兵進光刻機，中國晶片血勇突圍戰

一

中學課本上有一篇文章叫《核舟記》，講述了古人在核桃上刻出蘇軾泛舟赤壁圖的奇巧技藝。

幾百年後的今天，半導體產業已經將這種細微處創造天地的技藝發展到真正妙至顛毫的境地。

從1947年美國貝爾實驗室里誕生的點接觸型的鍺晶體管開始，晶片半導體產業迅猛發展，如今已精密到在一粒米上刻下整部《紅樓夢》不成問題。這背後需要一個強大的工具——光刻機。

說到光刻機，這個一直低調隱匿在晶片產業幕後的人類偉大發明，仿佛一夜之間受到了全世界的關注。

今天，IT之家小編汐元就和大家聊聊光刻機的那些事。

二

中美貿易摩擦從2018年開始不斷升級，影響全球，其中技術封鎖和非法斷供是美國一系列施壓措施的武器之一，以打擊國內一批高科技企業。首當其沖就是晶片半導體產業。

2018年美國制裁中興的手段立竿見影，正是鎖住了國內企業在晶片產業上無法自主的咽喉。

而華為能夠抵擋到現在的關鍵，也是因為華為本身的海思晶片業務發展得風生水起。

但前不久，IT之家報導了台積電因美國施壓可能無法向華為穩定供貨14nm晶片的消息，雖然還不確定結果，但不得不令人擔憂。

根據美國《出口管理條例》的限制，產品涵蓋硬件、軟件等的美國技術含量超過25%，就會被要求禁止銷售給中國。

哪怕國外製造，但源自美國的內容超過25%，也在限制範圍內。

報導中稱，台積電內部評估，其7nm工藝源自美國技術比重不到10%，14nm比重大約15%。

這意味著若美國真的將「源自美國技術」的標準從25%下調至10%，那麼14nm晶片的供貨將受到限制。

作為台積電重要客戶之一，華為將深受不利影響。更讓人擔憂的是，萬一未來7nm、甚至5nm晶片供應也被限制，那華為無疑也將被扼住7寸。

三

晶片行業的玩家大概能分成三種：IDM、Foundry和Fabless。

IDM意思是晶片的設計、製造、封測都能做，有完整能力，像三星；Foundry的意思是只做代工，例如台積電；Fabless就是專注於晶片設計與銷售，例如華為海思。

是的，華為海思只負責做晶片的產品設計和銷售，不具備製造、封測的能力，所以要依賴代工廠。

而縱觀國際市場，能滿足華為代工要求的，只有三星和台積電兩家。三星本身和華為有著競爭關係，所以一直以來華為和台積電合作緊密。

但如果這次台積電在美國的施壓下停止對華為14nm晶片供貨，後果很難想像。

並且最近市場還有傳聞，台積電擔心華為過度建立庫存，因而減少華為7nm晶片的供貨，重新分配產能。

最終結果還未可知，但這些消息都在給我們敲響警鐘：一旦我們依賴的供應商斷貨，我們將束手無策。

而這一天很可能來得比想像中快，就像去年美國政府將華為列入實體清單，幾天之後Google就暫停了安卓和其他服務對華為的支持。

風暴來臨的速度永遠會讓人措手不及。

四

還好華為意識到了這一點，IT之家之前也報導，華為正積極將14nm晶片訂單轉交給大陸晶片代工廠中芯國際。

▲圖自：中芯國際官網

中芯國際去年已經成功做到第一代14奈米FinFET工藝量產，今年1月14日，中芯南方廠投產國內首條14nm生產線，月產能可達到3.5萬片。同時，他們的12nm技術已經進入客戶導入階段，這是一個令人振奮的消息。

對於目前十分關鍵的7nm工藝，中芯國際早在2017年就開始布局，並打算在今年年內進行風險試產。

但是，目前有一個問題橫亙在面前：他們缺少一台7nm EUV光刻機。這是決定能否大規模量產7nm晶片的關鍵設備。

根據日媒披露，中芯國際在2018年就向荷蘭光刻機巨頭ASML訂購了一台EUV光刻機。

ASML是目前全球唯一能生產這種設備的廠商。雙方計劃的是2019年初交付設備。

然而，這台光刻機的交付之路可謂崎嶇多舛，但直到目前，仍然沒有在中國落地。

2018年末，就在接近7nm EUV光刻機向中芯國際交付的時間點上，ASML的元器件供應商Prodrive突遇火災，工廠部分庫存、生產線被燒毀，2019年的交貨計劃也被迫延遲。

