光刻机被称为“人类最精密复杂的机器”，制造光刻机更被比作是在微观世界里“造房子”——成像系统由几十个直径为200~300毫米的透镜组成，定位精度都是纳米级。微米级的瞬时传输控制技术，犹如两架空客以1000/小时公里同步高速运动，在瞬间对接穿针引线;玻璃镜面加工等精度，误差不会超过0.5毫米。

为了在更小的物理空间集成更多的电子元件，单个电路的物理尺寸越来越小，主流光刻机在硅片上投射的光刻电路分辨率达到50-90nm。超高的技术难度使得光刻机在全世界集成电路设备厂商中形成了极高的技术门槛，据了解，当今世界能够拥有这种技术、生产这种产品的只有两三个国家的两三家公司。以ASML 公司最先进的 EUV 光刻机为例，售价高达 1 亿美元，而且只有 ASML 能够生产。

在光刻机领域，SMEE 取得了重要突破，并在先进封装光刻机产品方面形成了系列化和量产化，在国际同类产品中处于先进水平，还实现了光刻机海外市场的销售突破。SMEE 也被列入国家发改委 2016 年 1 月底公布的国家认定企业技术中心名单。

目前，由于国内集成电路生产企业没有 20nm 以下的生产工艺能力，加上 ASML EUV光刻机价格昂贵、产能有限，还没有安装 ASML EUV 机台，在国产光刻机技术上与之差距太大，根本无法在高端市场上参与竞争，严重制约了我国微电子信息工业的发展。据报道，近年来我国每年集成电路产品进口金额与每年原油进口金额大致相当，每年已经超过 2000 亿美元，如何改变集成电路制造受制于人的局面是国产光刻机研发的主要目标。

2002年，光刻机被列入国家 863 重大科技攻关计划，由科技部和上海市共同推动成立上海微电子装备有限公司来承担，2008年国家又启动了“02”科技重大专项予以衔接持续攻关。经过十几年潜心研发，我国已基本掌握了高端光刻机的集成技术，并部分掌握了核心部件的制造技术。

国家光电实验室首次实现 9nm 线宽光刻

2016年底，华中科技大学国家光电实验室目前利用双光束在光刻胶上首次完成了 9nm 线宽，双线间距低至约 50nm 的超分辨光刻。未来将这一工程化应用到光刻机上可以突破国外的专利壁垒，直接达到 EUV 的加工水平。

2014年10月瑞典皇家诺贝尔奖委员会决定将当年的诺贝尔化学奖授予打破光学衍射极限发明超分辨率光学显微技术的三位科学家，以表彰他们在超分辨率光学成像方面的卓着贡献。其中斯蒂芬·黑尔教授发明的STED超分辨技术采用二束激光，一束激发激光(Exciting Laser Beam)激发显微镜物镜下的荧光物质产生荧光，另外一束中心光强为零的环形淬灭激光(Inhibiting Laser beam)淬灭激发激光产生的荧光。这两束光的中心重合在一起，使得只有处于纳米级环形淬灭激光中心处的荧光分子才能正常发光，通过扫描的办法就可以得到超越衍射极限的光学成像。

遵循这个思路，华中科技大学国家光电实验室的甘棕松教授在国外攻读博士学位期间，采用类似方法在光刻制造技术上取得进展，成功突破光学衍射极限，首次在世界范围内实现了创记录的单线 9nm 线宽，双线间距低至约 50nm 的超分辨光刻。未来将这一技术工程化应用到光刻机上，能够突破光学衍射极限对投射电路尺寸的限制从而实现超分辨光刻，有望使国产集成电路光刻机摆脱一味采用更短波长光源的技术路线。

采用超分辨的方法突破光学衍射的限制，将光聚集到更小的尺寸，应用到集成电路光刻可以带来两个方面的好处：一方面可以实现更高的分辨率，不再需要采用更短波长的光源，使得光刻机系统造价大大降低;另外一方面采用可见光进行光刻，可以穿透普通的材料，工作环境要求不高，摆脱 EUV 光源需要真空环境、光刻能量不足的羁绊。

