今年六月份有消息傳出，國產光刻機龍頭上海微電子將在一年內交付用於28nm製程生產的193nm ArF光刻機。
另外，據方正證券今年發布的相關研報，國家02專項光刻機項目二期曾設定，擬於2020年12月驗收由上海微電子設計集成的193nm ArF浸沒式DUV光刻機。這一技術突破無疑極具重要意義。要知道，此前上海微電子能量產的最先進光刻機，已被卡在90nm製程上四年之久。但是，現在時間邁進12月中旬，我們卻並未看到有關這臺光刻機的確鑿消息。這一背景下，中國的IC前道用先進光刻機研發之路，究竟走得怎麼樣了？那臺傳言中的ArF光刻機背後，又有哪些玩家的身影？芯東西挖掘國產193nm ArF浸沒式DUV光刻機背後的研發故事，發現除了國產光刻機龍頭上海微電子，其他5家「低調」的企業亦承擔了重要角色。
今年以來，中美貿易摩擦加劇、全球範圍內疫情肆虐等種種因素，為國內半導體產業鏈開啟了「hard」模式。其中，光刻機被「卡脖子」的問題，既是國產半導體產業的遠慮，更是近憂。芯東西了解到，面向這一難題，包括上海微電子在內的上述六家國產光刻機產業鏈玩家，正致力於攻關先進光刻機各個部件的技術壁壘。今天，我們挖掘這六家企業身上的故事，盤點國產光刻產業鏈的「星星之火」。本文福利：國內DUV光刻機28nm製程工藝成為當前關鍵技術節點和技術優勢，光刻機國產替代將迎來新的曙光。推薦精品研報《光刻機行業研究框架》，可在公眾號聊天欄回復關鍵詞【芯東西061】獲取。半導體產業鏈可分為晶片設計、製造、封測三大環節，在晶片製造幾百道工序之中，光刻是最重要的步驟之一，直接定義了電晶體的尺寸。
光刻機是中國晶片業發展的一道短板，這已經不是新聞。儘管如此，提起中國可量產的光刻機已被卡在90nm製程4年，這個時間跨度仍令人心驚。
2007年，中國光刻機龍頭企業上海微電子宣布突破365nm光波長的DUV光刻技術，該技術可用於90nm晶片製程的生產。2016年，上海微電子SSX600系列的三款步進掃描投影光刻機實現量產，其中SSA600/20光刻機解析度達到90nm。從2007國產光刻技術突破90nm解析度至今，國產玩家十三年磨一劍。其間， 儘管國產光刻機玩家不斷探索，但始終未實現更先進光刻機的量產。
然而，90nm製程的晶片一般用於電源管理晶片、MCU等非核心晶片的生產，並不能滿足手機處理器等產品的需求。
目前，大陸晶圓代工龍頭中芯國際14nm晶圓代工產線上，使用的是荷蘭光刻機廠商ASML的設備。
▲上海微電子SSX600系列光刻機
直到今年，中國光刻機研發工作似乎出現進展。今年早些時候曾傳出消息，稱上海微電子已經研發出可用於22nm晶片生產的光刻機，但並未透露相關光刻機型號，芯東西也未找到確鑿的信源。
相比之下，上海微電子突破28nm晶片製程用光刻機技術壁壘的消息更為可信。
據方正證券今年發布的一份研報，在02專項光刻機項目二期中，設定於2020年12月驗收193nm ArF浸沒式DUV光刻機，這款光刻機直接對標國際光刻龍頭ASML現階段最強DUV光刻機TWINSCAN NXT：2000i。
相比90nm製程晶片，28nm製程的晶片能製造出性能更為優越的晶片產品。儘管短時間內可能無法實現193nm ArF浸沒式DUV光刻機的量產，但這一技術突破的戰略意義毋庸置疑。
要知道，理論上來說，193nm光波長ArF浸沒式DUV光刻機可用於7nm製程晶片的生產。目前，全球擁有193nm光波長ArF浸沒式DUV光刻機生產量產能力的玩家中，數得上名字的也僅有佔據80%全球光刻份額的ASML，以及分食剩餘市份的尼康和佳能。
▲近三年ASML、尼康、佳能光刻機出貨量情況
跨越13年研發，這臺可用於28nm製程晶片生產的光刻機，可以說被中國晶片業期盼已久。
從技術層面來講，光刻是指利用光學-化學反應原理，將電路圖轉移到晶圓表面的工藝技術，而光刻機則是光刻工序中的一種投影曝光系統。
光刻機可分為無掩模光刻機和有掩模光刻機，前者技術壁壘相對較低，一般用於高解析度掩模版、集成電路原型驗證晶片等特定晶片的小批量製造。而卡住國產半導體產業鏈「脖子」的，則是技術壁壘較高的有掩模光刻機，有掩模光刻機目前多用於先進位程的前道工藝中。
從分類來看，無掩模光刻機又可分為電子束直寫光刻機、離子束直寫光刻機、雷射直寫光刻機；有掩模光刻機分為接觸/接近式光刻機和投影式光刻機。
此外，有掩模光刻機又可按照光刻光源的代際進行劃分，上海微電子正在研發的193nm光波長ArF浸沒式光刻機屬於第四代光刻機，可用於45～22nm製程晶片的生產。
▲光刻機經歷了五代發展（圖源：國泰君安證券研究）
目前，上海微電子是中國國內唯一能製造IC前道工藝用光刻機的企業，在其已量產的光刻機產品中，最為先進的是SSA600/200產品，能夠用於90nm製程晶片的生產。
深紫外線光刻機作為有掩模光刻機歷史上的第四代光源設備，採用193nm光波長ArF（準分子雷射器）已經是世界領先水平。也就是說，如果上海微電子成功設計、集成出193nm光波長ArF浸沒式光刻機。就意味著在深紫外線光刻領域，中國技術水平已經趕上全球光刻機龍頭ASML。