然後，英國路透社稱援引不具名的知情人士消息，美國政府從2018年開始就與荷蘭官員至少進行了4輪會談，企圖阻止ASML向中國出售EUV光刻機。為此美國國務卿蓬佩奧甚至親自遊說荷蘭政府。

這中間，還有荷蘭當地媒體報導稱ASML美國子公司的中國員工竊取ASML的技術並泄露給中國企業的事件。

……

不過好在，ASML方面都及時作出了澄清，他們表示媒體有關「延遲交貨」的說法是存在錯誤的，所謂「中國間諜」竊取技術的事件也存在誤讀，ASML只是在幾年前被矽谷的一小部分員工侵犯了知識產權，其中恰好部分涉案員工是中國人而已。

他們表示：不會對中國斷供光刻機。

同時ASML解釋了EUV光刻機目前還沒有交貨的原因：

根據瓦聖納協議，ASML出口EUV到中國，必須取得荷蘭政府出口許可，但該出口許可在今年到期，所以ASML在到期前重新進行申請，目前正等待荷蘭政府核準。

只是到目前，這台EUV光刻機究竟何時交付，還是未知數。

五

說到這里，可能有IT之家小夥伴仍然不清楚光刻機對於晶片行業的重要意義，它到底是什麼？汐元利用這一節給大家科普一下。

首先要從一枚晶片到底是什麼製造出來的說起。

我們經常聽說，晶片是沙子做成的。沒錯。晶片製造第一步就是將沙子液態化，然後去除雜質，提取高純度的矽。

▲高溫熔化的沙子

接著通過精密控制溫度和旋轉的速度，將矽拉成矽棒。然後將矽棒切成一片一片的，形成晶圓。

▲拉矽棒

▲切成晶圓

晶圓需要進一步處理，包括在表面形成矽化合物、植入離子、化學氣相沉積等各種操作，最後在晶圓表面覆蓋光阻（一種光敏材料）。

▲形成化合物

▲植入離子

這些通常被統稱為「光刻膠」。

▲形成光阻材料

然後，關鍵的操作來了，我們需要將晶片設計師設計的電路圖寫到很多層的光罩（掩膜）上，然後用光源透過光罩，像幻燈機一樣把光罩上的電路圖顯影在晶圓表面。

▲投影

由於光敏材料和光的反應，等於將電路圖「畫」在了晶圓上。

這個過程就是光刻，需要符合要求的光刻機才能完成。

接下來，還要對已經顯影了電路圖的晶圓進行蝕刻、物理氣相沉積等操作，就是給晶圓表面的元件加入金屬導線。

▲蝕刻

然後，就是對晶圓進行化學機械研磨，使晶圓表面的材質平坦化。

最後，就是對晶圓進行切割、封裝、測試等，最終形成我們使用的晶片。

雖然汐元幾句話說完了，但是實際生產的時候，前後可多達5000道工序，極度複雜。

回到剛才說到的光刻環節。光刻光刻，是把光當作刀子一樣在晶圓表面刻畫電路圖。所以，這里的光源，非常重要。

光源的精密程度，決定了寫入晶圓的電路的精密程度，也就決定了晶片上的晶體管能做多小，這，也就和我們掛在嘴邊的XX奈米工藝直接相關。

怎樣定義這個精密程度呢？答案就是光源的波長。

翻一下電磁波的波譜，可以發現在所有的光線中，紫外線的波長幾乎是最短的了。

所以，整個半導體制程的進化過程就是考慮怎麼使用波長更短的紫外光的過程。

給大家看一張表格：

在此之前，行業里主流的光刻機使用的是DUV深紫外光源。深紫外光源就是波長短於300nm的紫外光線，主要使用的是KrF和ArF兩個波段，他們製造40nm制程以下半導體已經比較吃力了。

但是科技廠商們發揮聰明才智，一直讓DUV的支持延續到了10nm甚至7nm（也就是所謂的第一代7nm工藝），但是再往下，DUV就真Hold不住了，只能使用波長為13nm左右的EUV極紫外光線。

我們知道，工藝制程越小，技術挑戰的難度就越高，當工藝制程小於10nm的時候，逼進物理極限，摩爾定律也面臨失效，這種極限挑戰下，需要投入的技術資源以及研發資金是不可想像的，全球其實沒有多少家半導體企業能支撐。

