To The Moon

作者： 騰訊新聞知識官、 AMD 高級數字芯片設計工程師 溫戈 侵刪。

芯片之於光刻機，就如同人和大腦的關係，但縱覽幾十年中國乃至全球球光刻機產業的發展卻表現的差強人意，呈現出了唯有荷蘭ASML“一家獨大”的局面。

3月初，中芯國際迎來了久違的好消息：中芯國際與荷蘭光刻機公司阿斯麥（以下簡稱“ASML”）簽下大單，訂購12億美元光刻機。

近年來，我國雖然在科技研發上取得了多項重大進步，但在芯片研發和製造領域卻亟待突破，特別是在新冠疫情之後，全球新一輪的“芯片荒”來襲造成了產業鏈對於芯片供不應求的問題，我國想要推進獨立自主的芯片研發，光刻機的生產製造就顯得尤爲重要。

芯片雖小，製造難度卻很大，而這一過程中一個關鍵的工藝機器——光刻機的製造成爲了一大難題。芯片之於光刻機，就如同人和大腦的關係，但縱覽幾十年中國乃至全球球光刻機產業的發展卻表現的差強人意，呈現出了唯有荷蘭ASML“一家獨大”的局面。

我們不禁也對此有很多疑問：爲何中國乃至全球對於製造光刻機的難度如此之大？ASML公司是如何做到光刻機產業中“全球霸主”的地位？爲何該公司一臺光刻機的售價達到了數億美元？繼3月初的中國“芯痛”終極十問：我們能造原子彈，卻造不出一枚小芯片？之後，該文章作者再次圍繞光刻機的十個重要問題爲您解讀。（關於光刻機，你還有哪些疑問，歡迎在底部評論區添加話題#提問專家#並留言）

（ASML EUV光刻機TWINSCAN NXE3400B，來源：ASML官網）

Q1：光刻機是做什麼的？是在造芯的哪個過程發揮作用？

光刻機（英文“Mask Aligner”) ，又名掩模對準曝光機，是芯片製造流程中光刻工藝的核心設備。芯片的製造流程極其複雜，我們可以概括爲幾大步驟：硅片的製備-->外延工藝-->熱氧化-->擴散摻雜-->離子注入-->薄膜製備-->光刻-->刻蝕-->工藝集成等。光刻工藝是製造流程中最關鍵的一步，光刻確定了芯片的關鍵尺寸，在整個芯片的製造過程中約佔據了整體制造成本的35%。

光刻工藝的作用是將掩膜版（光刻版）上的幾何圖形轉移到晶圓表面的光刻膠上。首先光刻膠處理設備把光刻膠旋塗到晶圓表面，再經過分步重複曝光和顯影處理之後，在晶圓上形成需要的圖形。原理示意圖如下：

（來源：科普中國）

通常我們以一個製程所需要經過的掩膜數量來表現這個製程的難易。根據曝光方式不同，光刻可分爲接觸式、接近式和投影式；根據光刻面數的不同，有單面對準光刻和雙面對準光刻；根據光刻膠類型不同，有薄膠光刻和厚膠光刻。一般的光刻流程包括底膜處理、塗膠、前烘、對準曝光、顯影、刻蝕，去膠光刻檢驗等，可以根據實際情況調整流程中的操作。

Q2：光刻機是對哪類芯片有影響？如果完全沒有光刻機，芯片是否還能正常生產？是否有光刻的替代品？

目前，無論是汽車芯片，手機芯片還是其他領域，包括軍用，航空航天等應用的芯片都離不開光刻機。而光刻機本身按照應用可以分爲幾類，用於芯片前道製造的光刻機，用於後道芯片封裝的光刻機和應用於LED製造領域的投影光刻機。

1955年，貝爾實驗室的朱爾斯·安德魯斯和沃爾特·邦德開始把製造印刷電路板的光刻技術應用到硅片上。1958年，仙童半導體公司的傑·拉斯特和諾伊斯製造出了第一臺光刻照相機，用於硅基晶體三極管的製造。1961年，美國GCA公司製造出了第一臺光刻機，從此光刻成爲芯片製造中最重要的環節。