与动辄几千万美元的主流光刻机乃至一亿美元售价的 EUV 光刻机相比，超分辨光刻硬件部分只需要一台飞秒激光器和一台普通连续激光器，成本只是主流光刻机的几分之一。该系统运行条件比紫外光刻温和得多，不需要真空环境，不需要特殊的发光和折光元器件，和一般光刻系统相比，该系统仅仅是引入了第二束光，系统光路设计上改动比较小，光刻机工程化应用相对容易，有希望使国产光刻机在高端领域弯道超车、有所突破。

国内半导体设备产业正面临空前机遇

综观全球半导体设备与材料市场，每年约 800 亿美元，现状几乎是美国垄断设备，日本掌控材料，除了欧洲的 ASML 光刻设备之外，连中国台湾地区与韩国的设备国产化率也很低。两者多次设立目标想要提升，但受限于工业基础，实际上进展也很缓慢。相比之下，在中国半导体业发展中，更严峻的态势是所用的设备与材料，几乎 90%以上都需要进口。

SEMI全球副总裁、中国区总裁居龙就多次指出，目前中国半导体设备和材料占全球市场份额不足1%，严重制约着国产芯片产业的自给和健康发展。

根据 SEMI 的预测，2016年至2017年间，综合8英寸、12英寸厂来看，确定新建的晶圆厂就有19座，其中中国大陆就占了10座。半导体前道设备的销售额，全球2013年为318.2亿美元，2015年为365.3亿美元，2016年为396.9亿美元，预测2017年为434亿美元，中国部分可达69.9亿美元(包括外资在中国的投资)。

近期中国的芯片制造业进入又一轮扩充产能的高潮。从中芯国际在上海、深圳以及天津的扩建，到华力微的二期建设，加上长江存储、福建晋华以及紫光南京成都的存储器项目，在这样的大好形势下，加上国家有鼓励采用国产设备的补助政策，像中微半导体这样的中国半导体设备企业迎来又一个“春天”。

中微半导体设备有限公司，作为国内集成电路装备制造骨干企业，拥有三大高端设备产品系列，是我国集成电路装备业界的龙头、标杆和旗帜。中微研发的介质刻蚀机是半导体生产设备中关键核心装备之一，市场一直为美日等企业垄断，其28nm-15nm的耦合等离子体介质刻蚀机去年获得了中国国际工业博览会金奖，产品出口额占我国泛半导体设备出口额的仅 8 成，拥有台积电、英特尔等客户。

中微刻蚀机的研发成功，填补了国内空白，在技术上实现突破，跟上国际技术发展步伐，明显提升我国半导体设备产业的技术能级，并可改变我国集成电路生产企业受制于人的局面，对于抢占未来经济和科技发展制高点、加快转变经济发展方式、实现由制造业大国向强国转变具有重要战略意义。

根据行业权威研究机构 Gartner 最新发布的统计结果，中微公司介质刻蚀设备市场占有率从 2013 年的全球第 6 位提升到 2014 年的全球第 4 位。考虑到 Mattson 公司仅提供低端刻蚀设备，中微公司在高端介质刻蚀设备领域已经跻身全球三强。由于中微生产的等离子刻蚀机已经实现在晶圆制造厂批量生产，2015年2月5日，美国商务部取消了对等离子干法刻蚀设备的出口限制。

2015年，中微半导体获得国家集成电路基金的4.8亿元投资，这是继长电科技后，国家集成电路基金出手的第二次投资，也是上海半导体行业获得的第一笔国家基金投资。

光刻机

光刻机（Mask Aligner) 又名：掩模对准曝光机，曝光系统，光刻系统等。常用的光刻机是掩膜对准光刻，所以叫 Mask Alignment System.