而當今世界，唯一能夠造出EUV極紫外光刻機的，就是ASML。所以它被人們譽為「摩爾定律的拯救者」。

六

可能有IT之家小夥伴會問：為什麼只有ASML能造出EUV光刻機呢？這個EUV光刻機到底難在哪里？

我們首先需要明白EUV光刻機的工作原理。當然，細節極度複雜，汐元盡量用簡單的話講清楚。

上一節我們講過，光刻這部分原理其實很簡單，就是讓光透過寫有電路圖的多層光罩，將電路圖顯影在晶圓上。

▲再看一遍這個圖

所以有兩個關鍵點，一個是光源，一個是光罩。

極紫外光源怎麼產生？方法不止一種，ASML的辦法是，用強烈的雷射光兩次轟擊「錫液滴」，就可以產生波長13.5nm的極紫外光。

▲轟擊錫液滴

然後，利用複雜的光學結構將極紫外光變成極紫外光雷射。

具體的方法大家不用了解，涉及高端的化學知識和光學知識。

變成的雷射光還要經過一段複雜的照明光學系統，目的是將雷射光整形成需要的樣子，然後通過光罩來成像。

▲圖自ASML官方

這里有一點，前面我們說的，過去的光刻機是光線穿透光罩成像，像幻燈機一樣。

但是極紫外光不一樣，它很脆弱，會被光罩的材料吸收。這是個難點，對光學系統的要求極高。

為了避免極紫外光被吸收，EUV光刻機中，必須使用反射式光罩來成像。

EUV光刻機的原理基本就是這樣。說起來簡單，但實際有很多難點：

首先，如何讓雷射準確擊中錫液滴？而且是前脈沖和主脈沖能夠擊中錫液滴2次，同時每秒鐘擊50000次。怎麼樣，嚇人吧。

再就是剛才說的，EUV光產生後，還需要經過複雜的光學系統，怎麼樣讓光不被光學鏡片吸收，保證轉換效率？這需要極端強大的光學技術支持。

還有一個問題是電源，目前的電源無法產生足夠的功率讓EUV大幅度提高效率。

然後，還有光刻膠光阻的敏感度、光子散射噪音引起的隨機現象等，都是EUV光刻機面臨的問題。

有數據說，每台EUV光刻機有超過10萬個零件、3千條電線、4萬個螺栓、2公里長的軟管等零組件，最大重量達180公噸。

製造難度可想而知。

這樣一台光刻機多少錢呢？

根據媒體報導，此前中芯國際訂購的EUV光刻機是1.2億美元，相當於人民幣8億多元，而先進的EUV光刻機可以達到1.5億美元，約合人民幣10億元！這比美國第四代戰鬥機F35的價格還貴！

雖然這麼貴，但想買EUV光刻機還不止是錢的問題，關鍵是它的產量極低，ASML一年也就能生產十幾到二十台EUV光刻機，全球那麼多半導體企業，爭破頭皮也不一定買得到。

七

那麼ASML憑什麼能造出這種設備呢？

這家公司的崛起之路其實也頗為曲折，日後有時間汐元可以詳細為大家講一講。

簡單來說，其實早期的光刻機製造並不複雜，最早是日本的尼康和佳能進入這個領域，但後來讓美國的Perkin Elmer和GCA公司捷足先登。

不過尼康和佳能也不是吃素的，在上世紀80年代，逐步擊敗前面兩家美國公司。

那個時候，還沒有ASML什麼事，他們在1984年成立，當時只是飛利浦的一個小部門。

不過他們很給力，第二年就和蔡司合作改進光學系統，1986年就推出了自家很棒的第二代產品PAS-2500。

到了八十年代末，GCA衰亡，Perkin Elmer賣身給美國另一家巨頭光刻機SVG。但後來，SVG發展也不行了，在2000年被ASML收購，ASML在這次收購中獲得了關鍵的反射技術。

90年代末21世紀初，行業需要超越193nm的解決方案，這實際上是ASML和尼康的決戰。ASML在2002年接受台積電提出的浸入式193nm的技術方案，光源也就是DUV深紫外光。

