計(jì)，并建立綜合設(shè)計(jì)、加工、鍍膜、裝配、測(cè)試、裝調(diào)全工藝過(guò)程的像質(zhì)預(yù)測(cè)模型。2015年7月已經(jīng)完成裝配，其后展開(kāi)物鏡測(cè)試臺(tái)的精度提升工作；2016年9月物鏡系統(tǒng)已經(jīng)交付，整個(gè)大硅片都已經(jīng)進(jìn)行分布式測(cè)量；2017年7月首次曝光成功；2017年10月曝光光學(xué)系統(tǒng)在整機(jī)環(huán)境下通過(guò)驗(yàn)收測(cè)試。

攻克“皇冠上明珠”朝28納米邁進(jìn)

曹健林進(jìn)一步說(shuō)，應(yīng)該說(shuō)國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體行業(yè)的關(guān)鍵材料與裝備才剛剛起步，希望未來(lái)光刻機(jī)自主研發(fā)能攻克難關(guān)拿下這顆 “工業(yè)皇冠上的明珠”。他稱，接下來(lái)項(xiàng)目還將繼續(xù)推進(jìn)攻克28納米研發(fā)，規(guī)劃兩年后拿出工程樣品，目前EUV的原理系統(tǒng)也已經(jīng)“走通了”，預(yù)計(jì)2018年主攻EUV 53波長(zhǎng)機(jī)臺(tái)。

隨著02專項(xiàng)的支持，國(guó)內(nèi)重大裝備于2016年國(guó)產(chǎn)裝備銷售已達(dá)32億元人民幣。 他也提個(gè)醒，盡管不可否認(rèn)中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)的快速發(fā)展取得矚目，但在肯定自身進(jìn)步的同時(shí)，也要看見(jiàn)自己仍存在的差距。他舉例，以當(dāng)前集成電路每年約進(jìn)口兩千億元來(lái)細(xì)看，其中主要以微處理器、存儲(chǔ)器就約占了1500億，這兩個(gè)部分也恰恰是中國(guó)目前自身還做不到的。

隨著02專項(xiàng)的支持，有些重大裝備已經(jīng)取得突破。但他指出當(dāng)前面對(duì)中國(guó)集成電路發(fā)展，應(yīng)該“正確理解中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)存在差距”。

小結(jié)

我國(guó)集成電路與國(guó)外產(chǎn)業(yè)差距較大，光刻機(jī)不是唯一瓶頸。集成電路的制造從設(shè)計(jì)、制造到封裝測(cè)試，一顆芯片從無(wú)到有，每一步都經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)工序。好在長(zhǎng)江存儲(chǔ)與中芯國(guó)際光刻機(jī)的購(gòu)買，讓我們又能看到半導(dǎo)體行業(yè)的曙光。拭目以待，看我們的速度能否超越外國(guó)，打贏半導(dǎo)體行業(yè)這場(chǎng)斗爭(zhēng)。