国产光刻机之路,任重而道远

光刻机，这个生僻的工业制造设备名称，在2020年成为了网络热搜词：它和下一代工业革命的核心产品，芯片，关系密切。没有高精度的芯片，那些改变人类生活和经济的核心技术，如人工智能，虚拟现实（VR），物联网，下一代无线通信，都不可能实现。

可以说，光刻机之于我们这个时代，如同蒸汽机，发电机，以及计算机之于前三次工业革命一样重要，是衡量一国科技研发与工业水平的标杆。不少专家指出，我国制造先进水平光刻机的难度，堪比当年制造原子弹。

微雕，以光为刀

那么，首先让我们先来看，光刻机是什么？

光刻机，这台可以卖到上亿欧元的精密设备，是通过紫外光作为“画笔”，把预先设计好的芯片电子线路书写到硅晶圆旋涂的光刻胶上，精度可以达到头发丝的千分之一。举个例子，华为海思成功设计开发了麒麟系列芯片，想要真正做成手机芯片，就需要台积电利用光刻工艺来进行代工制造。

光刻的原理和过程一般是这样的：首先制备出芯片电路图的掩膜版，然后在硅片上旋涂上光刻胶，利用紫外光源通过掩膜版照射到光刻胶上。经过对准曝光后，紫外光照射到区域的光刻胶会因为化学效应而发生变性，再通过显影作用将曝光的光刻胶去除，下一步采用干法刻蚀将芯片电路图传递到硅晶圆上。

光刻工艺直接决定了芯片中晶体管的尺寸和性能，是芯片生产中最为关键的过程。光刻机中的曝光光源决定了光刻工艺加工器件的线宽等特征尺寸，当前市场主流采用深紫外（DUV，193 nm）光源，最先进的是采用极紫外（EUV，13.5 nm）光源的的EUV光刻机。

现代光刻工艺一般包含硅晶圆的清洗烘干，光刻胶的旋涂烤胶，对准曝光，显影，刻蚀以及检测等多重工序。由于现代芯片的复杂性，生产过程往往需要经过几十次的光刻，耗时占据了芯片生产环节的一半，光刻成本也达到了生产成本的三分之一。

阿斯麦，皇冠上的珍珠

听完光刻原理和过程，你可能觉得这也没什么啊，一台光刻机怎么能比造原子弹还难啊？

要知道随着科技的发展，现代高端手机芯片中的晶体管达到上百亿个，华为5nm制程的麒麟1020芯片密度高达每平方毫米1.7亿个。这样的加工精度决定着光刻机是半导体制造过程中技术含量最高的设备，涉及到从紫外光源、光学镜头、精密运动和环境控制等多项世界各国顶级科技成就的运用。

光刻机被称为现代半导体行业皇冠上的明珠，现在单台EUV光刻机配件多达10万个，价格高达1.2亿美元。当前世界上光刻机市场的老大是荷兰的阿斯麦ASML，占据了全球高端光刻机市场份额的89%，剩下的被日本的尼康和佳能所瓜分。而7纳米以下的EUV光刻机市场则被阿斯麦完全垄断，把尼康和佳能等竞争对手踢出场外。

环顾世界，能造原子弹的国家已经很多，但高端的EUV光刻机，现在能制造的只有荷兰的阿斯麦公司。一方面，一台EUV光刻机10万配件，集结了全球顶级技术，不是一个国家的技术储备力量能够独立实现的。另一方面，光刻机毕竟只是生产工具，不像原子弹这样的国之重器，可以不计成本靠举国之力进行制造，光刻机只是芯片制造中的一个环节，还需要上下游产业链的支持，能造出来不稀奇，重要的是还能靠它赚钱。

那小伙伴们的问题又来了，为什么全球半导体产业的发展主力集中在美日韩以及中国台湾，为何全球最大的光刻机设备提供商，竟然不是来自世界科技霸主美利坚，而是荷兰这个风车之国？

其实，阿斯麦的前身属于著名的电子厂商飞利浦，1984年才开始独立运营。在阿斯麦早期发展时，就面临着要和崛起的日本芯片厂商尼康和佳能的激烈竞争，但阿斯麦把握住了国际风云的变化，专注于光刻机核心技术的研发，通过与欧美大学以及研究机构的合作，打造上下游利益链条，奠定了坚实的技术基础，用了30年时间建立起了极高的技术壁垒。

对于荷兰阿斯麦来讲，与台积电合作研制浸润式光刻设备机，就是它的诺曼底登陆之战。

它抓住了这个技术发展关键转折点，从而实现高端光刻机的技术突破，获得芯片制造市场的主导地位。

2002年左右，传统193 nm深紫外光刻机推进到芯片的65nm水平时，遇到了前所未有的瓶颈。日本的微影双雄尼康和佳能选择的技术路线是：继续降低曝光波长，开发波长更短的157 nm深紫外光刻机。

这时，台积电的一名工程师林本坚提出：以水为介质可以制造浸润式光刻机，在镜头与晶圆曝光区域之间的空隙充满高折射率的水，水对193 nm紫外光的折射率为1.44，从而实现在水中等效波长为134 nm，从而一举实现 45nm以下制程。

