光刻機，這個生僻的工業(yè)制造設(shè)備名稱，在 2020 年成為了網(wǎng)絡(luò)熱搜詞：它和下一代工業(yè)革命的核心產(chǎn)品，芯片，關(guān)系密切。沒有高精度的芯片，那些改變?nèi)祟惿詈?a target="_blank">經(jīng)濟的核心技術(shù)，如人工智能，虛擬現(xiàn)實（VR）, 物聯(lián)網(wǎng)，下一代無線通信，都不可能實現(xiàn)。

 

在下一次工業(yè)革命中，先進的芯片技術(shù)是決定一切的核心

可以說，光刻機之于我們這個時代，如同蒸汽機，發(fā)電機，以及計算機之于前三次工業(yè)革命一樣重要，是衡量一國科技研發(fā)與工業(yè)水平的標(biāo)桿。不少專家指出，我國制造先進水平光刻機的難度，堪比當(dāng)年制造原子彈。

微雕，以光為刀

那么，首先讓我們先來看，光刻機是什么？

阿斯麥公司生產(chǎn)的 EUV 光刻機 | www.asml.com

光刻機，這臺可以賣到上億歐元的精密設(shè)備，是通過紫外光作為 " 畫筆 "，把預(yù)先設(shè)計好的芯片電子線路書寫到硅晶圓旋涂的光刻膠上，精度可以達到頭發(fā)絲的千分之一。舉個例子，華為海思成功設(shè)計開發(fā)了麒麟系列芯片，想要真正做成手機芯片，就需要臺積電利用光刻工藝來進行代工制造。

一臺荷蘭阿斯邁光刻機內(nèi)部的紫外光源 | www.asml.com

光刻的原理和過程一般是這樣的：首先制備出芯片電路圖的掩膜版，然后在硅片上旋涂上光刻膠，利用紫外光源通過掩膜版照射到光刻膠上。經(jīng)過對準(zhǔn)曝光后，紫外光照射到區(qū)域的光刻膠會因為化學(xué)效應(yīng)而發(fā)生變性，再通過顯影作用將曝光的光刻膠去除，下一步采用干法刻蝕將芯片電路圖傳遞到硅晶圓上。

光刻工藝直接決定了芯片中晶體管的尺寸和性能，是芯片生產(chǎn)中最為關(guān)鍵的過程。光刻機中的曝光光源決定了光刻工藝加工器件的線寬等特征尺寸，當(dāng)前市場主流采用深紫外 ( DUV，193 nm ) 光源，最先進的是采用極紫外 ( EUV，13.5 nm ) 光源的的 EUV 光刻機。

現(xiàn)代光刻工藝一般包含硅晶圓的清洗烘干，光刻膠的旋涂烤膠，對準(zhǔn)曝光，顯影，刻蝕以及檢測等多重工序。由于現(xiàn)代芯片的復(fù)雜性，生產(chǎn)過程往往需要經(jīng)過幾十次的光刻，耗時占據(jù)了芯片生產(chǎn)環(huán)節(jié)的一半，光刻成本也達到了生產(chǎn)成本的三分之一。

阿斯麥，皇冠上的珍珠

聽完光刻原理和過程，你可能覺得這也沒什么啊，一臺光刻機怎么能比造原子彈還難啊？

要知道隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)代高端手機芯片中的晶體管達到上百億個，華為 5nm 制程的麒麟 1020 芯片密度高達每平方毫米 1.7 億個。這樣的加工精度決定著光刻機是半導(dǎo)體制造過程中技術(shù)含量最高的設(shè)備，涉及到從紫外光源、光學(xué)鏡頭、精密運動和環(huán)境控制等多項世界各國頂級科技成就的運用。

光刻機被稱為現(xiàn)代半導(dǎo)體行業(yè)皇冠上的明珠，現(xiàn)在單臺 EUV 光刻機配件多達 10 萬個，價格高達 1.2 億美元。當(dāng)前世界上光刻機市場的老大是荷蘭的阿斯麥 ASML，占據(jù)了全球高端光刻機市場份額的 89%，剩下的被日本的尼康和佳能所瓜分。而 7 納米以下的 EUV 光刻機市場則被阿斯麥完全壟斷，把尼康和佳能等競爭對手踢出場外。

環(huán)顧世界，能造原子彈的國家已經(jīng)很多，但高端的 EUV 光刻機，現(xiàn)在能制造的只有荷蘭的阿斯麥公司。一方面，一臺 EUV 光刻機 10 萬配件，集結(jié)了全球頂級技術(shù)，不是一個國家的技術(shù)儲備力量能夠獨立實現(xiàn)的。另一方面，光刻機畢竟只是生產(chǎn)工具，不像原子彈這樣的國之重器，可以不計成本靠舉國之力進行制造，光刻機只是芯片制造中的一個環(huán)節(jié)，還需要上下游產(chǎn)業(yè)鏈的支持，能造出來不稀奇，重要的是還能靠它賺錢。

