光刻機：半導體工業皇冠上的明珠 華為晶片破局的關鍵

2020-09-05 葵花寶典123

光刻機：半導體工業皇冠上的明珠

光刻機作為前道工藝七大設備之首（光刻機、刻蝕機、 鍍膜設備、量測設備、清洗機、離子注入機、其他設備），價值含量極大，在製造設 備投資額中單項佔比高達23%，技術要求極高，涉及精密光學、精密運動、高精度環 境控制等多項先進技術。光刻機是人類文明的智慧結晶，被譽為半導體工業皇冠上的明珠。


圖片來源：中銀國際

光刻機有多貴呢？2019年全年，ASML公司營收118.2億歐元，同比增長了8%，毛利率從46%下滑到了44.7%，全年淨利潤25.92億歐元。去年Q4季度，ASML出貨了8臺EUV光刻機，收到了9臺EUV光刻機訂單，全年EUV光刻機訂單量達到了62億歐元，也就是說ASML單臺光刻機售價超過十億人民幣。關鍵是由於美國的限制，中國有錢也買不到！

最為可氣的是，2018年，中芯國際向晶片機器製造商ASML發出了第一張訂單，訂購了一臺最新的EUV（極紫外線）技術光刻機，機器價格為1.2億歐元，於2019年交貨。但目前由於種種阻礙，ASML遲遲未向中芯國際交貨。EUV現在是用於領先工藝的關鍵光刻的首選解決方案，將支持未來十年的應用。可以說美國的禁令，讓中國晶片發展耽誤了至少數年的時機。（所以不要跟我說西方是完全的市場經濟）

半導體晶片產業鏈分為IC設計、IC製造、IC封測三大環節。光刻的主要作用是將掩模版 上的晶片電路圖轉移到矽片上，是IC製造的核心環節，也是整個IC製造中最複雜、最關鍵的工藝步驟。


光刻產業鏈 圖片來源：方正證券

在IC前道光刻機領域，ASML一家獨大，高端EUV 光刻機市佔率高達100%。從EUV、ArFi、ArF機型的出貨來看，全年共出貨154臺 ，其中ASML出貨130臺，在高端市場佔有84%的份額。


ASML產品線 圖片來源：方正證券

但如此強大的ASML，其設備也是全球產業鏈整合的結晶，單一國家很難完成全產業鏈生產，如果美國對ASML下達禁令，ASML同樣會面臨華為一樣的困境，所以不要再說華為沒有完全國產化就是山寨和低技術。


ASML光刻機是全球工藝整合的結晶 圖片來源：方正證券


光刻機的難點在哪

難點一：在ASML的光刻機中，光源需要以每秒五萬次的頻率，用20kW的雷射來擊打20微米 的錫滴，使液態錫汽化為等離子體，從而產生極紫外光(EUV)。

難點二：ASML的EUV光刻機可以實現13納米的解析度。

難點三：ASML無塵室內的空氣比外部乾淨1萬倍，為了實現這個目標，無塵室的通風設備必 須每小時淨化30萬立方米的空氣。

難點四：在ASML的高數值孔徑EUV設備中，為了能精確達到10納米以下的線寬以及1納米以 內的套刻精度，聚焦反射器必須非常平整。


光刻機技術圖 圖片來源：方正證券

要克服這其中的每一個難點，都需要全球工藝的極限精密化，全球眾多龍頭企業在自己的領域達到極致，而ASML最終將這些技術整合，成為集大成者。

國產光刻機發展

中國的光刻機發展起源於20世紀70年代，伴隨著半導體行業研究的興起，中國於1977年研 發成功第一臺光刻機，1978-1985年先後研製成功三臺光刻機，當時中國的半導體產業雖 然沒有達到當時世界先進水平，但是差距並不大。80年代底，由於中國信奉「造不如買」的發展理念，導致中國半導體行業停滯不前，直到2002年，國家開始重視光刻機的研發。 至今18年的時間裡，中國在逐步縮小和國際光刻機巨頭的差距，路漫漫其修遠兮，目前國內最優秀的光刻機企業上海微電子正在奮勇直追。


國產光刻機發展歷程圖 圖片來源：方正證券

02專項是什麼？在 02專項的十三五規劃中，突破28nm浸沒式光刻機 及核心組件被列入戰略目標，舉全國之力，匯集頂級科研人才開啟「光刻機雙工件臺 系統樣機研發」項目、「超分辨光刻裝備研製」項目、「極紫外光刻關鍵技術研究」 項目，現均取得重大突破。

國產光刻機市場空間與工藝水平剖析。隨著第三次全球半導體產業向中國轉移，國內 晶圓廠投資加速，光刻機作為新建晶圓廠的核心資本支出，市場空間進一步打開。 28nm作為當前關鍵技術節點，工藝製程從90nm突破至28nm，對於國產替代具有重大戰略意義。

中國在光刻機方面的投入很大、發展速度很快。近年來，多個12英寸晶圓廠項目落地中國大陸。SEMI的數據顯示，2017-2020年間 全球投產的半導體晶圓廠為62座，其中有26座設於中國大陸，佔全球總數的42%。 n 目前中國大陸12英寸晶圓廠的投資及生產情況：中國大陸在12英寸晶圓廠方面已投 資數千億美元，產品涉及多個領域與製程，多個項目已經在運行當中，其餘項目將在 未來2-3年內陸續投產。除去目前已經停擺的兩個項目（成都格芯和德科瑪南京）， 目前中國大陸共計有31座在建/已建的12英寸晶圓廠，28座8英寸在建/已建/規劃中 的8英寸晶圓廠，項目主要集中在北京、成都、重慶及江浙一帶。


圖片來源：方正證券

上海微電子設備有限公司透露，將在2021-2022年交付首臺國產28nm工藝 浸沒式光刻機。消息一出，意味著國產光刻機工藝從以前的90nm一舉突破到28nm。雖然與世界最先進的7nm工藝還有很大的水平差距，但是像手機內部主板上的射頻 晶片、藍牙晶片、功放晶片、路由器上的晶片、各種電器的驅動晶片等用的還是28-90nm工藝的晶片。也就是說28nm光刻機足以滿足目前市場上主流晶片製造要求，到時候我國晶片的完全國產化率將會有質的提高。

值得注意的是，有傳言華為將收購上海微電子，如果成真，相信憑藉華為的企業文化、研發力度、資金投入，將會極大助力國產光刻機的發展，國產光刻機的發展前景又將光明起來。

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