中国半导体行业的自主突破与全球竞争力重塑

近日，工信部发布了《首台(套)重大技术装备推广应用指导目录(2024年版)》，其中显示中国已攻克氟化氩光刻机，标志着我国深紫外光（DUV）光刻机技术迈入新的发展阶段。光刻机作为集成电路产业皇冠上的“明珠”，不仅是制造手机、电脑等电子芯片的关键设备，更是国家高端工业制造能力的综合体现。长期以来，该技术主要被荷兰、美国等少数发达国家掌握，随着国际形势的风云变幻，中国在该领域的发展一直受到外部因素的制约。此次技术突破意味着什么呢？这里我们聊一聊光刻机的故事。

首台(套)重大技术装备推广应用指导目录(2024年版)

一、基本原理

光刻机是将光线通过光刻掩模投射到涂有光刻胶的硅晶片上，从而在晶片表面形成所需的微细图案，主要包括光源、光学系统和掩模对准系统。其工作过程包括：

1. 光刻掩模：光刻掩模是一个包含微细图案的透明板，通常由石英等光学材料制成，掩模上的图案与待转移到硅晶片上的电路设计图一致。
2. 曝光：光刻机通过一个精确控制的光学系统将掩模上的图案投射到涂有光刻胶的晶片上，光线通过掩模上的透明部分照射到光刻胶上，形成与掩模图案相对应的光刻胶图案。
3. 显影：对曝光后的晶片进行显影处理，去除光刻胶中未被光照射到的部分，从而显现出在光刻胶上的图案。
4. 蚀刻：显影后的晶片会进入蚀刻过程，此时通过物理或化学手段去除晶片表面未被光刻胶保护的区域，形成最终的图案。
5. 去胶：蚀刻完成后，剩余的光刻胶会被去除，留下最终的电路图案。

光刻机基本结构

二、国外发展历程

光刻机的发展历程是半导体技术演变的重要组成部分，涉及到从最初的简单图案转移到极其复杂的集成电路制造。国外在该领域的起步较早，主要包括如下部分：

1. 早期阶段（1960s-1980s）

光刻机最早起源于20世纪60年代，最初以Nikon 和 Canon 等公司研制的接触式紫外光（UV）光刻机为主，该设备使用汞灯作为光源，波长约为365 nm而分辨率有限。该工艺存在掩模和晶圆接触引起的污染和损伤等问题，从而影响生产稳定性。

到了70年代，为了降低接触式光刻的缺点，ASML等公司开发了近接式光刻机，采用了更高质量的光学系统和掩模技术，提高了图案分辨率。由于掩模和晶圆之间保持一定的距离，减少了直接接触带来的问题，提高了生产稳定性。

2. 投影光刻阶段（1980s-1990s）

到时80年代，ASML所主导步进式光刻机的出现标志着光刻技术的重大进步，逐渐实现了从0.8 µm到1.0 µm的技术突破，推动了半导体工业的蓬勃发展。通过将光学系统分成多个区域并逐步对准，减少了对掩模的需求，提高了生产效率和分辨率。

90年代后，ASML推出了扫描式光刻机，在光刻过程中使用了扫描掩模、晶圆、浸没式光刻等技术，通过在光刻胶和光学系统之间引入水等液体，进一步提高了分辨率和生产效率。

3. 高分辨率阶段（2000-至今）

21世纪初期Nikon和Canon研制了深紫外光（DUV）光刻机，波长约为193 nm，常用氟化氙（XeF₂）或氟化氩（ArF）作为激光光源。适用于90nm及以上技术节点，常用于制造中高端芯片。通过采用多层膜掩模和光学系统，在较小的技术节点上依然具有较高的分辨率。

2010年以后，紫外光（EUV）光刻机的出现将光刻机制造推向了另一个高潮，此时ASML逐渐成为该领域的主要供应商。此类光刻机波长为13.5 nm，使用高能激光等离子体产生的极紫外光作为光源。主要用于7nm及以下技术节点设计，能提供更高的分辨率和更小的图案尺寸。