因爲目前的芯片都還是硅基芯片，歷經大半個世紀的發展，從最初的電子管到晶體管，再到集成電路的發明，晶體管的關鍵尺寸一步一步縮小，而在納米級別的尺度進行電路雕刻，目前我們所掌握的技術只有光刻。光刻技術在發展中不斷的優化，是一步一步從歷史的實踐中得出來的工藝，如果想另闢蹊徑，我們將面對的是未知的黑暗與技術深淵，其難度不低於研發出高端光刻機。所以如果沒有光刻機，芯片是無法正常製造的，目前也不存在光刻機的替代品。

Q3：爲什麼光刻機的造價如此之高？究竟是哪部分成本較高？

一臺高端光刻機的造價需要上億美元，甚至比一臺波音的客機還要貴。光刻機如此之昂貴的原因是因爲其涉及系統集成、精密光學、精密運動、精密物料傳輸、高精度微環境控制等多項先進技術，是所有半導體制造設備中技術含量最高的設備。其中最關鍵零件之一，由德國蔡司生產的反射鏡必須要做到史無前例的光滑度，瑕疵大小僅能以皮米（奈米的千分之一）計。

這樣的精度是什麼概念？ASML 總裁暨執行長彼得（Peter Wennink）在接受媒體專訪時解釋，如果反射鏡面積有整個德國大，最高的突起處不能高於一公分！

因此，光刻機也具備極高的單臺價值量，目前世界上最先進的ASML EUV光刻機單價達到近一億歐元，可滿足5nm芯片工藝的生產。

ASML的光源來自於美國Cymer，光學模組來自德國蔡司，計量設備來自美國，但屬於德國科技，它的傳送帶則來自荷蘭VDL集團。一臺光刻機90%零件都是通過全球採購，當中涉及到4個國家十多家公司，而下游客戶的利益也與ASML牢牢捆綁。

（注：ASML光刻機，來源：ASML官網）

Q4：中國明明知道本國的芯片科技較爲落後，幾十年前爲什麼不發展芯片和光刻機？

我國不是不重視，也不是不發展，而是在當時的國內以及國際大環境下，芯片的問題相對顯得“渺小”了。

另外，當年發展兩彈一星是國家安全的保障，而芯片問題在民族存亡的問題下，又顯得太渺小。然而中國真的沒有發展芯片嗎？顯然不是，事實上我國的光刻技術起步並不晚，上個世紀60年代我國的中科院就研究出了65接觸式的光刻機。

（注：圖片來源於網絡）

1978年，中科院半導體所開始研製半自動接近式光刻機。

1990年，由中科院光電所承擔的直接分步重複投影光刻機樣機研製成功。

（注：圖片來源於網絡）

1996年，中科院成都光電所研製的0.8-1微米分步重複投影光刻機通過驗收。

（注：圖片來源於網絡）

所以，國內的光刻機技術從未停止研發，我們也有自主技術的光刻機，只是從未擁有世界領先的光刻機罷了。

Q5：當前最知名的光刻機廠商是荷蘭的ASML，爲什麼芯片強國美國、日韓沒有一家光刻機大廠？在一個盛產風車和鬱金香的國家，早期只有三十幾個人的ASML是怎麼崛起的？

要想知道爲什麼最好的光刻機來自荷蘭，而不是美國，得從半導體發展的三個歷史階段說起。

第一階段：上世紀60~70年代是早期光刻機發展階段。

當時美國是走在世界前面的，那時候還沒有ASML。

光刻機的原理其實像幻燈機一樣簡單，就是把光通過帶電路圖的掩膜（Mask，後來也叫光罩）投影到塗有光敏膠的晶圓上。早期60年代的光刻掩膜版以1：1的尺寸緊貼在晶圓片上，而那時的晶圓也只有1英寸大小。

（注：光刻技術原理圖，圖片來源於網絡）

因此，光刻那時並不是高科技，半導體公司通常自己設計工裝和工具，比如英特爾開始是買16毫米攝像機的鏡頭拆了用。只有GCA、K&S和Kasper等很少幾家公司有做過一點點相關設備。

