道客优

中国为什么造不出一台最好的光刻机？

开篇先有奖竞猜一个问题：博通、高通、ADI、德州仪器、美光、阿斯麦几家公司，市值最高的是谁？

连续问了几位同事之后，博通、高通都出现在答案之列，但他们无一例外错过了正确答案：市值最高的是阿斯麦 ( ASML ) 。 ( 具体原因，后文有答案）

市值均折合 RMB 计算

统计于 2020 年 3 月 31 日，来源：网络

阿斯麦占据超过全球 70% 的高端光刻机市场，最先进的 EUV 光刻机一台卖价高达上亿元 ( 1.2 亿美金），且供不应求，因为在高端光刻机市场全球仅阿斯麦一家。以目前最先进的 7nm 和 5nm 制程来说，只有阿斯麦的 EUV 光刻机才能达到。

光刻机的世界里不允许 " 退步 "

首先我们先了解一下光刻机的作用原理。（技术达人可直接略过）

芯片的制造包括沉积、光刻胶涂覆、曝光、显影、蚀刻、移植、剥离等工序，其中曝光是微芯片生产中的关键工序，ASML 正是处于半导体产业链中的曝光环节。

光刻机的作用原理有点像投影仪，首先由光刻设备投射的光源通过带有图案的掩模投射出来，经过透镜或镜子将图案聚焦在晶圆（类似于投影幕布）上。

不过投射之后形成的形状不是平面的而是立体的，通过蚀刻曝光或未受曝光的部分来形成沟槽，然后再进行沉积、蚀刻、掺杂，架构出不同材质的线路，生出基础轮廓。此工艺过程被一再重复，将数十亿计的 MOSFET 或其他晶体管建构在硅晶圆上，形成一般所称的集成电路。

芯片在生产过程中需要进行 20-30 次的光刻，耗时占到制造环节的 50% 左右，占芯片生产成本的 1/3，光刻环节也决定着芯片的制程和性能水平。

细数光刻机发展的这么多年，入局者们基本围绕降低 CD（曝光关键尺寸，可作为判断分辨率的依据）展开竞争。

CD=k1* ( λ /NA )

CD 值越小表明曝光形成的关键尺寸越小水平越高，各大厂商能做的也就是降低波长 λ，提高镜头的数值孔径 NA，降低综合因素 k1。

在光刻机的历史上共经历三个时代，可以总结为：美国铺路，日本壮大，ASML 独步称霸。

美国铺路（60-80 年代）

代表企业：GCA、Perkin Elmer、Kasper

美国在 20 世纪 50 年代就已经拥有了接触式光刻机，60 年代提出了投影式光刻概念，真正研制成功 1:1 投影式光刻机是在 1973 年（美国 Perkin-Elmer 公司，对，就是那个在新冠疫情期间频频出力的 P&E），迅速占领市场。

1978 年，GCA 推出真正现代意义的自动化步进式光刻机 ( Stepper ) ，分辨率比投影式高 5 倍达到 1 微米，但产量低。受制于效率，P&E 此后也领先过一段时间。

日本壮大（80 年代 -2004 年）

代表企业：尼康、佳能

Stepper 在 80 年代初期引领风潮，初期，尼康与 GCE 各占市场 30% 份额，两者并立并没有持续太久，尼康就独自为王，占领超过 50% 的份额，一直到 ASML 崛起为止；佳能则凭借对准器的优势也占领了一席之地。

顺便插一句，初代光刻机的命运就没那么好了：90 年代左右，P&E 后被 SVG 收购，GCA 后被收购然后倒闭。

新生代 ASML: 逆袭者（2004 年 -）

ASML 诞生于 1984 年，脱胎于飞利浦实验室，以研究 Stepper 起家，早几年它想和 P&E、GCA、IBM 合作，但这些大佬都不理它。彼时，荷兰一家叫 ASM International 的小公司主动要求合作。飞利浦犹豫了一年，勉强同意成立股权对半的合资公司，这就是阿斯麦。

或许是 ASML 的天资表现得过于缓慢，对于这个亲生孩子飞利浦并没有投入太多感情，甚至连办公室都没提供，阿斯麦早期的 31 人团队勉强在飞利浦大厦旁边的简易屋里办公。

阿斯麦刚成立时的办公地是飞利浦大厦前的简易木棚房，就是图中紧挨垃圾桶的小房子。

图片来源 / 阿斯麦官网

在这个时期，市场主要被尼康垄断，ASML 属于小步快跑的阶段，直到 2000 年台积电关键人物林本坚带着颠覆 ASML 发展的 " 浸入式光刻 " 设想与 ASML 合作。

回到之前提到的判断分辨率的公式：CD=k1* ( λ /NA ) ，" 浸入式光刻 " 改变的正是参数中的 N，即折射率。

以往在透镜和晶圆中的介质是空气，N 为 1，而介质变为水时 N 是 1.44，N 越大，曝光关键尺寸越小，分辨能力越好水平越高。

彼时的尼康和佳能都执着于改变 λ，包括光刻大厂 ASML 也投入约 7.5 亿美元做研发，但是，这个技术的进展在 157 纳米遇到严重卡关。而水介质的提出如果实现完全可以达到 " 四两拨千斤 " 的作用，后来证明确实有效。