一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀等工序。

Photolithography（光刻） 意思是用光来制作一个图形（工艺）；

在硅片表面匀胶，然后将掩模版上的图形转移光刻胶上的过程将器件或电路结构临时“复制”到硅片上的过程。

光刻机分类

光刻机一般根据操作的简便性分为三种，手动、半自动、全自动

A 手动：指的是对准的调节方式，是通过手调旋钮改变它的X轴，Y轴和thita角度来完成对准，对准精度可想而知不高了；

B 半自动：指的是对准可以通过电动轴根据CCD的进行定位调谐；

C 自动： 指的是 从基板的上载下载，曝光时长和循环都是通过程序控制，自动光刻机主要是满足工厂对于处理量的需要，恩科优的NXQ8000系列可以一个小时处理几百片wafer。

光刻机种类

a.接触式曝光（Contact Printing）：掩膜板直接与光刻胶层接触。曝光出来的图形与掩膜板上的图形分辨率相当，设备简单。接触式，根据施加力量的方式不同又分为：软接触，硬接触和真空接触。

1.软接触 就是把基片通过托盘吸附住（类似于匀胶机的基片放置方式），掩膜盖在基片上面；

2.硬接触 是将基片通过一个气压（氮气），往上顶，使之与掩膜接触；

3.真空接触 是在掩膜和基片中间抽气，使之更加好的贴合（想一想把被子抽真空放置的方式）

软<硬<真空 接触的越紧密，分辨率越高，当然接触的越紧密，掩膜和材料的损伤就越大。

缺点：光刻胶污染掩膜板；掩膜板的磨损，容易损坏,寿命很低（只能使用5～25次）；容易累积缺陷；上个世纪七十年代的工业水准，已经逐渐被接近式曝光方式所淘汰了，国产光刻机均为接触式曝光，国产光刻机的开发机构无法提供工艺要求更高的非接触式曝光的产品化。

b.接近式曝光（Proximity Printing）:掩膜板与光刻胶基底层保留一个微小的缝隙（Gap），Gap大约为0～200μm。可以有效避免与光刻胶直接接触而引起的掩膜板损伤，使掩膜和光刻胶基底能耐久使用；掩模寿命长（可提高10 倍以上），图形缺陷少。接近式在现代光刻工艺中应用最为广泛。

c.投影式曝光（Projection Printing）:在掩膜板与光刻胶之间使用光学系统聚集光实现曝光。一般掩膜板的尺寸会以需要转移图形的4倍制作。优点：提高了分辨率；掩膜板的制作更加容易；掩膜板上的缺陷影响减小。

投影式曝光分类：

扫描投影曝光（Scanning Project Printing）。70年代末～80年代初，〉1μm工艺；掩膜板1：1，全尺寸；

步进重复投影曝光（Stepping-repeating Project Printing或称作Stepper）。80年代末～90年代，0.35μm（I line）～0.25μm（DUV）。掩膜板缩小比例（4：1），曝光区域（Exposure Field）22×22mm（一次曝光所能覆盖的区域）。增加了棱镜系统的制作难度。

扫描步进投影曝光（Scanning-Stepping Project Printing）。90年代末～至今，用于≤0.18μm工艺。采用6英寸的掩膜板按照4：1的比例曝光，曝光区域（Exposure Field）26×33mm。优点：增大了每次曝光的视场；提供硅片表面不平整的补偿；提高整个硅片的尺寸均匀性。但是，同时因为需要反向运动，增加了机械系统的精度要求。

【相关信息】半导体设备国产化五大难点怎么破？

作为我国实施制造强国战略第一个十年的行动纲领，《中国制造2025》对于半导体设备国产化提出了明确要求：在2020年之前，90~32纳米工艺设备国产化率达到50%，实现90纳米光刻机国产化，封测关键设备国产化率达到50%。在2025年之前，20～14纳米工艺设备国产化率达到30%，实现浸没式光刻机国产化。到2030年，实现18英寸工艺设备、EUV光刻机、封测设备的国产化。

从产业链各环节国产化的难度来看，设备>制造>封装>设计是不争的事实。不过，近期国内各地已刮起一阵大上半导体晶圆制造产线的东风。我国设备业能否抓住这难得的契机，一举实现《中国制造2025》的既定目标?

国产设备到底差在哪?

