三大巨頭行業壟斷,中國「芯」危機

晶片的重要性不言而喻，晶片製造的難度也與它的重要性成正比。

一顆小小的晶片，從設計到製造，按照產業鏈環節劃分，可以分為IC設計、材料、晶圓代工、設備、封裝測試五個領域。

所有的生產都離不開設備，晶片對設備的依賴更強。IC設計完成後，需要晶圓加工廠根據設計圖紙對晶圓進行加工，這其中包含前後兩道工藝，前道工藝分為：光刻、薄膜、刻蝕、清洗、注入五大流程；後道工藝主要是互聯、打線、密封等封裝工藝。

這一系列過程所用設備，可分為晶圓製造設備、封裝設備和測試設備等。晶圓製造設備又分為刻蝕機、光刻機、薄膜沉設備、CMP設備、檢測設備等。

圖：光刻機簡易工作原理 來源：百度百科

其中，難度最大的就是光刻機，光刻也是製造和設計的紐帶。

技術與資金是光刻機兩大夢魘

光刻機的製造難度首先體現在技術上。一臺普通的光刻機大概擁有三萬多個部件，可以說每個部件科技含量都非常高。其中難以攻克的瓶頸主要集中在透鏡、掩膜版、光源、能量控制器等。

光源方面，必須要穩定、高質量地提供指定波長的光束。而能量控制器，也就是電源。電源要穩定、功率要足夠大，否則光源發生器沒辦法穩定工作。此外，在大、穩的同時，還要考慮經濟性能。

掩膜版通俗點理解，相當於過去用膠片衝洗照片時的底片。底片如果精度不夠，是洗不出來高精度照片的。光刻機施工前，要根據設計好的晶片電路圖製作掩膜板。掩膜板材質是石英玻璃，玻璃上有金屬鉻和感光膠。通過雷射在金屬鉻上繪製電路圖。

透鏡是用光學原理，將掩膜版上的電路圖按比例縮小，再用光源映射的矽片上。光在多次投射中會產生光學誤差。所以要控制誤差，這些部件對精度要求都極高，全都是納米級精度，就連測量臺移動的控制器，也是納米級精度。

除了技術難度，其次是資金上的困難。巨額的研發資金投入，讓很多公司面臨倒閉或者停產，以至於如今全球能生產光刻機的國家或公司寥寥無幾。

全球洗牌，光刻機已成寡頭市場

歷史上，從全球角度來看，荷蘭的ASML，日本的Nikon、Canon、Hitachi，美國的GCA、SVG、Ultratch、ASET、Perkin－Elmer、Eaton，民主德國的Zeiss都曾在光刻機製造的歷史上留下自己的身影。

隨著時間的推移，工藝技術的進步，光刻機真正的成為了「寡頭」市場。上述企業有的已經退出光刻機市場，有的被收購，有的轉戰先進封裝用光刻機市場。

目前全球半導體前道用光刻機的生產廠商有4家，分別是荷蘭的ASML、日本的Nikon、Canon和上海微電子（SMEE）。其中ASML更是以巨大的優勢，一家獨佔7成的市場。緊隨其後的是Canon與Nikon，上海微電子暫無市場份額。

ASML脫胎於飛利浦光刻設備研發小組。飛利浦從1971年開始，在此前開發的透鏡式顯影裝備基礎上，開發透鏡式非接觸光刻設備。隨後一段傳奇的產業經歷讓ASML殺出重圍，並於1995年上市。2000年推出TWINSCAN雙工件臺光刻機，ASML一舉奠定霸主地位；隨後進入EUV時代，ASML終於是一騎絕塵，可能已無人能比肩了。

幾乎與ASML同時代，Canon公司1970年也涉足半導體製造設備領域， 憑藉世界領先的光學及精密機械生產技術，從研製2：1縮小投影和接觸接近式光刻設備起步，先後向世界市場投放了PLA系列步進式、MPA系列等倍掃描式、投影式和FPA系列步進縮小投影式、掃描式三大系列的光學光刻設備約10000臺，但由於公司在技術上的決策失誤，從2008年逐步退出半導體用光刻機市場。

Nikon的起步要稍晚一些，1980年代，Nikon開始進入半導體製造領域，在近40年的光刻機研究與開發中，已向世界各國或地區銷售了各種光刻機超過9000多臺，曾創下年銷量900臺的紀錄，不過自2008年和2009年丟失臺灣、韓國市場，Nikon開始一蹶不振，出貨量急速下滑。

根據三家公司17年財報顯示，2017年全球晶圓製造用光刻機臺出貨294臺，其中ASML就出貨198臺，佔全球近7成的市場。其中EUV光刻機11臺，ArFi光刻機76臺，ArF光刻機14臺，KrF光刻機71臺，i－line光刻機26臺。

Canon出貨70臺，佔比24％，集中在低端產品，其中KrF光刻機20臺，i－line光刻機50臺。

Nikon出貨26臺光刻機，佔有率不足10％，其中ArFi光刻機6臺，ArF光刻機8臺，KrF光刻機2臺，i－line光刻機10臺。

EUV（Extreme Ultra－violet），常稱作極紫外光刻，它以波長為10－14nm的極紫外光作為光源的光刻技術，可以製作32nm以下製程的晶片。ArFi、ArF、KrF，長稱作深紫外光刻，它們分別以波長為157nm、193nm、248nm的深紫外光作為光源的光刻技術。ArF以上被稱作高端光刻機。

頂級技術EUV壟斷，追趕之路漫漫

到了2018年，據財報顯示，三巨頭半導體用光刻機出貨374臺，較2017年的294臺增加80臺，增長27．21％。而從EUV、ArFi、ArF機型的出貨來看，全年共出貨134臺。其中ASML出貨120臺，佔有9成的市場。

至此，高端光刻機市場已經被ASML壟斷，且更為關鍵的是，最先進的7nm製程的EUV光刻機只有ASML一家公司可以生產，再無第二家，如果想要生產最先進的晶片，就必須要和它合作，且有價無市。

近年來我國雖然在半導體領域不斷追趕，上海微電子也有了自己的光刻機，但只能用於90nm製程的晶片製造，雖然只是80nm的差距，但所需的技術可能相差從地球到太陽的距離。EUV技術是人類科學史上的奇蹟，短期國內在光刻機領域實現突破的可能性幾乎為0。

但令人欣喜的是，除了光刻機外，其他製造設備均有所突破。在工藝難度遠小於光刻的刻蝕技術上，準備在科創板上市的中微公司的等離子體刻蝕設備已被廣泛應用於從65nm到7nm的IC加工製造及封裝。另一個國產IC設備龍頭則是北方華創，北方華創的優點在於全面，目前可以製造等離子刻蝕、物理氣相沉積、 化學氣相沉積、氧化／擴散、清洗、退火等半導體工藝裝備。

中國半導體技術追趕，長路漫漫，唯堅持作伴。

作者：張偉超