林本坚的浸润式光刻，几乎被尼康、佳能、IBM 等所有巨头封杀，因为这些巨头已经在上面投入甚多，尼康甚至向台积电施压，要求雪藏林本坚。

彼时不温不火的 ASML 选择了台积电成为其后来逆袭的关键。2004 年，ASML 和台积电共同研发出第一台浸润式微影机，优秀的性能和稳定的技术，让阿斯麦的产品全面碾压尼康，自此 ASML 一往无前。

赢者通吃

光刻机制造为什么这么难？

光刻机的世界只存在赢者通吃。

因为对于大多数厂商来说，一款新产品从投入到使用通常会耗费两三年 ，时间就是金钱，厂商们通常会优先选择先进的成熟的产品。除此之外，长周期投入以及高技术壁垒等都是很多新入局者难以逾越的高山。

总结下来，主要有以下几点：

技术上壁垒高

ASML 总裁 Peter Wennink 也在媒体上方言：高端的 EUV 光刻机永远不可能（被中国）模仿。

" 因为我们是系统集成商，我们将数百家公司的技术整合在一起，为客户服务。这种机器有 80000 个零件，其中许多零件非常复杂。以蔡司公司为例，为我们生产镜头，各种反光镜和其他光学部件，世界上没有一家公司能模仿他们。此外，我们的机器完全装有传感器，一旦检测到有异常情况发生，Veldhoven 总部就会响起警报。"

长周期投入

光刻机是典型到极致的高风险、高投入的赛道，前期的投入很高收益很慢，有时候身体要贴钱投入。从下图可以看出，从 ASML 的研发投入基本达到 15% 以上，有时候全年负增长也是常态。

据一位在 ASML 工作的知乎作者 @俗不可耐透露："ASML 的 EUV 光刻机才真正开始盈利 "，而 ASML 在这项技术上投入的时间是 27 年。

试问有多少企业可以做到。

更换供应商成本太高

买到一台机器和用好机器是两码事。

ASML 极紫外（EUV）光刻机每台售价达到 1.2 亿美元，重达 180 吨，零件超过 10 万个，运输时能装满 40 个集装箱，安装调试时间超过一年。除此之外，磨合与提高良率都需要时间堆砌，只要没有大的技术变革，厂商们不可能轻易放弃 ASML 当其他厂商的小白鼠的。

台积电（占据全球晶圆代工的大半壁江山）、三星、英特尔、格罗方德包括国内的中芯国际都是 ASML 的客户，其中三星、英特尔、格罗方德还是 ASML 的股东，三大巨头转投其他家的可能不大。

光刻机之所以重要，在于它是实现摩尔定律的基础。

摩尔定律指出：集成电路上能被集成的晶体管数目，将会以每 18 个月翻一番的速度稳定增长。

可以把晶圆的整体构造想象成在微观世界构建大楼，如果想让整个建筑有更多的小房间可以容下晶体管，这就要求房屋的整体框架要精细再精细。反映到光刻机上就意味着它投射到晶圆上的尺寸越小。

EUV 光刻机代表了大厂在先进制程方面的领先性，目前只有荷兰 ASML 一家能够提供可供量产用的 EUV 光刻机。各大 Foundry 厂和 IDM 厂在 7nm 以下的最高端工艺上都会采用 EUV 光刻机，客户以英特尔、台积电、三星、SK 海力士为主。

ASML 在 2019 年出售了 26 台极紫外线 ( EUV ) 光刻设备，大概一半供给了台积电。

逆流而上的国产光刻机

中国利用光刻技术制造集成电路芯片的时间，大致应当是在 1965 年前后。资料能查到的最早的光刻机是 1445 所在 1974 年开始研制，至 1977 年研制成功的 GK-3 型半自动光刻机，那是一台接触式光刻机。

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通过评议，工作分辨率 1.25 微米，主要技术指标接受美国 GCA8000 型的水平，相当于国外 80 年代中期水平。

从以往的资料显示，我国在光刻机研究方面并没有停止脚步，真正的发展一般认为是在 2002 年上海微电子装备 ( SMEE ) 成立以后，目前上海微电子已量产的光刻机中性能最好的是 90nm 光刻机。除此之外，国内光刻机厂商还有中电科集团四十五研究所、合肥芯硕半导体等。

上海微电子装备 ( SMEE )

作为国内光刻设备的龙头企业，由于起步较晚且技术积累薄弱，目前最先进的光刻设备也只能提供最高 90mn 的工艺技术。单从指标上看，基本也和 ASML 的低端产品 PAS5500 系列属于同一档次。

合肥芯硕半导体有限公司

合肥芯硕半导体有限公司成立于 2006 年 4 月，是国内首家半导体直写光刻设备制造商。该公司自主研发的 ATD4000，已经实现最高 200nm 的量产。

下滑查看公司介绍

近期国产光刻机迎来好消息：上海微电子公司打破封锁，研发出 22nm 光刻机，这也是我国在光刻机领域的先进水平，虽在进步但离国外先进技术差距还很大。

当前来看，中芯国际两年前预定的 EUV 光刻机由于各种因素还未到货，受制于技术进步，受制于客观因素，是无可选择之事。另一方面以上海微电子为代表的科研工作者还在披荆斩棘继续前进。

筚路蓝缕，还要继续走吗？

套用著名的马洛里式回答：当然，因为路就在那里。