浸润式光刻机，这个想法是创造性的，但在技术上如何实现还是个大问题。

当时，阿斯麦的主要竞争对手尼康和佳能，对浸润式光刻机前景并不看好，一直主攻更短波长的深紫外光源。而阿斯麦则赌上了企业发展的命运，与台积电联合攻关，经过三年的全力投入研发，浸润式光刻机终获成功，从而改写了未来半导体十余年的发展蓝图，将芯片加工的技术节点从65 nm持续下降。光刻关键技术的重大突破，直接拉动阿斯麦的市场占有率由25%攀升至80%，把尼康和佳能打的满地找牙。

真正让阿斯麦称霸光刻机领域的战役，是极紫外EUV光刻机技术的开发。

极紫外光刻的原理是20世纪80年代由日本人提出并验证的，但如何实现低成本的量产，是摆在日本和欧美各国半导体业界面前的巨大难题。

作为世界第一的科技霸主，美国面对当时日本芯片产业的崛起，也是不能容忍的。出于国家安全和商业利益的考虑，为了夺取美国在半导体行业上的优势，为了在下一代半导体制程上把日本芯片企业赶出局，从EUV光刻机入手，美国政府和业界专门成立了复仇者联盟，啊不，是EUV联盟。由英特尔、AMD、摩托罗拉和IBM等业界巨头，加上隶属于美国能源部的桑迪亚国家实验室和劳伦斯利弗莫尔国家实验室组成，可谓阵容强大， 共同攻克生产设备的难题。而欧洲30余国也紧跟潮流，集中了科研院所的研究力量，参与EUV光刻技术的开发。

荷兰阿斯麦公司作为掌握光刻机系统集成和整体架构的核心企业，自然成了欧美自家的小棉袄，顺利赶上了欧美EUV技术研究发展的风口，投资德国卡尔蔡司，收购美国Cymer光源。集成世界各国顶尖科技的EUV光刻机研发成功，一举奠定了阿斯麦在高端EUV光刻机领域的垄断地位，EUV光刻机的精密程度已经达到给你图纸，也无可复制。

当前，ASML成为世界上唯一拥有EUV光刻机生产能力的产商，以波长13.5 nm的极紫外光作为光源，可以实现7 nm以下制程的芯片，当前苹果和华为等旗舰手机的5nm 制程芯片都是由阿斯麦EUV光刻机生产。尼康和佳能面对技术壁垒和巨资开发投资，只能望EUV而兴叹，起个大早，没赶上集。

那么阿斯麦制造的EUV光刻机都卖给了谁？数据显示，2019年该公司共生产了26台EUV光刻机，其中有一半卖给了台积电，剩余一半卖给了英特尔、三星等客户。国内半导体代工企业中芯国际曾花了1.2亿美元订购一台，因为你懂的原因，至今尚未交付。

1983年，当时依旧隶属飞利浦科学与工业部的阿斯麦公司工程师们，正在检测PAS2000型光刻机，阿斯麦公司是飞利浦与ASM公司合资建立的企业

荷兰阿斯麦的成功不是偶然的，也是有迹可循的，首先，它30年内专注发展光刻机核心技术，保持稳定的战略目标，不断研发新技术新产品。从浸入式光刻机到EUV光刻机的生产，阿斯麦和它的合作伙伴不断挑战摩尔定律，突破芯片加工极限。而作为曾碾压阿斯麦的竞争对手，佳能和尼康逐渐进入数码相机等来快钱的消费电子市场，从而失去了光刻机领域的优势。

其次，阿斯麦通过投资和入股等方式，获取光刻系统的核心技术，而光刻机90%的其他部件都是合作和外购世界顶级技术产品，比如德国机械、蔡司镜头和美国光源。同时引入英特尔、台积电和三星等电子巨头的注资，形成了无法复制的战略利益共同体。

阿斯麦和台积电等下游公司也同样通过股份战略合作，形成利益和研发共同体，台积电用EUV磨练芯片加工技术，同时台积电又把芯片加工中遇到的问题和新的要求不断反馈给ASML，从而开创技术创新和质量改进的双赢局面，台积电也成为全球首家提供5nm制程代工业务的芯片厂商。

国产之路，任重道远

再来看看国内的光刻机研发状况，其实我国在60年代第一块集成电路问世之后，就开始了光刻工艺的研究，但在80年代以后，随着“造船不如买船，买船不如租船”的说法流行，由于也缺乏相应的芯片产业链，很多自主攻关项目纷纷下马。当前，我国光刻机的主要生产厂家是上海微电子，已经实现90纳米制程量产，28 nm工艺的国产光刻机也预计在2021年交货，虽然和国际领先的5 nm还有几倍差距，但已经可以满足国内芯片市场的中端需求。

2019年4月，光电团队武汉国家技术研究中心团队利用两束激光在自主研发的光刻胶上突破光束衍射极限，利用远场光学成功雕刻出一条宽9nm的线段，实现了从超分辨率成像到超扩散极限光刻的重大创新。然而，从技术实验室成功，到可批量化大批制造的商用设备，依旧还有很长的路要走。特别是需要几万个零部件要达到高精准度的高端光刻机，其中的关键高精度零部件比如镜头、光源、轴承等，目前国内产业链的制造水平还暂时达不到，需要长期联合攻关，我们的任务依旧艰巨而繁重。

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