先進(jìn)制造業(yè)的核心在于芯片，而芯片制造的核心在光刻機(jī)。

光刻機(jī)，一個(gè)熟悉又陌生的名字。說(shuō)它熟悉，是因?yàn)榻?jīng)常在各大媒體上看到；說(shuō)它陌生，是因?yàn)楹苌儆腥耸煜す饪虣C(jī)的構(gòu)造，它的誕生、發(fā)展與制造難度，這一切似乎都是一個(gè)謎。

在芯片制造漫長(zhǎng)的產(chǎn)業(yè)鏈中，光刻機(jī)的地位無(wú)人可以撼動(dòng)。它是人類智慧的結(jié)晶，它代表了人類科技發(fā)展的最高水準(zhǔn)。每一臺(tái)光刻機(jī)都價(jià)值億萬(wàn)，每一臺(tái)光刻機(jī)都將決定半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)格局。

有人說(shuō)，光刻機(jī)是半導(dǎo)體工業(yè)皇冠上的寶石；有人說(shuō)，光刻機(jī)比原子彈還難造。那么，神秘而詭譎的光刻機(jī)，究竟如何影響世界？作為半導(dǎo)體制造業(yè)的后起之秀，我國(guó)又該如何突破光刻機(jī)壟斷？

光刻機(jī)的緣起

所謂光刻機(jī)，又叫掩模對(duì)準(zhǔn)曝光機(jī)，它是芯片制造中必不可少的一環(huán)。曾經(jīng)有人開(kāi)玩笑說(shuō)，芯片制造就是將石頭變成“芯片”的魔法。在“麻瓜”生活的真實(shí)世界里，自然沒(méi)有魔法。

真正的芯片制造過(guò)程枯燥且無(wú)趣，首先要將石頭提煉成硅片，然后經(jīng)歷外延工藝、熱氧化、擴(kuò)散摻雜、離子注入、光刻、刻蝕等工藝，其中光刻的步驟不多，單次工藝成本卻最高。

▲光刻是芯片制造的其中一環(huán)

光刻工藝是將掩膜版上的幾何圖形轉(zhuǎn)移到晶圓表面的光刻膠上。首先光刻膠處理設(shè)備把光刻膠旋涂到晶圓表面，再經(jīng)過(guò)分步重復(fù)曝光和顯影處理之后，在晶圓上形成需要的圖形。光刻的原理看起來(lái)似乎與膠片時(shí)代的照相制版，都是在一個(gè)平面上加工形成微小圖形。

早期的光刻技術(shù)并不難，世界很多企業(yè)與研究機(jī)構(gòu)都能獨(dú)立制造光刻機(jī)。然而，隨著光刻技術(shù)的發(fā)展，光刻技術(shù)經(jīng)歷了接觸／接近、等倍投影、縮小步進(jìn)投影、步進(jìn)掃描投影等曝光方式的變革。曝光光源的波長(zhǎng)由 436 納米、365 納米，發(fā)展到 248 納米、193 納米，再到 13．5 納米。

值得注意的是，這里的波長(zhǎng)數(shù)值與芯片制程的數(shù)值并不等同。以 193 納米 ArF 光刻機(jī)為例，最小分辨率為 7 納米，也就是說(shuō)最高可以生產(chǎn) 7nm 芯片。至于 13．5 納米光刻機(jī)，就是我們常說(shuō)的 EUV 光刻機(jī)，分辨率為 ArF 光刻機(jī)的 3－5 倍，不僅可以勝任 7nm 芯片制造，還可以用于 5nm、3nm 制程工藝。

綜合來(lái)看，光刻機(jī)大致分為五代。第一代、第二代光刻機(jī)為汞燈光源，采用接觸式光刻，即掩模貼在硅片上進(jìn)行光刻。這種工藝并不算尖端科技，光刻機(jī)工作原理與幻燈機(jī)類似，主要是佳能、尼康等企業(yè)在生產(chǎn)。第三代為掃描投影式光刻機(jī)，光源通過(guò)掩模，經(jīng)光學(xué)鏡頭調(diào)整和補(bǔ)償后，以掃描的方式在硅片上實(shí)現(xiàn)曝光，成功將最小制程節(jié)點(diǎn)提升至 180nm。

