光刻机与阿斯麦尔/艾司摩尔(ASML Holding)，中国大陆产光刻机展望

在中美贸易战中，美国2018年制裁中兴的手段立竿见影，而2019年把华为及70家关联企业列入“实体清单”，也对华为产品的生产销售带来了极大的冲击。这都源于中国包括华为和中兴在内的电信设备和手机制造商需向美国企业，和含美国技术的外国或境外企业，购买生产电信设备和手机必须的，但中国企业尚无法生产的高端芯片。如果美国政府根据《出口管理条例》，禁止向华为销售任何美国技术含量9%乃至5%的硬件、软件产品，替华为代工生产7nm芯片的台积电(TSMC 图 Google Images)就会断供。而华为的最新高端手机如P40 Pro，P40 Pro+会因此停产。

一直以来，中国都在争取建立自己的(高端)芯片产业，已经并继续为此付出巨额资金。如中国最大的芯片制造商中芯国际(SMIC) 2018年以1.07亿欧元(1.2亿美元)的巨资向荷兰光刻机巨头阿斯麦尔/艾司摩尔(ASML 图 Google Images)订购了一台EUV光刻机。按计划该台能大规模量产7nm芯片的关键设备应于2019年初交付设备。但先后因为火灾和美国政府高官的游说，迄今这台EUV光刻机仍然没有在中国落地，却转售给了或者三星，或者台积电。

在激烈竞争的市场经济机制下，生产商竟然可以把已付清巨额货款的机器转发送给排在后面的第三国/地区的公司，且中国买家还只能接受。ASML的底气从何而来？答案在于全球绝大多数半导体生产厂商，如英特尔(Intel)、三星(Samsung)、海力士(Hynix)、台积电、中芯国际等，都采购ASML的高端光刻机，来生产最先进的(低纳米级)芯片。目前世界上精度最高，生产效率最高，应用最为广泛的TWINSCAN(双工件台 图)系列光刻机，则唯有ASML能够生产。TWINSCAN系统，使光刻机能在一个工件台进行曝光晶圆片，同时在另外一个工作台进行预对准工作，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(浪剑客2019)。由此，ASML在世界高端光刻机市场占有90%的市场份额，更是100%垄断了全球能生产10nm及以下芯片的光刻机(TWINSCAN系列)市场。

既然光刻机如此重要，中国为何不自己研发呢？其实，早在1965年，中国就利用光刻技术制造集成电路芯片集成电路了。但中国最早的光刻机-GK-3型半自动光刻机应该是由1445所研发成功的，这是一台接触式光刻机。1978年，1445所开发的GK-4，把加工圆片直径从50毫米提高到 75 毫米，但仍然是走的是接触式光刻技术路线，而非技术更复杂，能刻制纳米级的‘分步重复投影光刻’技术路线。1981年，中科院半导体所研制成功采用更新技术路线的JK-1型半自动接近式光刻机，1982年中科院109厂又生产出KHA-75-1光刻机，它们跟当时最先进的canon相比也就不到4年的差距，且至今仍在的使用。1985年，中国机电部45所研制出了中国第一台分步投影式光刻机，与国外的差距不超过 7年(美国是1978年)。1990年3月，中科院光电所研制的IOE1010G直接分步重复投影光刻机样机，工作分辨率1.25微米，相当于国外80年代中期水平。

但自80年代底始，中国奉行“造不如买”的政策，对外开放光刻机市场，相应地影响了中国半导体的研，发，产。2000年前后中国启动了193纳米ArF光刻机项目后，这种情况有了改观。2002年，上海微电子装备有限公司(SMEE上海微电子 图 董志雯)承担了“十五”光刻机攻关项目。至 2016 年，上海微电子已经量产 90 纳米、110 纳米和 280 纳米三种光刻机。上海微电子基本上也代表了目前国产光刻机的最高水平。目前其自主研发的600系列光刻机可以实现90nm制程工艺芯片的量产，但其制程工艺和阿斯麦尔/艾司摩尔的差距还非常大。上海微电子与ASML间的差距，实际上反映了中国和西方在精密制造领域的差距。从美国的光栅，德国的镜头，瑞典的轴承，到法国的阀件等，一台顶级光刻机所需的关键零部件，都是中国不能生产，却列入《瓦森纳协定》(Wassenaar Arrangement)对中国禁运的顶级零部件。

中国目前共有五家厂商能生产光刻机，分别为:

1.上海微电子装备有限公司已量产90nm,正在研究65nm的工艺。其芯片后道封装光刻机在国内的市占率有80%，在全球的市占率达40%。

2.国电中子科技集团公司第四十五研究所光刻设备已经实现1500nm的量产。其在CMP设备、湿化学处理设备、光刻设备、电子图形印刷设备、材料加工设备和先进封装设备等领域具较强优势。