国外光刻机的发展历程

三、我国发展历程

中国光刻机的发展历程可以划分为几个关键阶段，反映了中国在半导体制造设备领域技术进步和自主创新能力的不断提升。主要历程包括：

1. 起步阶段（1960s-1990s）

20世纪60年代：中国开始涉足半导体产业，但由于技术水平较为基础，光刻机技术也较为落后。此时半导体设备主要依赖进口，缺乏独立研发能力。

1965年：中国科学院研制出65型接触式光刻机，标志着中国开始自主研发光刻机技术。

1977年：我国最早的接触式光刻机—GK-3型半自动光刻机诞生，标志着中国在光刻机领域取得了初步成果。

1980年代：国内高校和科研机构在光刻机技术方面取得了显著进展，如清华大学在1980年成功研制第四代分步式投影光刻机，光刻精度达到3微米，接近国际主流水平。

2. 缓慢发展阶段（1990s-20年代初）

90年代初：尽管中国加大了对半导体行业的投入，但光刻机等关键设备依然依赖进口。国内普遍存在“造不如买”的思想，导致自主研发进展缓慢。

1991年：中科院光电所研制出分辨率1微米同步辐射X射线光刻机，进一步提升了中国光刻机的技术水平。

1994年：中电科45所研制出g线0.8微米分步式投影光刻机，标志着中国在分步投影光刻机领域取得了新进展。

3. 快速发展阶段（2000年代初至今）

2002年：上海微电子装备有限公司（SMEE）成立，并承担了“十五”光刻机攻关项目，标志着中国光刻机研发重新被国家所重视。

2008年：国家成立“极大规模集成电路制造装备及成套工艺专项”（02专项），将ASML的EUV技术列为下一代光刻技术重点攻关的方向，计划在2030年实现EUV光刻机的国产化。

2016年：上海微电子量产90纳米、110纳米和280纳米三种光刻机，标志着中国在中低端光刻机市场取得了一定成果。

2023年：中国科研团队在光刻机技术上取得了历史性突破，独立开发了第一台光刻机，这是国家自力更生的体现，也是技术上的重大胜利。

2024年：工信部发布中国DUV光刻机可实现套刻精度优于8nm，预示着中国半导体制造业的强势崛起。

上海微电子装备SSB300光刻机

四、战略意义

1. 技术自主创新能力的提升

DUV光刻机是半导体制造中的关键设备，其技术难度高、研发周期长。中国在这一领域的突破，标志着我国在光刻技术上的自主研发能力得到了显著提升。长期以来，我国在高端光刻机领域主要依赖进口，面临技术封锁和供应链安全的风险。此次突破也有助于减少对外部技术的依赖，提升我国半导体产业链的自主可控能力。

2. 产业链安全与发展

DUV光刻机的研发和生产涉及多个领域，包括光学、精密机械、电子、材料等。此次突破将带动相关产业链的发展和完善，提升整个半导体产业的竞争力。此外，随着国内半导体产业的快速发展，对高端光刻机的需求不断增加。国产DUV光刻机的突破将满足市场需求，促进半导体产业的持续健康发展。

3. 经济效益与社会影响

光刻机是半导体产业的核心设备之一，其市场规模巨大。国产DUV光刻机的突破将带来新的经济增长点，推动相关企业的快速发展和壮大。而光刻机技术的研发和生产需要大量高素质人才。此次突破将促进相关领域的就业和人才培养，为我国的科技创新和产业升级提供有力支撑。

4. 国际地位与影响力

中国在DUV光刻机领域的突破将提升我国在全球半导体产业中的地位和影响力。将有助于我国在国际舞台上发挥更大的作用，推动全球半导体产业的合作与发展。随着技术的不断进步和市场的不断扩大，中国将与其他国家和地区在半导体领域开展更加广泛的合作与交流，有助于共同推动全球半导体产业的进步和发展。

高端芯片

此次DUV光刻机的突破只是起点，未来我国将继续加大在半导体领域的研发投入，推动技术持续创新。随着芯片制造工艺的不断进步，对光刻机的精度要求也越来越高。相信我国将努力提升光刻机的精度和稳定性，开发出更加先进的光刻机设备，为高端芯片制造工艺提供支持。