此后，光刻機(jī)便進(jìn)入應(yīng)用最廣的第四代光刻機(jī)，這一代分為浸入步進(jìn)式與步進(jìn)投影式兩大門(mén)類，最高可實(shí)現(xiàn) 7nm 制程工藝。目前，第四代光刻機(jī)為市場(chǎng)主流，7－28 納米制程節(jié)點(diǎn)大多在使用第四代 ArF＋ 浸入式光刻機(jī)。至于第五代，相信小黑不說(shuō)大家也能猜到，就是最為先進(jìn)的極紫外光刻機(jī)，目前僅有阿斯麥一家公司可以生產(chǎn)，技術(shù)難度非常高。

中國(guó)光刻機(jī)的進(jìn)展

光刻機(jī)雖然只有短短五代，可中間的競(jìng)爭(zhēng)并非可以用幾句話說(shuō)清。2002 年，臺(tái)積電公司林本堅(jiān)博士提出“浸沒(méi)式光刻機(jī)技術(shù)”，決定了阿斯麥的興起，尼康、佳能的衰落。而阿斯麥?zhǔn)召?gòu)準(zhǔn)分子激光源巨頭 Cymer，推出第三款 EUV光刻機(jī) NXE：3400B，則決定了未來(lái)幾十年光刻機(jī)市場(chǎng)格局。

在全球光刻機(jī)市場(chǎng)中，上海微電子代表了中國(guó)光刻機(jī)的最高水準(zhǔn)。目前，上海微電子擁有 IC 前道制造、IC 后道封裝、LED 制造等多系列光刻機(jī)，其中我們最常提到的光刻機(jī)就是 IC 前道制造光刻機(jī)。

上海微電子 SSX600 系列光刻機(jī)擁有三大型號(hào)，其中 SSA600／20 采用步進(jìn)掃描投影技術(shù)，最高可實(shí)現(xiàn) 90nm 分辨率。結(jié)合上文我們可以發(fā)現(xiàn)，這屬于第四代光刻機(jī)，乍一看似乎離最先進(jìn)的第五代極紫外光刻機(jī)只有一步之遙。

可惜，第四代光刻機(jī)也分優(yōu)劣，早在 2003 年，阿斯麥就研制出世界上第一臺(tái)浸入式光刻機(jī)。在接下來(lái)十幾年時(shí)間里，阿斯麥不斷推出新產(chǎn)品，提高光刻機(jī)的技術(shù)水平。

此外，上海微電子采用的步進(jìn)掃描投影技術(shù)與阿斯麥采用的浸入式技術(shù)分屬兩大門(mén)類。當(dāng)初，如日中天的尼康也用步進(jìn)掃描投影技術(shù)，可惜英特爾、臺(tái)積電兩大巨頭并不認(rèn)可，紛紛與阿斯麥合作，以致于尼康的光刻機(jī)無(wú)人問(wèn)津，難以維持產(chǎn)品營(yíng)收平衡。一款難以盈利的產(chǎn)品自然不會(huì)獲得新的研發(fā)資金，步進(jìn)掃描投影技術(shù)路線注定難以成功。

與普通產(chǎn)品不同，光刻機(jī)這類產(chǎn)品客戶極少，產(chǎn)品數(shù)也特別少，因此產(chǎn)品進(jìn)步往往需要客戶一起努力。阿斯麥之所以能戰(zhàn)勝尼康、佳能等競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，客戶的支持密不可分。英特爾直接轉(zhuǎn)讓了大量光刻機(jī)專利，臺(tái)積電甚至直接貢獻(xiàn)了“浸沒(méi)式光刻機(jī)技術(shù)”設(shè)想。

某種程度上，阿斯麥?zhǔn)切酒圃旃S們一手扶持起來(lái)的。上海微電子目前技術(shù)停留在 90nm 階段，之后還有 45nm、28nm、10nm、7nm、5nm 等五個(gè)重要制程節(jié)點(diǎn)。工信部曾經(jīng)表示，中國(guó)光刻機(jī)與世界先進(jìn)水平有 15 年差距。事實(shí)上，差距可能不止 15 年，因?yàn)橛行┘夹g(shù)并非靠時(shí)間就能解決。

光源、鏡片與聯(lián)盟

阿斯麥并不可怕，可怕的是以它為核心的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。在阿斯麥上游，是卡爾蔡司、Cymer 這樣的產(chǎn)業(yè)巨頭，在阿斯麥下游是臺(tái)積電、英特爾、三星這樣的代工大佬。

