产业竞争力报告④“三分天下”格局，中国光刻机产业如何突围

光刻机被誉为“半导体工业皇冠上的明珠”，是集成电路制造行业的核心设备。根据2020年国民经济和社会发展统计公报，2020年中国集成电路产量为2614.7亿块，较2019年同比增长29.6%，2016-2020年年均复合增速为18.7%，中国已成为全球规模最大、增速最快的集成电路市场。2020年集成电路进口量为5435亿块，较2019年同比增长18.8%，这表明中国集成电路市场对外依存度处于较高水平。

光刻机的技术决定了集成电路的高度。因此，芯片制造以及背后的光刻机技术成为了美国对华科技封锁的缩影。目前，光刻机市场是典型的“三分天下”格局。（ASML）、尼康（Nikon）、佳能（Canon）市场占有率超过90%，是典型的寡头垄断市场，而ASML更是垄断最高端的极紫外（EUV）光刻机市场。光刻设备对光学技术和上游供应链的要求非常高，光刻机技术是全球化带来技术进步的结果，无明显的政府干预手段，这充分表明光刻机产业的垄断性并非如供水、供热等市政公用行业的区域性、局部市场的自然垄断，而是全球性的自然垄断，其垄断性质更强。 

光刻机全球产业链分析

（一）光刻机行业龙头企业分析

目前，高端光刻市场已经被荷兰的ASML完全占领。由于技术水平不足，Nikon和Canon在7nm及以下制程芯片的制造能力已落后于ASML。当前，技术最为先进的是ASML研发出的EUV光刻机，能够适配7nm到5nm制程芯片的设计制造。Canon将其业务重点放在中低端的光刻机市场，主要制造封装光刻机、LED光刻机和面板光刻机。Nikon则处于追赶ASML的状态，Nikon的光刻机范围广泛，从采用独特的多镜头投影光学系统处理大型面板到制造职能设备中的中小型面板，充分发挥了其在面板（FPD）光刻方面的比较优势。目前，Nikon仍然主推ArF浸没式技术，EUV技术的运用尚不成熟，光刻工艺距离ASML仍有不小差距。光刻机三大公司技术现状如表1所示。整体上，Nikon和Canon主要占据中低端市场。

表1  光刻机三大公司技术现状

资料来源：根据各公司官网整理

从全球光刻机市场份额来看，2020年ASML、Nikon和Canon分别占据全球光刻机市场84%、7%、5%，合计市场份额约96%。从销售量的变化趋势来看，2017-2020年，三家企业光刻机销量由294台增加至413台，年均复合增长率约12%；ASML销售量的市场份额由67%下降到62%，Nikon由13%下降至8%，而Canon则由20%提高至30%（见图1）。

图1  2015-2020年三大光刻机公司按销售量的市场份额（%）
资料来源：根据各公司2020年财务年报整理 

（二）光刻机行业产业链分析

光刻机的生产制造极为复杂，从产业链来看，上游产业链主要包括测量台与曝光台（双工件台）、激光器、光速矫正器、能量控制器、光速形状设置、遮光器、能量探测器、掩膜版、掩膜台、物镜、内部封闭框架和减震器等11个模块的组件。上游最为核心设备分别为光学镜头、光学光源和双工件台。光刻机行业的下游主要是圆晶代工企业，下游主要决定了光刻机市场的需求。

从上游光学镜头来看，全球仅有三家公司可以生产光刻机的光学镜头，分别为德国的卡尔蔡司（Carl Zeiss）、日本的Nikon和Canon。卡尔蔡司是光学及光电子学领域的绝对权威，用于第五代高端EUV光刻机的光学镜头仅有卡尔蔡司具备制造能力，长期为ASML生产的光刻机提供高效能光学镜头。Nikon主打生产AF尼克尔、AF变焦尼克尔、DX系列等大光圈广角系列镜头，在光刻机领域主要用于自家生产的ArFi和ArF高端光刻机。Canon主要生产EF系列、TS-E、MP-E等系列的光学镜头，大量应用于医学技术、测量系统、眼镜镜片、相机等领域，在光刻机领域主要应用于i-line光刻机。

从上游光源来看，光刻机要求体系小、功率高而稳定的光源，因此光源是高端光刻机的另一核心部件。最高端的EUV光刻机所用的光源为激光等离子光源，而目前仅有美国公司Cymer和日本公司Gigaphoton能够生产。Cymer是世界光源制造的领军企业，占据市场份额超过70%。

双工件台虽然仅是一个加工台，但是技术难度却不容小觑，对工件台转移速度和精度要求极高，在高速运动下需达到2nm的运动精度，它的定位精度也直接影响了光刻出来的硅片质量。2001年ASML推出了Twinscan双工件台系统，使得光刻机能在一个工件台进行曝光晶圆片，同时在另外一个工件台进行预对准工作，并在第一时间得到结果反馈，生产效率提高大约35%，精度提高10%以上。