60年代末，日本的尼康和佳能開始進入這個領域，畢竟當時的光刻不比照相機複雜。

1973年，拿到美國軍方投資的Perkin Elmer公司推出了投影式光刻系統，搭配正性光刻膠非常好用而且良率頗高，因此迅速佔領了市場。

1978年，GCA推出了世界上第一臺商用步進光刻機DSW4800（direct step to wafer）。該機器使用g線汞燈和蔡司光學元件。以10:1的比例將芯片線路成像到10毫米見方區域。該機器價格爲45萬美元，第一臺機器以37萬美元的價格賣給了德州儀器的研發部門。由於剛開始DSW4800的生產效率相對較低，所以Perkin Elmer在後面很長一段時間仍處於主導地位。

第二階段是在80-90年代，半導體產業的第一次“轉移”。

80年代左右，因爲美國扶植，最開始是將一些裝配產業向日本轉移，而日本也抓住了機會，在半導體領域趁勢崛起。

在90年代前後，日本的半導體產業成爲了全球第一，高峯期時佔據了全球超過60%的份額，出口額全球第一，超過美國。

在那個芯片製程還停留在微米的時代，能做光刻機的企業，少說也有數十家，而尼康憑藉着相機時代的積累，在那個日本半導體產業全面崛起的年代，成爲了當之無愧的巨頭。

短短几年，尼康就將昔日光刻機大國美國拉下馬，與舊王者GCA平起平坐，拿下三成市場份額。

（注：尼康光刻機，來源於尼康官網）

而後來尼康作爲九十年代最大的光刻機巨頭，它的衰落，說來也充滿偶然，始於那一回157nm光源幹刻法與193nm光源溼刻法的技術之爭。

當時的光刻機的光源波長被卡死在193nm，是擺在全產業面前的一道難關。

降低光的波長，從光源出發是根本方法，但高中學生都知道，光由真空入水，因爲水的折射率，光的波長會改變——在透鏡和硅片之間加一層水，由於水對 193nm 光的折射率 高達 1.44，原有的193nm激光經過折射，不就直接越過了157nm的天塹，降低到134nm了嗎！

（注：浸沒式光刻可縮短等效波長，來源：Nikon，《納米集成電路製造工藝》）

2002年，時任臺積電前研發副總經理的林本堅拿着這項“沉浸式光刻”方案，跑遍美國、德國、日本等國，遊說各家半導體巨頭，但都吃了閉門羹。

（注：林本堅，左六，圖片源自網絡）

當時還是小角色的ASML（1984年飛利浦和一家小公司ASM Internationa以50:50組成的合資公司，最初員工只有31人）決定賭一把，相比之前在傳統乾式微影上的投入，押注浸潤式技術更有可能以小博大。於是ASML和林本堅一拍即合，僅用一年多的時間，就在2004年拼全力趕出了第一臺樣機，並先後奪下IBM和臺積電等大客戶的訂單。

第三階段是在新千年前後時期，荷蘭ASML的崛起。

1997年，英特爾攢起了一個叫EUV LLC的聯盟。聯盟中的名字個個如雷貫耳：除了英特爾和牽頭的美國能源部以外，還有摩托羅拉、AMD、IBM，以及能源部下屬三大國家實驗室：勞倫斯利弗莫爾國家實驗室、桑迪亞國家實驗室和勞倫斯伯克利實驗室。

這些實驗室是美國科技發展的幕後英雄，他們之前的研究成果覆蓋了物理、化學、製造業、半導體產業的各種前沿方向，有核武器、超級計算機、國家點火裝置，甚至還有二十多種新發現的化學元素。

資金到位，技術入場，人才雲集，但偏偏聯盟中的美國光刻機企業SVG、Ultratech早在80年代就被尼康打得七零八落，根本爛泥扶不上牆。於是，英特爾力邀ASML和尼康加入EUV LLC。但問題在於，這兩家公司，一個來自日本，一個來自荷蘭，都不是本土企業。

（注：Ultratech光刻機，圖片來源於網絡）

當時的美國政府將EUV技術視爲推動本國半導體產業發展的核心技術，並不太希望外國企業參與其中，更何況是八九十年代在半導體領域壓了美國風頭的日本。但EUV光刻機又幾乎逼近物理學、材料學以及精密製造的極限。光源功率要求極高，透鏡和反射鏡系統也極致精密，還需要真空環境，其配套的抗蝕劑和防護膜的良品率也不高。別說日本與荷蘭，就算是美國，想要一己之力自主突破這項技術，可以說是比登天還難，畢竟美國已經登月了。