那小伙伴們的問題又來了，為什么全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展主力集中在美日韓以及中國臺灣，為何全球最大的光刻機設(shè)備提供商，竟然不是來自世界科技霸主美利堅，而是荷蘭這個風(fēng)車之國？

阿斯麥早期創(chuàng)業(yè)元老之一，工程師杰拉德 · 安東尼斯在車床上加工光刻機的部件 | www.chiphistory.org

其實，阿斯麥的前身屬于著名的電子廠商飛利浦，1984 年才開始獨立運營。在阿斯麥早期發(fā)展時，就面臨著要和崛起的日本芯片廠商尼康和佳能的激烈競爭，但阿斯麥把握住了國際風(fēng)云的變化，專注于光刻機核心技術(shù)的研發(fā)，通過與歐美大學(xué)以及研究機構(gòu)的合作，打造上下游利益鏈條，奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)，用了 30 年時間建立起了極高的技術(shù)壁壘。

對于荷蘭阿斯麥來講，與臺積電合作研制浸潤式光刻設(shè)備機，就是它的諾曼底登陸之戰(zhàn)。

它抓住了這個技術(shù)發(fā)展關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點，從而實現(xiàn)高端光刻機的技術(shù)突破，獲得芯片制造市場的主導(dǎo)地位。

2002 年左右，傳統(tǒng) 193 nm 深紫外光刻機推進到芯片的 65nm 水平時，遇到了前所未有的瓶頸。日本的微影雙雄尼康和佳能選擇的技術(shù)路線是：繼續(xù)降低曝光波長，開發(fā)波長更短的 157 nm 深紫外光刻機。

這時，臺積電的一名工程師林本堅提出：以水為介質(zhì)可以制造浸潤式光刻機，在鏡頭與晶圓曝光區(qū)域之間的空隙充滿高折射率的水，水對 193 nm 紫外光的折射率為 1.44，從而實現(xiàn)在水中等效波長為 134 nm，從而一舉實現(xiàn) 45nm 以下制程。

浸潤式光刻機，這個想法是創(chuàng)造性的，但在技術(shù)上如何實現(xiàn)還是個大問題。

當(dāng)時，阿斯麥的主要競爭對手尼康和佳能，對浸潤式光刻機前景并不看好，一直主攻更短波長的深紫外光源。而阿斯麥則賭上了企業(yè)發(fā)展的命運，與臺積電聯(lián)合攻關(guān)，經(jīng)過三年的全力投入研發(fā)，浸潤式光刻機終獲成功，從而改寫了未來半導(dǎo)體十余年的發(fā)展藍圖，將芯片加工的技術(shù)節(jié)點從 65 nm 持續(xù)下降。光刻關(guān)鍵技術(shù)的重大突破，直接拉動阿斯麥的市場占有率由 25% 攀升至 80%，把尼康和佳能打的滿地找牙。

真正讓阿斯麥稱霸光刻機領(lǐng)域的戰(zhàn)役，是極紫外 EUV 光刻機技術(shù)的開發(fā)。

極紫外光刻的原理是 20 世紀(jì) 80 年代由日本人提出并驗證的，但如何實現(xiàn)低成本的量產(chǎn)，是擺在日本和歐美各國半導(dǎo)體業(yè)界面前的巨大難題。

作為世界第一的科技霸主，美國面對當(dāng)時日本芯片產(chǎn)業(yè)的崛起，也是不能容忍的。出于國家安全和商業(yè)利益的考慮，為了奪取美國在半導(dǎo)體行業(yè)上的優(yōu)勢，為了在下一代半導(dǎo)體制程上把日本芯片企業(yè)趕出局，從 EUV 光刻機入手，美國政府和業(yè)界專門成立了復(fù)仇者聯(lián)盟，啊不，是 EUV 聯(lián)盟。由英特爾、AMD、摩托羅拉和 IBM 等業(yè)界巨頭，加上隸屬于美國能源部的桑迪亞國家實驗室和勞倫斯利弗莫爾國家實驗室組成，可謂陣容強大， 共同攻克生產(chǎn)設(shè)備的難題。而歐洲 30 余國也緊跟潮流，集中了科研院所的研究力量，參與 EUV 光刻技術(shù)的開發(fā)。

荷蘭阿斯麥公司作為掌握光刻機系統(tǒng)集成和整體架構(gòu)的核心企業(yè)，自然成了歐美自家的小棉襖，順利趕上了歐美 EUV 技術(shù)研究發(fā)展的風(fēng)口，投資德國卡爾蔡司，收購美國 Cymer 光源。集成世界各國頂尖科技的 EUV 光刻機研發(fā)成功，一舉奠定了阿斯麥在高端 EUV 光刻機領(lǐng)域的壟斷地位，EUV 光刻機的精密程度已經(jīng)達到給你圖紙，也無可復(fù)制。