从下游圆晶代工企业来看，全球圆晶代工市场呈现“一超多强”现状。2020年，台积电以56%的市场占有率处于绝对领先地位，三星和联电分列第二、第三，中芯国际位列第五。从制程工艺来看，领先工艺（5nm-7nm）目前占据25%左右的市场份额，主要用于CPU、GPU等超大规模逻辑集成电路的制造。2017-2020年，全球圆晶代工行业市场规模由601亿美元增长至928亿美元，年均复合增长15.6%。随着人工智能、物联网、5G等产业的快速发展，各行业对芯片的需求呈爆发式增长，高端光刻机仍将长期供不应求。 

中国光刻机产业链与相关产业政策 

（一）产业发展与产业链布局

中国多年来积极推动芯片产业链的国产化，但受制于该技术的高壁垒，用于生产芯片的光刻机成为中国半导体设备制造的最大短板。目前，中国光刻机相关的制造业尚不具备完全自主研发光刻技术的能力，美国通过长臂管辖限制中国光刻机领域的发展，一些技术领域长期被“卡脖子”，这使得中国未来需要继续走独立自主的光刻机技术研发路线，中国半导体产业建立起一套完善的“去美国化”的芯片产业链成为实现技术突破的必然选择。在国家相关政策的大力支持下，中国光刻机产业链在一些领域已经实现了从0到1的突破，初步打破国外巨头完全垄断的局面，为中国在光刻机产业链实现直线追赶提供了契机。

在光刻机产业链上游，中国初步突破了光刻机的三大核心子系统：①在双工件台方面，华卓精科打破了ASML在光刻机工件台上的技术垄断，成为世界上第二家掌握双工件台核心技术的公司。华卓精科在光刻机双工件台技术上的突破，也为中国自主研发65nm至28nm 双工件干台式及浸没式光刻机奠定了基础，成为生产国产光刻机的上海微电子的唯一工件台提供商。②在光源方面，中国科益虹源公司自主研发设计生产的首台高能准分子激光器，以高质量和低成本的优势，填补中国在准分子激光技术领域的空白，打破国外厂家对该技术产品长期市场垄断局面，其已完成了6khz、60w主流ArF光刻机光源制造，也是上海微电子即将交付的28nm光刻机的光源制造商；福晶科技生产的KBBF晶体属于激光设备的上游关键零部件，KBBF晶体是目前可直接倍频产生EUV激光的非线性光学晶体，用于建造超高光分辨率光电子能谱仪、光刻技术等前沿领域。③在光学镜头方面，奥普光学提供的镜头可以做到90nm，但是与卡尔蔡司、Nikon等公司还有非常大的差距。

在光刻机整机生产（中游）方面，上海微电子是国内技术最领先的光刻设备厂商，主要产品是SSX600系列步进扫描投影光刻机，可满足集成电路前道制造90nm、110nm和280nm光刻工艺需求，可用于8寸线或12寸线的大规模工业生产。上海微电子预计在2021-2022年交付第一台28nm制程工艺中国沉浸式光刻机，中国光刻机将从90nm一举突破28nm工艺，标志着低端芯片生产用光刻机的产业链即将实现国产化。上海微电子芯片后道封装领域光刻机在国内市场占有率高达80%，全球市场占有率达到40%。在美国对华为进行“全方面打压”的背景下，上海微电子国产光刻机的重大技术突破不仅能够解决芯片代工被限制的问题，打破国外企业对于集成电路前端光刻机市场的长期垄断，而且能够覆盖更为广阔的市场需求。尽管相比目前占据主流的中高端芯片5nm、7nm以及14nm制造工艺仍存在相当大的距离，但随着国产技术工艺的不断精细成熟，长期来看实现技术的追赶并非不可能。

在光刻机产业链下游，中芯国际是全球领先的集成电路晶圆代工企业之一，中国大陆技术最先进、规模最大、配套服务最完善的专业晶圆代工企业，主要为客户提供0.35微米至14nm多种技术节点、不同工艺平台的集成电路晶圆代工及配套服务。在逻辑工艺领域，中芯国际是中国第一家实现14纳米FinFET量产的晶圆代工企业，代表中国大陆自主研发集成电路制造技术的最先进水平。中芯国际受至于美国出口管制条例，在28nm-14nm制程工艺领域份额较小，而收入主要在28nm以上制程工艺，但随着中心国际技术成熟和产能扩张，未来有望将进一步提高28nm以下制程工艺份额，加速抢占14nm制程领域份额。国产光刻机产业链见表2所示。

表2  国产光刻机产业链

资料来源：作者整理

（二）中国的光刻机产业政策

政府对光刻机以及整个集成电路产业链的重视程度越来越高。“十三五”规划开局之年，国务院下达《国家信息化发展战略纲要》，强调在政策层面推动集成电路生产的薄弱环节实现根本性突破。此后的多个重磅政策文件中，政策的扶持力度逐步得到加强。

政策扶持的重点并非一成不变，中国的产业政策根据中美科技战、贸易摩擦进行调整，在鼓励芯片自主研发大方向不变下，产业政策的扶持方向从注重定点的薄弱环节技术扶持逐步向技术研发体系的全方位支持。