最後，ASML同意在美國建立一所工廠和一個研發中心，以此滿足所有美國本土的產能需求。另外，還保證55%的零部件均從美國供應商處採購，並接受定期審查。所以爲什麼美國能禁止荷蘭的光刻機出口中國，一切的原因都始於此時。

錯失EUV的尼康，還未完全失去機會，讓它一蹶不振的，是盟友的離開。當時的英特爾爲了防止核心設備供應商一家獨大，製作22nm的芯片還是一直採購ASML和尼康兩家的光刻機。但“備胎終究是備胎”，一轉身，英特爾就爲了延續摩爾定律的節奏，巨資入股ASML，順帶將EUV技術託付。

另一邊，相比一步步集成了全球製造業精華的ASML，早年間就習慣單打獨鬥的尼康在遭遇美國封鎖後，更是一步步落後，先進設備技術跟不上且不提，就連落後設備的製造效率也遲遲提不上來。而佳能在光刻機領域一直沒有爭過老大，當年它的數碼相機稱霸世界，利潤很高，但是對一年銷量只有上百臺的光刻機根本沒有給予重視。2012年，英特爾連同三星和臺積電，三家企業共計投資52.29億歐元，先後入股ASML，以此獲得優先供貨權，結成緊密的利益共同體。在2015年，第一臺可量產的EUV樣機正式發佈，意味着在7nm以下的先進工藝節點，ASML再無對手！

Q6：是否可以說全球的芯片產業被ASML扼制住了咽喉？有沒有能對ASML產生威脅的廠商？他們的技術水平如何？

與其說全球的芯片產業被ASML遏制住了咽喉，不如說是被ASML及其背後的利益共同體扼制住了咽喉。除了ASML，目前世界上其他比較先進的光刻機廠商分別是日本的尼康和佳能。從目前尼康的官網上可以看到尼康最先進的光刻機型號爲NSR-S635E。

（注：尼康的最先進NSR-S635E光刻機，來源：尼康官網）

從其關鍵參數和介紹來看，其光源波長爲193nm，水平大致相當於ASML DUV光刻機的水平。不過，依照ASML(ASML)、尼康、佳能三家公司的官方數據整理得知，去年全球光刻機總銷售量爲413臺。其中ASML銷售258臺佔比62%，佳能銷售122臺佔比30%，尼康銷售33臺佔比8%。按照銷售額來計算的話，因爲最昂貴的EUV只有ASML製造銷售，所以總的份額佔比依次是91%、3%、6%。所以目前無論是尼康還是佳能都無法對ASML構成威脅。

（注：尼康NSR-S635E光刻機參數表，來源：尼康官網）

Q7：當前中國光刻機研發實力如何？是否具備獨立製造光刻機的實力？相比ASML的崛起，中國有強大的基礎，爲什麼現在造出一臺光刻機這麼難？目前最好的國產光刻機是什麼實力水平？相當於國際上什麼樣級別的產品？

目前中國具備獨立製造光刻機的實力，光刻機企業包括上海微電子裝備（SMEE）合肥鑫碩半導體，無錫迎翔半導體等。其中最先進的是上海微電子裝備有限公司的600系列光刻機，可滿足IC製造90nm、110nm、280nm關鍵層和非關鍵層的光刻工藝需求。該設備可用於8寸線或12寸線的大規模工業生產。據悉，SMEE今年即將交付可以製造28nm芯片的光刻機，對此我們拭目以待。

（注：SMEE系列光刻機，來源：SMEE官網）

目前，SMEE的光刻機使用的光源分別爲深紫外ArF（193nm）、KrF（248nm），i-line (365nm)，雖然已經用到了深紫外光源，但其整體制造能力距離ASML的第四代光刻機DUV光刻機還差一大截，整體水平相當於ASML 2003年左右的第三代光刻機TWINSCAN AT:1150i，從這方面來看，與國外的差距有18年。但隨着新工藝研發難度的提高，國外的工藝進程也放緩，況且很多原理我們已經瞭解，相信國內與國際先進製程的真實差距在10-15年左右。