光刻機主要可分為照明系統、Stage系統（工作檯系統）、鏡頭組、搬送系統、Alignment系統（對準標記系統）這五大組成部分。
作為高度複雜的半導體領域關鍵設備，光刻機對集成度的要求極高。有數據顯示，組裝一臺光刻機需要上萬個零部件。
由於光刻機各個組件的高度複雜，全球光刻機龍頭ASML即在成立早期，採取「Out House」的運營模式，僅負責光刻機整機的設計和子系統的需求定義，將各個子系統委託第三方廠商進行研發生產。
直至今天，ASML仍保留有部分「Out House」模式的傳統，比如，其使用的光刻機核心組件，由蔡司、Cymer等多家廠商供應。
與ASML相同，上海微電子的193nm光波長ArF浸沒式光刻機研發之路上，亦有國產產業鏈玩家的支持。
為儘快完成對193nm光波長ArF DUV光刻機的攻關，中國推出「極大規模集成電路製造技術及成套工藝」項目（又稱「02專項計劃」），其中專門針對光刻產業進行規劃。
根據「02專項計劃」，我國光刻機研發工作亦採用類似「Out House」的研發模式，上海微電子負責整機的設計與集成，另有五家企業各自負責對光刻機不同核心零部件的研發。
值得一提的是，這五家承擔核心零部件研發企業，均與中國頂尖高校聯繫緊密，代表著中國最頂尖的半導體研發實力。
北京科益虹源光電技術有限公司成立於2016年7月，主營光刻機光源系統，擁有準分子雷射技術研究、產品開發的能力。
在企業工商平臺可以看到，北京科益虹源第一大客戶為持股37.5%的中國科學院微電子研究所。
北京國望光學科技有限公司成立於2018年，經營範圍包含光刻機曝光光學系統、高端鏡頭、光電儀器與裝備、光學加工與檢測設備等。
目前，北京亦莊國際投資發展有限公司持股國望光學約66.67%，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所持股國望光學約14.67%。
長春國科精密光學技術有限公司成立於2014年，總部位於吉林省長春市，在上海設有投影光刻照明系統研發事業部。
目前，長春國科精密由長春淨月創業投資有限公司100%持股。值得一提的是，長春國科精密與北京國望光學的法定代表人，均為長春光機所所長助理孫守紅。
長春光機所是中科院最大的研究所，先後孕育出了西安光機所、上海光機所、成都光機所等科研機構。據長春國科精密官網，目前，長春國科精密作為「國家科技重大專項02專項」支持的唯一高端光學技術研發單位，正在承擔NA0.82、NA1.35等多種類型高端IC製造投影光刻機曝光光學系統的技術研發及產業化推進工作。
華卓精科成立於2012年，主營業務為集成電路製造裝備及關鍵零部件的研發和產業化。目前產品包括光刻機雙工件臺及其衍生產品超精密運動平臺、雷射退火設備、晶圓鍵合設備等。
今年六月份，華卓精科的科創板IPO申請獲得上交所受理，但這一IPO流程已於9月30日被中止。根據上交所官網，中止原因是華卓精科發行上市申請文件中記載的財務資料已過有效期，需要補充提交。
在華卓精科遞交的招股書中可以看到，其光刻機雙工件臺產品的重要客戶，正是上海微電子。
▲北京華卓精科主要客戶群體
浙江啟爾機電技術有限公司成立於2013年，主要研發、生產和銷售高端半導體裝備超潔淨流控系統及其關鍵零部件。啟爾機電前身是浙江大學流體動力與機電系統國家重點實驗室啟爾團隊。
▲2013-2020年中國面板產能及全球佔比（來源：商務部，國泰君安證券）
目前，除了大陸光刻機龍頭上海微電子外，合肥芯碩半導體、無錫影速半導體、東方晶源微電子等玩家已經在無掩模光刻機市場取得技術突破。其中，合肥芯碩半導體是國內首家半導體直寫光刻設備製造商，研發的ATD4000型號產品已經實現最高200nm的量產。無錫影速半導體是由中科院微電子所聯合業內技術團隊、產業基金髮起成立的專業微電子裝備企業，目前已成功研發國際首臺雙臺面高速雷射直接成像連線設備（LDI），實現了最高200nm的量產。東方晶源微電子的產品主要用於20nm以下極大規模半導體片制子束圖像檢測設備和合優化開發及生產，可為關鍵工序提供高速、高精度的檢測系統。不論是由於瓦森納協定還是近期的中美貿易摩擦，在國產晶片產業鏈面臨的困境中，光刻技術無疑成為直接「卡脖子」的一環。
要解決這一問題，技術攻關當然是必不可少的。目前，國產的深紫外線光刻機正處於研發的關鍵進程之中。在這背後，包括上海微電子在內的多位國產玩家正在攻關。
另外，借力國外成熟產品或可幫助晶片製造商實現突破。2018年，我國晶片公司中芯國際花費約1.2億美元，向阿斯麥訂購了一臺EUV光刻機。由於種種原因，目前，這臺光刻機還未成功交付。我們期待它能夠儘快落地中國，助力中國晶片事業再上一個臺階。
在嚴峻的外部貿易環境下，攻關光刻技術對國產晶片產業鏈來說意義非凡，期待相關技術攻關能夠實現突破。
本文福利：國內DUV光刻機28nm製程工藝成為當前關鍵技術節點和技術優勢，光刻機國產替代將迎來新的曙光。推薦精品研報《光刻機行業研究框架》，可在公眾號聊天欄回復關鍵詞【芯東西061】獲取。
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