阿斯邁 EUV 光刻機內(nèi)部工作模擬圖，其精細復(fù)雜程度令人驚愕 | www.asml.com

當(dāng)前，ASML 成為世界上唯一擁有 EUV 光刻機生產(chǎn)能力的產(chǎn)商，以波長 13.5 nm 的極紫外光作為光源，可以實現(xiàn) 7 nm 以下制程的芯片，當(dāng)前蘋果和華為等旗艦手機的 5nm 制程芯片都是由阿斯麥 EUV 光刻機生產(chǎn)。尼康和佳能面對技術(shù)壁壘和巨資開發(fā)投資，只能望 EUV 而興嘆，起個大早，沒趕上集。

那么阿斯麥制造的 EUV 光刻機都賣給了誰？數(shù)據(jù)顯示，2019 年該公司共生產(chǎn)了 26 臺 EUV 光刻機，其中有一半賣給了臺積電，剩余一半賣給了英特爾、三星等客戶。國內(nèi)半導(dǎo)體代工企業(yè)中芯國際曾花了 1.2 億美元訂購一臺，因為你懂的原因，至今尚未交付。

1983 年，當(dāng)時依舊隸屬飛利浦科學(xué)與工業(yè)部的阿斯麥公司工程師們，正在檢測 PAS2000 型光刻機，阿斯麥公司是飛利浦與 ASM 公司合資建立的企業(yè) | https://www.chiphistory.org

荷蘭阿斯麥的成功不是偶然的，也是有跡可循的，首先，它 30 年內(nèi)專注發(fā)展光刻機核心技術(shù)，保持穩(wěn)定的戰(zhàn)略目標(biāo)，不斷研發(fā)新技術(shù)新產(chǎn)品。從浸入式光刻機到 EUV 光刻機的生產(chǎn)，阿斯麥和它的合作伙伴不斷挑戰(zhàn)摩爾定律，突破芯片加工極限。而作為曾碾壓阿斯麥的競爭對手，佳能和尼康逐漸進入數(shù)碼相機等來快錢的消費電子市場，從而失去了光刻機領(lǐng)域的優(yōu)勢。

其次，阿斯麥通過投資和入股等方式，獲取光刻系統(tǒng)的核心技術(shù)，而光刻機 90% 的其他部件都是合作和外購世界頂級技術(shù)產(chǎn)品，比如德國機械、蔡司鏡頭和美國光源。同時引入英特爾、臺積電和三星等電子巨頭的注資，形成了無法復(fù)制的戰(zhàn)略利益共同體。

阿斯麥在中國臺灣地區(qū)設(shè)立的技術(shù)培訓(xùn)中心 | https://www.bloomberg.com

阿斯麥和臺積電等下游公司也同樣通過股份戰(zhàn)略合作，形成利益和研發(fā)共同體，臺積電用 EUV 磨練芯片加工技術(shù)，同時臺積電又把芯片加工中遇到的問題和新的要求不斷反饋給 ASML，從而開創(chuàng)技術(shù)創(chuàng)新和質(zhì)量改進的雙贏局面，臺積電也成為全球首家提供 5nm 制程代工業(yè)務(wù)的芯片廠商。

上海微電子展示的 28nm 光刻機 | www.i-micronews.com

國產(chǎn)之路，任重道遠

再來看看國內(nèi)的光刻機研發(fā)狀況，其實我國在 60 年代第一塊集成電路問世之后，就開始了光刻工藝的研究，但在 80 年代以后，隨著 " 造船不如買船，買船不如租船 " 的說法流行，由于也缺乏相應(yīng)的芯片產(chǎn)業(yè)鏈，很多自主攻關(guān)項目紛紛下馬。當(dāng)前，我國光刻機的主要生產(chǎn)廠家是上海微電子，已經(jīng)實現(xiàn) 90 納米制程量產(chǎn)，28 nm 工藝的國產(chǎn)光刻機也預(yù)計在 2021 年交貨，雖然和國際領(lǐng)先的 5 nm 還有幾代差距，但已經(jīng)可以滿足國內(nèi)芯片市場的中端需求。

2019 年 4 月，光電團隊武漢國家技術(shù)研究中心團隊利用兩束激光在自主研發(fā)的光刻膠上突破光束衍射極限，利用遠場光學(xué)成功雕刻出一條寬 9nm 的線段，實現(xiàn)了從超分辨率成像到超擴散極限光刻的重大創(chuàng)新。然而，從技術(shù)實驗室成功，到可批量化大批制造的商用設(shè)備，依舊還有很長的路要走。特別是需要幾萬個零部件要達到高精準(zhǔn)度的高端光刻機，其中的關(guān)鍵高精度零部件比如鏡頭、光源、軸承等，目前國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈的制造水平還暫時達不到，需要長期聯(lián)合攻關(guān)，我們的任務(wù)依舊艱巨而繁重。

來源：果殼