3.合肥芯硕半导体有限公司自主研发的ATD4000，已经实现最高200nm的量产。

4.先腾光电科技有限公司拥有完全自主知识产权的LED光刻机生产技术,已经实现最高200nm的量产。

5.无锡影速半导体科技有限公司已成功研制用于半导体领域的激光直写/制版光刻设备、国际首台双台面高速激光直接成像连线设备（LDI），已经实现最高200nm的量产。

与此同时，在国家的意志和相应的财力支持下，中国的科技公司在朝向最终独立研制顶尖光刻机方面不断有新的进展。2015年4月，北京华卓精科科技股份有限公司“65nmArF 干式光刻机双工件台”通过整机详细设计评审，具备投产条件，已获得多台订单。华卓精科是继ASML之后世界上第二家掌握双工件台核心技术的公司，正开发28nm及以下节点浸没式光刻机双工件台并具备小批量供货能力。2017年6月21日，中科院长春光学精密机械与物理研究所牵头研发的“极紫外光刻关键技术”通过验收。2018 年 11 月 29 日，中科院研制的“超分辨光刻装备”通过验收。光刻分辨力达到22纳米，结合双重曝光技术后，未来还可用于制造10纳米级别的芯片。2019年4月，武汉光电国家研究中心的甘棕松团队成功研发出9nm工艺光刻机。当然，业界对该技术路线的可行性仍有争议。

同时，中国在工艺难度要低的别的一些相关技术上取得进展， 如中微公司的等离子体刻蚀设备已被广泛应用于从65nm到7nm的IC加工制造及封装。北方华创目前可以制造等离子刻蚀、物理气相沉积、化学气相沉积、氧化/扩散、清洗、退火等半导体工艺装备。客观地讲，尽管有这些进步，短期中国在高端光刻机领域实现突破的可能性几乎为0。因为如前所讲，中国尚不能制造高端光刻机中的关键高精度零部件如镜头、光源、轴承等。而攻破相应的技术不但需要时间，也需要人才和不同部门的联合协作。

分析ASML是如何成功的，尤其是它如何在曾经落后于同业竞争对手的基础上，弯道超车，乃至一骑绝尘，占据行业高端的垄断地位，或许对包括中国上海微电子在内的其他致力于光刻机研发的企业和人员有借鉴意义。

正确的技术路线或许是ASML成功的第一要素。美国阻止ASML对华出口的极紫外光刻机(EUV)，是目前全球只有ASML能生产的高端光刻机。ASML采纳正确的技术路线关键之一，便是它以较低姿态答应了若干条件进入了美国人组织的EUV LLC组织，来接触并利用美国的技术。EUV LLC是由Intel和美国能源部共同发起，研究EUV可行性的组织。EUV最早是英特尔牵头联合众多公司及实验室成立的一个组织专门研究的技术。EUV LLC解散后，唯有ASML笃定做EUV。通过几十年技术的积淀，和足够的耐心，ASML成功了。

在对技术自身研发投入的同时，ASML还通过并购来获得关键技术。例如，2000年以16亿美元收购了市值只有10亿的硅谷集团SVG，获得了关键的反射技术；2007年以2.7亿美元收购Brion后推出实时量测和矫正解决方案；2014年以19.5亿欧元(约25亿美元)收购(美国)Cymer公司得到了深紫外光源技术；2016年以10亿欧元收购德国蔡司旗下的蔡司半导体有限公司(Carl Zeiss’s SMT 图 Digital Imaging Reporter)24.9%的股权，来共同研发最顶尖的光学技术。这些并购让ASML最终打通了极紫外光刻机的生产产业链，加快了其成功的进程，进而垄断了EUV市场。

ASML的成功还在于它与半导体巨头们形成的利益共同体。ASML要求想要获得光刻机的优先供货权的买家，必须入股ASML。如英特尔、三星和台积电都是ASML股东，分别在2012年向ASML投入41亿、5.03亿、8.38亿欧元。这样ASML既获得了研发和并购资金，也还保证了稳定的产品买家。

当然，ASML成功的要素远不止于此。相信已有大量的相关研究，本文就不再赘述。

必须指出，ASML并不是唯一的光刻机制造商。其竞争对手，当然是在中端市场，而非高端的EUV光刻机市场的对手，有日本的佳能(Canon)和尼康(Nikon)。Canon公司1970年以投影和接触接近式光刻设备起步，先后研制推出了PLA系列步进式、MPA系列等倍扫描式、投影式和FPA系列步进缩小投影式、扫描式三大系列的光学光刻设备约10000台，但由于技术路线失误，Canon自2008年始已逐步退出半导体用光刻机市场，业务集中于中低端的封装光刻机、LED光刻机以及面板光刻机。精密光学技术公司Nikon也在1980年代开始研发销售各种半导体光刻器材，鼎盛时一年售出900台光刻机。但2008年后，Nikon的出货量就急速下滑。2018年Nikon的半导体用光刻机出货量是36台。

对尚正在爬坡，向中端光刻机进军的半导体光学器材研发企业，包括中国最先进的上海微电子来说，制造高端光刻机之路，是道路注定不会平坦顺利。尤其当对手也在不断进步的时候 - ASML正在研制的光学性能更好、可同时处理更多硅晶片的新型EUV光刻机，预计将于2023年交付用户。但有了华为逆袭成功的先例，任何事情皆有可能。在锚定技术路线后，以充沛的人员与资金的支持，加上相关行业的协同攻关，一心一意，心无旁骛，其余的，交给上帝就行了。

附注

《瓦森纳协定》又称瓦森纳安排机制，全称为《关于常规武器和两用物品及技术出口控制的瓦森纳协定》(The Wassenaar Arrangement on Export Controls for Conventional Arms and Dual-Use Good and Technologies)，目前共有包括美国、日本、英国、俄罗斯等40个成员国。尽管“瓦森纳安排”规定成员国自行决定是否发放敏感产品和技术的出口许可证，并在自愿基础上向“安排”其他成员国通报有关信息。但“安排”实际上完全受美国领导。

参考资料

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