（來源：SMEE官網）

Q8：ASML的光刻機制造，幾乎也是靠全球化產業鏈完成的，按照當前的國際形勢，中國製造一臺光刻機的難度是不是比以往更大了？

高端光刻機的製造困難在其中的衆多核心部件都是極其精密的，光刻機不是一個國家的技術，而是用整個西方最先進的工業體系在支撐。無論是在過去還是現在，中國想獨立製造一臺高端的光刻機都非常的難。對於光刻機衆多的核心部件，想在每一個上面都做到世界級的精度幾乎是一個不可能完成的任務。另一個原因就是《瓦納森協議》的存在，它是由歐美強國制定的一個先進技術限制出口的方案，旨在保護其先進核心技術不外泄。雖然它是由歐美40多個國家共同指定的，但是基本受美國掌控，並且直指中國。比如在2004年，捷克擬向中國出口“無源雷達設備”時，美國便向捷克施加壓力，迫使捷克停止這項交易。

（注：瓦納森協議）

Q9：中國芯片廠商很多時候是買二手的光刻機，二手產品對芯片會有哪些影響？爲何不買最新的？

造成中國廠商購買二手光刻機的主要原因還是由國內半導體產業鏈供需失衡導致的。爲了緩解產能不足的情況，導致日本大量的二手設備流入中國，甚至現在連二手設備都已經大幅漲價。這也從側面說明了目前我國芯片製造設備，即使在成熟工藝上依然無法自給自足。

至於爲什麼不買最新的，原因之一是買不到，還有一個原因是二手設備具有明顯的價格優勢，通常爲新設備價格的70%不到。半導體作爲資金密集型的產業，前期的投入是巨大的，所以削減成本以維持其利潤也是企業要考慮的問題。另外很多領域需要的芯片是成熟的工藝製程，二手設備也是可以滿足需求的。

Q10：ASML光刻機曾一度被禁止運送至中國，這是否也加大了中國的芯片荒程度？是否有比較好的解決方案？如果沒有好的解決方案，中國芯片產業將面臨怎樣的困境？

這的確在一定程度上加大了國內芯片荒的程度。但是ASML的光刻機並未完全禁止出口給中國，3月3日中芯國際與ASML簽訂了12億美元的協議購買光刻機，預計會包含NXT 1980Di，NXT2050i等DUV光刻機，可以用於製造14nm或者製程更先進的芯片。

（注：芯片短缺已波及全球，圖片來源於網絡）

目前的芯片短缺已經不僅僅是中國的問題，也是世界性的問題。短期之內沒有太好的辦法，但是長期來看，我國已然開始重視半導體產業，在“十四五”規劃和2035遠景目標綱要中，提到了要“增強集成電路產業自主創新能力，推動先進工藝等重大項目儘早達產”等戰略目標。在摩爾定律放緩的今天，只要我們穩紮穩打，就一定能縮小與世界先進工藝的差距，甚至在未來十年迎頭趕上。

EUV光刻機作爲集成了全球最頂尖技術的產品，爲其供應零部件的是來自不同國家的上百個企業。這也是爲什麼一位ASML的高管敢於放豪言說：即使開放圖紙給中國，中國也造不出來光刻機。事實上，ASML對向中國出售光刻機一直都是持積極態度的，2020年，ASML發往中國大陸地區的光刻機臺數超過了其發往全球總數的20%，中國是ASML最大的客戶之一。

有人說，我們造的出來原子彈，難道造不出來光刻機？筆者認爲，時代變了，我們以舉國之力去造光刻機並不見得是一個明智的選擇，因爲其需要投入的資金以數千億計，更需要投入大量的高端人才。畢竟，ASML也是依靠各個國家的高科技匯聚才實現的。

參考資料：

1、《金捷幡 光刻機之戰》作者: 金捷幡

2、《拉下尼康，ASML 是如何一舉稱王的？》作者：魔鐵的世界

3、《U.S. gives ok to ASML on EUV effort》來自EE Times

雖然分享這篇文章，但是，我個人並不認可這位所謂的AMD 高級數字芯片設計工程師的看法，對於一件事的說法很容易有屁股決定腦袋的現象，作者認爲造光刻機投入太大，需要的高端人才太多，而我認爲光刻機的意義正是在這裏，在一個目標的達成的過程中，勢必會獲得許多意外收穫，而高端人才正是我們國家崛起所需要的必要因素，有資金投入才能培養更多高端人才，有這些人也會創造更多可能性，並不僅僅是光刻機。$阿斯麥(ASML)$