中国半导体行业要实现从跟踪走向引领的跨越，装备产业将是重要环节。国内半导体设备龙头企业北方微电子副总裁纪安宽认为，发展国产半导体装备具有重要战略意义，半导体设备国产化将大幅降低中国芯片制造商的投资成本，提高中国芯片制造竞争力。

但由于半导体设备对本土企业存在着很高的进入门槛，目前国产化率较低。“半导体设备研发周期长，投资额大且风险高，而且越先进的制程工艺设备造价越高，比如一台ASML的光刻机动辄就是4千万～5千万美元。”纪安宽表示，“即使研发成功也较难打入国际大厂的供应链。”

从产业链的角度来看，先不说技术难度，单论各环节在中国的适应性，即是设计<封装<制造<设备和材料。行业专家莫大康认为，发展设备业之所以最为困难，除了资金、人才等问题，最关键是使用量太少。

莫大康曾在全球最大的半导体设备企业——美国应用材料公司供职多年，他从五个方面总结了半导体设备国产化的难度：

一是半导体设备市场已日趋专业化和全球化。当下，全球设备业通过兼并、淘汰，在每个细分市场中仅剩下1～2家、至多3～4家企业，竞争十分激烈，如光刻机领域ASML一家独大，且均面向全球市场。反观国内企业，基础较弱，有能力切入海外市场的很少。

二是半导体设备的独特地位。上世纪80年代末期开始，半导体设备企业开始把工艺能力整合成在设备中，让用户买到设备就能保证使用，并且达到工艺要求。因此有一代器件，一代设备之说。这是半导体设备如此昂贵的原因，也是对国内企业的极大挑战。

三是由于出货数量少，设备企业难以负担工艺试验线的费用。为此，国内只能采取对下游制造企业进行补贴，利用制造企业的产线帮助设备企业进行试验的办法，这种方式显然多有掣肘。一台设备从研发、样机开始，必须经过大量硅片通过等工艺试验，才能发现问题，并进行改型。这样的过程要重复多次，改型多次，才能最后定型。并且出厂前要经过马拉松试验，测算平均无故障时间等。

四是韩国和我国台湾地区也曾致力于设备国产化，但成效不大，目前全球市场主要仍被美国和日本企业掌控，这也从侧面体现了难度。

五是设备业需要产业大环境配合。从成本构成来看，表面上我国设备企业和国外企业相差不大，如关键零部件都是采购而来，人员和管理费用也相仿，但是实际上，产业大环境却十分不同。比方说，西方的股权激励制度更为灵活，员工积极性高;同是采购零部件，我国企业因为是进口，所以要承担税费，而且有些零部件订货需要出口许可证;因为订货量相对小很多，采购价格高;产业配套条件不同，如实现某些设计验证国内企业要花更高的成本;缺乏人才等。

“实际上，国产设备的设计水平和国际水平相差并不大。” 莫大康强调，“严格来说，真正的差距在于，国产半导体设备尚处在样机阶段就交给客户，这就会导致经常宕机，因此不太可能一上来就用在量产中，否则将会影响生产线运行。”

实现目标难点在哪?

“《中国制造2025》目标明确，完成的难度也很大。”行业分析师林建宏表示。

设备是投资晶圆厂所需金额最高的部分，而光刻机通常被视为晶圆厂最大的产能瓶颈，也就是微缩工艺的核心设备。林建宏认为，对于新设备来说，打入已存在市场的障碍相对较低，这也是《中国制造2025》针对90～40nm做为其首要目标的原因。当然，替代产品除了最基本的性能要求外，包括在空间外型、产能等方面都需要与既有的产品100%替代。如果发生任何意外，就会导致全厂的停产。

这样一来，通过先取代旧产线的设备，再打入新投入量产的工厂，机会相对更大。但据林建宏分析，尽管目前我国已宣称将投入和已动土的12英寸厂超过10座，但是这些厂预计在2018年都将实现量产，从时间上来看，我国自主的光刻机在时程上要打入这些工厂，存在相当高的难度。

