為什么光刻機比原子彈還難造

光刻機，這個生僻的工業(yè)制造設備名稱，在2020年成為了網(wǎng)絡熱搜詞：它和下一代工業(yè)革命的核心產(chǎn)品，芯片，關系密切。沒有高精度的芯片，那些改變人類生活和經(jīng)濟的核心技術，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)水平的標桿。不少專家指出，我國制造先進水平光刻機的難度，堪比當年制造原子彈。

　　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備，是通過紫外光作為“畫筆”，把預先設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)過對準曝光后，紫外光照射到區(qū)域的光刻膠會因為化學效應而發(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，對準曝光，顯影，刻蝕以及檢測等多重工序。由于現(xiàn)代芯片的復雜性，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體制造過程中技術含量最高的設備，涉及到從紫外光源、光學鏡頭、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，集結了全球頂級技術，不是一個國家的技術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，而是荷蘭這個風車之國？

　　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云的變化，專注于光刻機核心技術的研發(fā)，通過與歐美大學以及研究機構的合作，打造上下游利益鏈條，奠定了堅實的技術基礎，用了30年時間建立起了極高的技術壁壘。

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

　　它抓住了這個技術發(fā)展關鍵轉折點，從而實現(xiàn)高端光刻機的技術突破，獲得芯片制造市場的主導地位。

　　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，但在技術上如何實現(xiàn)還是個大問題。

　　當時，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，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體十余年的發(fā)展藍圖，將芯片加工的技術節(jié)點從65 nm持續(xù)下降。光刻關鍵技術的重大突破，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域的戰(zhàn)役，是極紫外EUV光刻機技術的開發(fā)。

　　極紫外光刻的原理是20世紀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體行業(yè)上的優(yōu)勢，為了在下一代半導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技術研究發(fā)展的風口，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，也無可復制。

　　　當前，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。國內半導體代工企業(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。

　　荷蘭阿斯麥的成功不是偶然的，也是有跡可循的，首先，它30年內專注發(fā)展光刻機核心技術，保持穩(wěn)定的戰(zhàn)略目標，不斷研發(fā)新技術新產(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，而光刻機90%的其他部件都是合作和外購世界頂級技術產(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，形成了無法復制的戰(zhàn)略利益共同體。

　　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，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)技術創(chuàng)新和質量改進的雙贏局面，臺積電也成為全球首家提供5nm制程代工業(yè)務的芯片廠商?！　?/p>

國產(chǎn)之路，任重道遠

　　再來看看國內的光刻機研發(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，由于也缺乏相應的芯片產(chǎn)業(yè)鏈，很多自主攻關項目紛紛下馬。當前，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)光刻機也預計在2021年交貨，雖然和國際領先的5 nm還有幾倍差距，但已經(jīng)可以滿足國內芯片市場的中端需求。

　　2019年4月，光電團隊武漢國家技術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，從技術實驗室成功，到可批量化大批制造的商用設備，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度的高端光刻機，其中的關鍵高精度零部件比如鏡頭、光源、軸承等，目前國內產(chǎn)業(yè)鏈的制造水平還暫時達不到，需要長期聯(lián)合攻關，我們的任務依舊艱巨而繁重。