光刻机是半导体制造环节的核心设备
最近，随着晶圆制造商巨头发布了价格上涨通知，芯片价格上涨已成为一种趋势。价格上涨被认为是半导体行业的高繁荣信号，但其主要驱动力仍来自半导体市场长期存在的困境——缺乏核心。为什么半导体的生产能力有限？中国的半导体行业应该如何提高其生产能力？
01
光刻机供不应求，研发难，量产难。
半导体供应紧张的最大原因之一是设备短缺，光刻机是最重要的。光刻机是制造芯片BC817-40的关键前路设备之一。其主要功能是将芯片设计公司制作的电路图缩小并打印在硅晶圆上，用于刻蚀机。
具体来说，它的工作过程可以分为两个步骤：第一个是光源通过绘制电路图的覆盖到达地图收缩镜头。在这个过程中，由于部分光源被覆盖，地图收缩镜头上会出现曝光区域和未曝光区域；然后，曝光区域的光源通过地图收缩镜头到达覆盖了一层光刻胶的硅片，与光刻胶反应，并配合涂胶显影设备将电路图纸缩小到硅片上。
随着芯片技术的技术，电路设计图纸变得越来越精细和复杂，光刻机所需的光刻机精度越来越高，光刻机的技术要求、生产成本和生产难度都急剧上升。到目前为止，世界上仍然很少有制造商能够独立开发和制造光刻机。光刻机供应紧张，但它是制造芯片不可缺少的设备，因此大大限制了半导体的生产能力。
02
半导体产能不确定风险上升，市场过于集中。
目前，光刻机主要用于光源波长，分为DUV（深紫外光源）光刻机和EUV（极紫外光源）光刻机两种，是目前为止最先进的光刻机类型，用于生产高端芯片。
然而，目前世界上唯一的光刻机供应商ASML(ASML.US)，该供应商总部位于荷兰，可以制造EUV光刻机。也就是说，目前最高端芯片的制造完全受制于ASML公司。一旦公司的任何环节出现问题，全球高端半导体供应链就会受到影响。
事实上，在整个光刻机市场中，ASML凭借其技术优势占据了市场高点。目前，光刻机市场非常集中。ASML、Canon(CAJ.N)和Nikon(NINOF)的三家制造商几乎垄断了光刻机的供应。其中，ASML的市场份额接近80%，以2021年光刻机的销售为基准，是光刻机行业无疑的巨头。几乎头。几乎所有的全球晶圆OE制造商都在从ASML购买光刻机。
03
光刻机供应方面的问题对中国来说更为严重。
由于光刻机的研发难度较大，我国光刻机设备严重依赖进口，自产率极低。根据ASML业绩报告会上的数据，中国大陆市场在第一季度的收入比例达到34%，是光刻机设备最大的销售市场。根据海关数据，2021年中国半导体器件或集成电路的步行重复光刻机进口约为11.4亿美元，而贸易逆差为11.1亿美元，自产率极低。
如此高的依赖性使我国的半导体制造环节非常容易被控制，而《瓦森纳协议》则使这种状况具体化。《瓦森纳协议》针对我国半导体行业提出了一些技术禁运规定，而光刻机作为半导体制造环节的核心设备，是受控最严格的一部分。由于《瓦森纳协议》的控制，我国无法购买最先进的EUV光刻机等半导体制造设备，这也导致我国无法生产高端芯片。
中芯国际是2018年中国最大的国内晶圆代理工厂，已向ASML订购了一台EUV光刻机，但由于瓦森纳协议的禁售要求，该机仍未能交付。如果使用DUV光刻机制造7nmm工艺的高端芯片，则需要多种曝光技术，这将大大提高芯片的生产成本。因此，中芯国际目前只能大规模生产中低端芯片，高端芯片生产能力紧张的原因可想而知。
04
虽然有希望，但道阻且长，光刻机的国产化。
上述技术禁令使中国不得不独立开发光刻机。然而，由于对技术的高需求和一些专利的限制，中国独立开发光刻机的水平仍然远远落后于世界上最先进的水平。目前，中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工艺的芯片，但远不如ASML生产5nm工艺芯片的EUV光刻机。传言中，截至2022年5月，将于2022年交付的28nm工艺浸入式光刻机没有明确的消息。自主开发光刻机的过程似乎遇到了瓶颈。
然而，仍然有一些好消息。例如，2018年中国的超级分辨率光刻设备项目通过国家验收，该设备仅使用365nm光源就可以达到22nm光刻分辨率。
在此之前，传统的光刻机使用透镜进行缩小印刷，因此在成像过程中必然存在限制光刻分辨率的衍射极限。为了提高光刻的分辨率，有必要使用较短波长的光源或增加数字孔径，但这两种方法都很难实现，而且研究成本非常高。
超分辨率光刻设备采用表面等离子体波光刻，绕过衍射极限的限制，达到提高光刻分辨率的目的，所以22nm的分辨率可以通过长波长的光源达到。虽然它暂时不能用于芯片制造，因为它不能处理复杂的电路，但它提供了另一种方法来提高光刻的精度，并为中国光刻机研发的技术路径提供了另一种可能性。
然而，应该注意的是，超级区分光刻设备的成功已经过去了三年。是否可以通过改进进入芯片制造环节还有待讨论。表面等离子体波光刻技术的研发过程尚未披露，光刻机的国产化还有很长的路要走。在此期间，中国半导体行业的产能仍将受到高端设备禁售协议的限制。
05
小结：
总之，限制半导体生产能力的主要因素之一是光刻机供应紧张。高生产难度导致市场集中度高，导致垄断，垄断市场巨头增加了整个半导体供应链的不确定性风险，加剧了半导体供需之间的失衡。虽然中国正在努力开发光刻机，以实现光刻机的本地化，提高设备的自我生产率，但技术突破需要长期积累和足够的研发资本投资，还有很长的路要走。
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