2020年或许还将有新的产能投入，但因中国晶圆制造在国际上尚属在追赶中的状况，所以按理来说，扩产时也会采用复制先前设备(即2018年前已采用并在量产的设备)的方式，以确保能在时间最短、变量最少、研发投资最节省的状况下完成扩产。

“换言之，光刻机厂商要在2020年有成果，最慢在2017年就必须具备量产能力，且要有被晶圆厂导入使用的实绩。”林建宏强调。

具体来看，实现国产化目标的难点在哪里?林建宏进一步分析道，任何设备厂商要打入晶圆制造领域，除专利、人力资源外，还至少要面对三个难关：验证机台的性能、量产实绩以及客户端的熟悉程度。第一点勉强可在设备商的厂房中完成。第二点是最困难的部分，如何在没有量产实绩下，找到第一家愿意采用的客户?第三点实际上说的是客户的使用成本。假设客户已经有了20台ASML的设备，那就表示客户的流程工程师已经十分熟悉设备的状况、性能与使用方法;设备工程师知道如何维修与处理简单的意外情况;能保持备用零部件的成本较低;设备商在各厂的经验，可以快速地累积，成为解决客户问题最佳的支持。

“说白了，对于量产实绩、生态系统支持等问题而言，并不能通过财务补助、人才挖角的方式来取得突破。”林建宏坦言。

迎难而上如何突破?

从这两年的全球半导体并购大潮来看，实现国产化目标的最简单办法似乎就是兼并收购。“最快的途径是从市场上已有公司购买专利，实现技术转移。”林建宏表示，“但产业需要落地生根，本地相关人才的培育，以及相关材料、控制、精密机械、光学设计等都需要配套规划。”

和设计、封装、制造环节不同，国内半导体设备业的基础最为薄弱。纪安宽认为，与其他环节存在国际领先者不同，半导体设备制造行业市场格局分散，中高端市场几乎完全被国外垄断，因此行业整合的难度也很大。

既然收购也很难实现，那么只能努力缩小差距。上文提到，国内设备的真正差距在于产线上的验证不足。林建宏表示，新产品与设备需要有能进行大量试验的场所。设备的制造知识、专利、人才等可以买入，但是设备的生产力需要时间认证。特别是光刻机是晶圆制造的核心竞争力，一旦买错设备，对晶圆制造商而言，就表示整厂投资的失败。不仅是高额的资金成本，更重要的重新买入设备要损失6～9个月的时间成本，这样失去的客户与市场地位，是没有厂商能够承担的。

退一步说，即便通过资本运作买入了合适的公司，或是自行研发取得了不错的成果，也仍然需要由科研院所等相关机构先导入设备进行试验，虽然是研究性质，但可大量制造生产，来做为相关设备厂商推广设备的第一步。对于晶圆制造商来说，国家方面也应配合有好的奖励措施。一方面要覆盖制造商导入相关设备的前期研究的成本，另一方面有了量产成绩后，也要做好相关奖励。

与此同时，还需要协助光刻机厂商验证设备的量产性，让光刻厂商有数据证明其量产能力。并兼顾光刻机对晶圆制造商在生产上的重要性与降低晶圆制造商采用的风险。这样一来，设备国产化的相关政策方能更加顺利地推动。

完善国产设备的验证环境，也是莫大康反复强调的：“首先要建好工艺试验线，资金及承担要另想办法。其次要实现关键零部件的国产化，有计划地扶持并推动量产。实际上，许多关键零部件并非仅用于半导体设备，还可广泛应用于其他工业领域。最后，我国半导体企业一定要有争创世界一流水平的信心与勇气，要有进入全球市场的决心。”

面临难得的产业发展机遇，实现半导体设备国产化需要产业链各环节以及大环境的配合。据纪安宽介绍，北方微电子作为高端半导体装备及工艺解决方案提供商，在部分领域已有一定的技术突破，并取得了较高的市场占有率，但与国际厂商相比仍有差距。纪安宽建议，一方面应加强设备零部件国内供应链的培养，另一方面产业链需要配合创立一个适合后来者生存的发展环境。要有鼓励设备使用方(包括我国大陆的外资厂商)采购国产设备的有效措施的落地。