进入“十四五”时期，中央政府强调打造先进制造业产业集群，标志着产业政策的支持从单点支持转向行业发展全局角度的支持（见表3）。以芯片产业国产替代为目标，行业生产的标准化提上日程。2021年1月，工业和信息化部科技司发布公告成立首个全国集成电路标准化技术委员会，旨在完成集成电路产业标准相关的起草工作，推广集成电路质量评价和软件开发成本度量规范。委员单位包括上游龙头企业、终端应用企业以及研究机构。该组织成立前，中国集成电路仅仅是制造业中的一个细分产品类目，并非形成规范的产业标准，国内相关企业主要引入和依靠国际前沿技术进行生产制造，并未形成中国自有的系统性的生产标准。在中国多家集成电路、半导体企业被美国政府列入实体清单后，国内企业难以与国际标准组织建立合作关系，建立国内一套自主的集成电路产业标准是实现芯片产业链自主研发的必由之路。

表3 “十三五”时期以来集成电路相关领域的重要政策

资料来源：作者整理

政策建议

从国家战略层面出发，政府和企业均需要做好光刻机研发“持久战”的准备，保障光刻机产业政策的连贯性。政府应认识到光刻机研发的成本远超一般企业所能承受的极限，从国家层面多方整合研发资源，集合科学界、企业界的研发人员以及行业的龙头企业共同制定光刻机技术开发的中长期计划。

（一）推动产业分工，加快国产光刻机产业链国产替代进程

ASML的产业链特点在于，入股注资ASML的企业能够获得更高的供货优先级，这使得芯片产业围绕ASML形成更强的利益绑定关系。制造上下游企业的“犬牙相入”为光刻机产业链的良性合作循环奠定基础。光刻机的国产自主研发并非单个企业就能够实现，需要掌握光刻上游核心设备的高精尖企业相互配合、形成合力。光刻机制造存在两个重要的设备和材料来源：一是核心设备，包括光源、物镜组、光学组件、双工件台、零部件等关键元件和子系统；二是配套材料，包括光刻胶、光掩膜版、涂胶显影设备等。需要推动集成电路产业标准化，整合国内光刻机供应链与芯片制造企业的行业标准，充分发挥产业集聚效应和知识溢出效应。国产光刻机产业链相关生产企业应形成产业分工，各取所长、各取所需，从上游的光刻机组件、中游的光刻机制造，再到下游的圆晶代工企业，要建立更为紧密的合作关系，以提高纵向一体化水平，加快光刻机产业国产替代进程。

（二）加强开放合作，与先进设备制造商积极开展技术合作

虽然ASML垄断EUV光刻机市场，但是并非所有的芯片制造都需要EUV光刻机，以尼康为代表的日本光刻机企业在全球半导体设备市场仍然具备不俗的实力，例如，Nikon在2020年也推出了第一台制程5nm的ArF浸没式光刻机NSR-S635E，可用于7nm、5nm制程工艺量产的光刻机。国内相关产业链企业应重点团结美国以外的光刻机产业链设备制造和供应商，建立良好的双边合作关系，积极开展技术合作，通过引进和再吸收积累技术。虽然Nikon的技术仍不能冲击ASML在高端光刻机市场的垄断地位，但不失为一种可替代的进口合作选择。应考虑在一些芯片生产制程上增加对Nikon、Canon光刻机的进口，降低美国长臂管辖的影响，实现在部分先进制程上芯片制造的供应保障；另一方面，在一些技术领域积极开展技术合作，对一些项目强化联合攻关，加快实现中国在一些领域实现技术突破。

（三）加强政策支持，激发企业创新活力

光刻机需要的科研投入必不可少，例如，2020年ASML研发投入高达22亿美元，而这一巨大的投入并非一般企业可以承受，因此，一方面需要激励企业加大研发投入，另一方面需要政府进一步在政策上加大对相关企业的支持力度。从政策层面出发，需要推动形成良好的上下游合作关系，提高政策瞄准精度以及重视研发体系构建，强化对具有核心技术、发展潜力的企业识别力度，重点对产业链龙头企业进行支持，激发企业研发投入力度。要通过政府政策的统筹、行业协会的引导，大力培养相关领域人才，建立有效的奖励机制，整合行业的研发力量，提高相关企业在全球价值链中的分工位置。鉴于光刻机设备的复杂性和技术壁垒特征，落实到扶持政策制定时应充分参考企业的需求和建议，聘请特定领域的专家辅助评估扶持政策的投入效果，合理制定政策目标与实现路径。在政策出台后，定期走访企业考察政策扶持效果，严格把控财政补贴与税收优惠的定点准确，减少对财政资源的滥用。

（作者许明系中国社会科学院工业经济研究所国际产业研究室副主任、副研究员，本文摘自《产业蓝皮书：中国产业竞争力报告（2021）》，经作者审订，授权澎湃新闻刊发）