近日，三星電子傳來漲價消息，預計將在下半年對晶圓代工價格提高15％至20％，以應對原材料價格上漲和疫情影響下物流成本提高帶來的壓力。此前，臺積電也已通知客戶，將于2023年起全面提高晶圓代工價格5％至8％。
隨著晶圓代工廠巨頭陸續發出漲價通知，芯片漲價又成趨勢。漲價被視為半導體行業的高景氣信號，但其主要驅動力還是來自目前半導體市場持續已久的困境——缺芯。半導體產能因何受限？我國半導體行業又該如何提高產能？
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研發難，量產難，光刻機供不應求
半導體供應緊張的最大原因之一在于設備的緊缺，其中又以光刻機為最。光刻機是制造芯片的關鍵前道設備之一，主要功能就是將芯片設計公司制出的電路圖縮印在硅晶圓上，以供刻蝕機刻印
具體而言，它的工作流程可分為兩步：首先是光源通過繪制了電路圖的掩膜到達縮圖透鏡，這一過程里由于部分光源被掩膜阻擋在縮圖透鏡上會出現曝光區和未曝光區；而后，曝光區的光源經由縮圖透鏡抵達覆蓋了一層光刻膠的硅片上，與光刻膠產生反應，配合涂膠顯影設備使電路圖縮印到硅片上。
集成電路光刻／刻蝕主要步驟
圖片來源：張汝京《納米集成電路制造工藝》
隨著芯片工藝的先進化，電路設計圖日益精細和復雜，所需要的光刻精度也就越來越高，研發光刻機的技術要求、生產成本和生產難度都直線上升。迄今為止，世界上能自主研發和制造光刻機的廠商依然寥寥無幾，光刻機供應緊張，但它又是制造芯片不可或缺的設備，因此極大程度上限制了半導體產能。
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市場過于集中，半導體產能的不確定風險上升
目前，晶圓代工廠主要使用的光刻機按光源波長分有DUV（深紫外光源）光刻機和EUV（極紫外光源）光刻機兩種，后者波長相對較短，光刻精度較高，是迄今為止最先進的光刻機類型，用于生產高端芯片。
然而，現階段世界上只有總部位于荷蘭的光刻機供應商ASML（ASML．US）能夠制造出EUV光刻機，這也就是說，最高端芯片的制造目前完全受制于ASML這一家公司，一旦公司任何一個環節出現問題，全球的高端半導體供應鏈都會受影響。
2021年度全球半導體光刻機銷售情況
其實，在整個光刻機市場，ASML都憑借其技術優勢占據了市場高地。目前光刻機市場非常集中，ASML、Canon（CAJ．N）和Nikon（NINOF．F）三大廠商幾乎壟斷了光刻機供應，其中，以2021年光刻機的銷售額為基準，ASML的市場占有率將近80％，是光刻機行業毋庸置疑的巨頭，幾乎全球的晶圓代工廠商都在向ASML購買光刻機。
然而，這樣旺盛的市場需求真的能得到滿足嗎？答案自然是不能。ASML在2022Q1業績說明會上表示，他們的光刻機設備供應無法滿足當下市場需求，就DUV光刻機而言，ASML目前僅能滿足60％的DUV光刻機訂單需求，訂單積壓嚴重，預計到2024年才能逐漸完成積壓訂單。上游設備的供不應求使得下游晶圓代工廠擴產嚴重受阻，不斷延長的設備交付周期延長也提高了生產成本，進一步讓半導體產能加緊。
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對中國來說，光刻機供給方面帶來的問題更加嚴重
由于光刻機研發難度大，我國光刻機設備嚴重依賴進口，自產率極低。ASML業績說明會上的數據顯示，中國大陸市場在該公司第一季度的收入占比達到了34％，是光刻機設備的最大銷售市場。海關數據顯示，2021年我國制半導體器件或集成電路用的分步重復光刻機進口額約為11．4億美元，而貿易逆差則達到11．1億美元，自產率極低。
如此高的依賴程度讓我國的半導體制造環節很容易處于受控狀態，而《瓦森納協議》則讓這一狀態具象化?！锻呱{協議》針對我國半導體產業提出了多個技術禁運條款，而光刻機作為半導體制造環節的核心設備，是受管控最為嚴格的部分。由于《瓦森納協議》的管控，我國無法購買EUV光刻機這類最先進的半導體制造設備，這也就導致了我國無法生產高端芯片。
2018年我國最大的國產晶圓代工廠中芯國際（00981．HK）向ASML訂購了一臺EUV光刻機，但該機器至今仍然由于《瓦森納協議》的禁售要求而沒能交付。而若使用DUV光刻機制造7nm制程的高端芯片則需要多重曝光技術，將大大提高芯片生產成本，因此中芯國際目前只能大規模生產中低端芯片，高端芯片產能緊張的原因可想而知。
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光刻機的國產化雖有希望但道阻且長
前面提到的技術禁運讓我國不得不自主研發光刻機，但由于技術需求過高以及部分專利的限制，我國自主研發光刻機水平離世界最先進水平還有很大差距。目前，我國最先進的光刻機是上海微電子研發制造的SSA600／20，適用于生產90nm制程的芯片，但遠不如ASML適用于生產5nm制程芯片的EUV光刻機。而傳聞中將在2022年交付的28nm制程浸入式光刻機截止到2022年5月都沒有確切消息，光刻機自主研發進程似乎遭遇了瓶頸。
上海微電子600系列產品主要參數
（圖片來源：長城國瑞證券研究所）
不過，好消息還是有的。比如2018年我國的“超分辨光刻裝備項目”通過國家驗收，這一裝備僅用365nm的光源就可使光刻分辨率達到22nm。
此前，傳統光刻機使用透鏡進行縮印，在成像過程中就勢必存在衍射極限，限制光刻分辨率。而若要提高光刻分辨率就需要使用波長更短的光源或增加數值孔徑，但這兩個方法的實現難度都非常大，研究成本極高。
超分辨光刻裝備利用表面等離子體波進行光刻，繞開衍射極限的限制，達到提高光刻分辨率的目的，因此用波長較長的光源便可達到22nm的分辨率。雖然它由于無法應對復雜電路而暫時不能用于芯片制造，但卻為提高光刻精度提供了另一種方法，為我國光刻機研發的技術路徑提供另一種可能。
然而也需要注意到，超分辨光刻裝備的成功已過去三年，究竟是否可以通過改進投入到芯片制造環節還有待商榷，表面等離子體波光刻技術的研發進程仍未公開，光刻機國產化依然有很長的路要走，而這期間我國半導體行業的產能仍將受限于高端設備的禁售協議。
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結語
總而言之，光刻機供應緊張是限制半導體產能的主要因素之一， 高生產難度導致了高市場集中度以至于出現壟斷，而壟斷市場的巨頭讓整個半導體供應鏈的不確定風險增加，加劇半導體供需失衡。雖然我國在努力研發光刻機，以期實現光刻機的國產化，提高設備自產率，但是技術的突破需要長時間的積累和充足的研發資金投入，自主研發前路漫漫。