阿斯麥目前最搶手的 EUV 光刻機(jī)，其采用的 Cymer 激光源獨(dú)此一家。EUV 光束在多次反射后， 只有不到 2％ 光線能使用，能量轉(zhuǎn)化率極低。因此需使用強(qiáng)大光源，以此保證射線光源足夠強(qiáng)。目前，市場(chǎng)上只有 Cymer 公司可以提供，而 Cymer 公司已經(jīng)被阿斯麥?zhǔn)召?gòu)，成為其子公司。由此可見(jiàn)，如果沒(méi)有其他公司解決 EUV 光源問(wèn)題，上海微電子想要研制 EUV 光刻機(jī)無(wú)異于天方夜譚。

此外，摩托羅拉、AMD 等公司還有美國(guó)的三大國(guó)家實(shí)驗(yàn)室組成 EUV LLC 聯(lián)盟，內(nèi)部共享研發(fā)結(jié)果。而上海微電子目前并不是 EUV LLC 成員，以一家公司的力量，對(duì)抗十余家跨國(guó)公司、頂尖國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，怎么看都有點(diǎn)荒謬。

當(dāng)然，現(xiàn)在談?wù)?EUV 光刻機(jī)還太遠(yuǎn)，上海微電子首先要解決的可實(shí)現(xiàn) 45nm 制程節(jié)點(diǎn)的光刻機(jī)。然而，從 90nm 到 45nm 真的容易嗎？要知道，上海微電子已經(jīng)停留在 90nm 工藝 13 年，至今未取得突破。

某種程度上，并非上海微電子實(shí)力不行，實(shí)在是沒(méi)有合作伙伴。以浸入式光刻為例，阿斯麥最初在晶圓光刻膠上加 1mm 厚的水，水可以把 193nm 的光波長(zhǎng)折射成 134nm。后來(lái)不斷改進(jìn)高 NA 鏡片、多光照、FinFET、Pitch－split 以及波段靈敏光刻膠等技術(shù)，才逐漸實(shí)現(xiàn) 90nm、45nm、28nm、10nm、7nm 制程節(jié)點(diǎn)。

其中，多光照、FinFET 都屬于晶圓代工廠掌握的科技，高 NA 鏡片需要卡爾蔡司定制鏡片。上海微電子一來(lái)沒(méi)有長(zhǎng)期合作的晶圓代工廠，二來(lái)沒(méi)有固定的鏡片合作方，提升光刻機(jī)水平也無(wú)從入手。

如今，光學(xué)鏡頭頂尖企業(yè)主要有卡爾蔡司、徠卡、施耐德、尼康、佳能，其中卡爾蔡司是阿斯麥的合作伙伴，雙方有控股關(guān)系；尼康、佳能有自己的光刻機(jī)業(yè)務(wù)，合作也難以達(dá)成。上海微電子想要取得突破，多半要從徠卡、施耐德入手，定制高 NA 鏡片，從源頭上解決問(wèn)題。

接著，上海微電子需要找合適的代工廠聯(lián)手對(duì)現(xiàn)有光刻機(jī)進(jìn)行技術(shù)升級(jí)。考慮到臺(tái)積電、英特爾、三星均已入股阿斯麥，上海微電子或許可以與聯(lián)電、格芯、中芯國(guó)際等晶圓代工廠合作。

最后，上海微電子還需解決光源問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)科益虹源可以生產(chǎn) 40w 4kHz ArF 光源樣機(jī)，尚不能替代進(jìn)口光源。如果上海微電子與科益虹源合作，再聯(lián)手國(guó)內(nèi)頂尖光源實(shí)驗(yàn)室，或許可以解決這一難題。

光刻機(jī)看上去只是一臺(tái)設(shè)備，實(shí)際上涉及光源、鏡片、光刻膠、晶圓代工廠制程技術(shù)，并非一家公司可以解決?，F(xiàn)階段來(lái)看，上海微電子本身沒(méi)有能力承擔(dān)趕超阿斯麥的重任。至少需要四五家國(guó)內(nèi)外頭部企業(yè)為首，聯(lián)合數(shù)十家產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)、國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)室組成產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，解決生產(chǎn)制造鏈條中的每一道難關(guān)。

唯有這樣，中國(guó)光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)才有機(jī)會(huì)走向現(xiàn)代化、市場(chǎng)化，在 DUV 光刻機(jī)領(lǐng)域搶占一席之地。至于更加高端的 EUV 光刻機(jī)與 High－NA EUV 光刻機(jī)，國(guó)內(nèi)技術(shù)水平落后太多，談這些為時(shí)尚早。