光刻机如何限制半导体产能，国产化还需要多久？

近日，三星电子传来涨价消息，预计将在下半年对晶圆代工价格提高15％至20％，以应对原材料价格上涨和疫情影响下物流成本提高带来的压力。此前，台积电也已通知客户，将于2023年起全面提高晶圆代工价格5％至8％。

随着晶圆代工厂巨头陆续发出涨价通知，芯片涨价又成趋势。涨价被视为半导体行业的高景气信号，但其主要驱动力还是来自目前半导体市场持续已久的困境——缺芯。半导体产能因何受限？我国半导体行业又该如何提高产能？

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研发难，量产难，光刻机供不应求

半导体供应紧张的最大原因之一在于设备的紧缺，其中又以光刻机为最。光刻机是制造芯片的关键前道设备之一，主要功能就是将芯片设计公司制出的电路图缩印在硅晶圆上，以供刻蚀机刻印

具体而言，它的工作流程可分为两步：首先是光源通过绘制了电路图的掩膜到达缩图透镜，这一过程里由于部分光源被掩膜阻挡在缩图透镜上会出现曝光区和未曝光区；而后，曝光区的光源经由缩图透镜抵达覆盖了一层光刻胶的硅片上，与光刻胶产生反应，配合涂胶显影设备使电路图缩印到硅片上。

集成电路光刻／刻蚀主要步骤

图片来源：张汝京《纳米集成电路制造工艺》

随着芯片工艺的先进化，电路设计图日益精细和复杂，所需要的光刻精度也就越来越高，研发光刻机的技术要求、生产成本和生产难度都直线上升。迄今为止，世界上能自主研发和制造光刻机的厂商依然寥寥无几，光刻机供应紧张，但它又是制造芯片不可或缺的设备，因此极大程度上限制了半导体产能。

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市场过于集中，半导体产能的不确定风险上升

目前，晶圆代工厂主要使用的光刻机按光源波长分有DUV（深紫外光源）光刻机和EUV（极紫外光源）光刻机两种，后者波长相对较短，光刻精度较高，是迄今为止最先进的光刻机类型，用于生产高端芯片。

然而，现阶段世界上只有总部位于荷兰的光刻机供应商ASML（ASML．US）能够制造出EUV光刻机，这也就是说，最高端芯片的制造目前完全受制于ASML这一家公司，一旦公司任何一个环节出现问题，全球的高端半导体供应链都会受影响。

2021年度全球半导体光刻机销售情况

其实，在整个光刻机市场，ASML都凭借其技术优势占据了市场高地。目前光刻机市场非常集中，ASML、Canon（CAJ．N）和Nikon（NINOF．F）三大厂商几乎垄断了光刻机供应，其中，以2021年光刻机的销售额为基准，ASML的市场占有率将近80％，是光刻机行业毋庸置疑的巨头，几乎全球的晶圆代工厂商都在向ASML购买光刻机。

然而，这样旺盛的市场需求真的能得到满足吗？答案自然是不能。ASML在2022Q1业绩说明会上表示，他们的光刻机设备供应无法满足当下市场需求，就DUV光刻机而言，ASML目前仅能满足60％的DUV光刻机订单需求，订单积压严重，预计到2024年才能逐渐完成积压订单。上游设备的供不应求使得下游晶圆代工厂扩产严重受阻，不断延长的设备交付周期延长也提高了生产成本，进一步让半导体产能加紧。

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对中国来说，光刻机供给方面带来的问题更加严重

由于光刻机研发难度大，我国光刻机设备严重依赖进口，自产率极低。ASML业绩说明会上的数据显示，中国大陆市场在该公司第一季度的收入占比达到了34％，是光刻机设备的最大销售市场。海关数据显示，2021年我国制半导体器件或集成电路用的分步重复光刻机进口额约为11．4亿美元，而贸易逆差则达到11．1亿美元，自产率极低。

如此高的依赖程度让我国的半导体制造环节很容易处于受控状态，而《瓦森纳协议》则让这一状态具象化。《瓦森纳协议》针对我国半导体产业提出了多个技术禁运条款，而光刻机作为半导体制造环节的核心设备，是受管控最为严格的部分。由于《瓦森纳协议》的管控，我国无法购买EUV光刻机这类最先进的半导体制造设备，这也就导致了我国无法生产高端芯片。

2018年我国最大的国产晶圆代工厂中芯国际（00981．HK）向ASML订购了一台EUV光刻机，但该机器至今仍然由于《瓦森纳协议》的禁售要求而没能交付。而若使用DUV光刻机制造7nm制程的高端芯片则需要多重曝光技术，将大大提高芯片生产成本，因此中芯国际目前只能大规模生产中低端芯片，高端芯片产能紧张的原因可想而知。

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光刻机的国产化虽有希望但道阻且长

前面提到的技术禁运让我国不得不自主研发光刻机，但由于技术需求过高以及部分专利的限制，我国自主研发光刻机水平离世界最先进水平还有很大差距。目前，我国最先进的光刻机是上海微电子研发制造的SSA600／20，适用于生产90nm制程的芯片，但远不如ASML适用于生产5nm制程芯片的EUV光刻机。而传闻中将在2022年交付的28nm制程浸入式光刻机截止到2022年5月都没有确切消息，光刻机自主研发进程似乎遭遇了瓶颈。

上海微电子600系列产品主要参数

（图片来源：长城国瑞证券研究所）

不过，好消息还是有的。比如2018年我国的“超分辨光刻装备项目”通过国家验收，这一装备仅用365nm的光源就可使光刻分辨率达到22nm。

此前，传统光刻机使用透镜进行缩印，在成像过程中就势必存在衍射极限，限制光刻分辨率。而若要提高光刻分辨率就需要使用波长更短的光源或增加数值孔径，但这两个方法的实现难度都非常大，研究成本极高。

超分辨光刻装备利用表面等离子体波进行光刻，绕开衍射极限的限制，达到提高光刻分辨率的目的，因此用波长较长的光源便可达到22nm的分辨率。虽然它由于无法应对复杂电路而暂时不能用于芯片制造，但却为提高光刻精度提供了另一种方法，为我国光刻机研发的技术路径提供另一种可能。

然而也需要注意到，超分辨光刻装备的成功已过去三年，究竟是否可以通过改进投入到芯片制造环节还有待商榷，表面等离子体波光刻技术的研发进程仍未公开，光刻机国产化依然有很长的路要走，而这期间我国半导体行业的产能仍将受限于高端设备的禁售协议。

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结语

总而言之，光刻机供应紧张是限制半导体产能的主要因素之一， 高生产难度导致了高市场集中度以至于出现垄断，而垄断市场的巨头让整个半导体供应链的不确定风险增加，加剧半导体供需失衡。虽然我国在努力研发光刻机，以期实现光刻机的国产化，提高设备自产率，但是技术的突破需要长时间的积累和充足的研发资金投入，自主研发前路漫漫。

原文标题 : 光刻机如何限制半导体产能，国产化还需要多久？