而尼康作了一回死，它和英特爾合作一起研發了一個非常超前的技術，結果失敗了。

於是ASML從此逐漸超越尼康，成為光刻機領域的霸主。後來英特爾離開了尼康，轉身投向ASML陣營。

至於EUV光刻機，其實最早是英特爾牽頭搞的，還聯合很多公司以及實驗室成立了一個專門研究EUV的組織，其中就包括ASML。

後來這個組織解散了，就剩ASML還篤定要做EUV。

2012年，英特爾、三星和台積電分別以41億、5.03億、8.38億歐元入股ASML，因為要打造EUV光刻機，耗資巨大。

當然，英特爾、三星和台積電也沒吃虧，後來事實證明，他們不僅享有EUV光刻機的優先供貨權，並且由於ASML股價暴漲，在後來出售或減持ASML股份時，這三巨頭都獲利頗豐。

從這簡短的發展歷程能看出，之所以只有ASML能造出EUV光刻機，汐元總結，有三個原因：

一是幾十年技術積淀，足夠耐心。

這個積淀有兩個途徑，一個是自身研發投入，另一個是並購，例如前面說的，收購SVG獲得了關鍵的反射技術，還有收購美國光學技術供應商Cymer得到了光源技術，收購蔡司半導體公司24.9%的股權，並與之共同研發最頂尖的光學技術。

二是賭對了技術方向，能製造7nm工藝的晶片技術不止一種，但EUV是比較可行的；

第三點，也是最重要的，不缺錢，不缺資源。

ASML有一項獨特的規定，就是要想獲得光刻機的優先供貨權，必須入股自己，這樣就等於將半導體巨頭們綁定成利益共同體，無論是資金還是技術資源，都有保證。

其實，ASML光刻機設備90%的零部件都依賴外購，正是因為和眾多技術供應商形成利益共同體的關係，ASML才能整合最頂尖的資源來辦大事。

八

ASML雖然偉大，但畢竟是別人家的。

本文開頭對當前局勢的分析，相信IT之家小夥伴們也很清楚，對於中國來說，只有自己掌握了核心科技，才能不被外界掣肘。

所以最後一節，我們回到文章開頭所說情勢，聊一聊國產光刻機目前的發展現狀。

中國對光刻機的研究起步並不晚，大概在上世紀70年代，早期的型號主要是接觸式光刻機。所謂接觸式光刻機，也就是光罩貼在晶圓上的。中科院1445所在1977年研制出了一台接觸式光刻機，比美國晚了二十年左右。

1985年，機電部45所研制出了第一台分步投影式光刻機，而美國在1978年研制出這種光刻機，當時使用的是436nm G線光源

90年代的時候，國內光刻機在技術上和國外其實相差還不遠，大概相當於國外80年代中期的水平。

不過要知道，光刻機這種東西，工藝（即採用光源的波長）每向前進一個台階，製造的難度、需要的資金，都是指數級增長的，越往後越難搞。

2000年開始，大陸開始啟動研究193nm ArF光刻機的項目。正如前文所說，那個時候ASML已經正在研究EUV光刻機了。

2002年，光刻機被列入國家863重大科技攻關計劃，由科技部和上海市共同推動成立上海微電子裝備有限公司來承擔。

上海微電子基本上也代表了目前國產光刻機的最高水平。經過十多年的發展，目前其自主研發的600系列光刻機可以做到90nm制程工藝晶片的量產，使用的還是193nm ArF光源。

很明顯，從制程工藝的角度上看，國產光刻機目前和ASML差距非常大。不過，換個角度看，國際上其他國家也基本沒有量產157nm及以下光刻機的。從這一點可以看出，ASML還是非常牛的。

目前上海微電子還在研究為65nm制程晶片服務的光刻機，什麼時候能夠做出來，還不好說。

還有的，就是一些實驗室取得的成果，以及一些媒體誤讀。

例如2019年4月，武漢光電國家研究中心的甘棕松團隊成功研發出9nm工藝光刻機，這個就還是實驗室里取得的成果，使用的也不是ASML的那一套方案。

再例如2018年11月，中國科學院光電技術研究所「超分辨光刻裝備研制」項目通過驗收，做到了22nm的分辨率，引起媒體一陣沸騰。

但其實，這個設備基本上可以說並不是用來製造晶片的，距離製造晶片也非常遙遠。

所以這里也說明一下，光刻機不僅是用來製造晶片的，也可以用來製造一些光學領域的其他器件等。

總之，目前國產光刻機能做到的制程水平還卡在90nm，和ASML差距明顯，高端光刻機還是要靠進口。

九

世界局勢風雲變幻，現實不斷催促我們必須盡快在半導體技術領域有所突破。

但是，在這個產業里，其實也沒有什麼捷徑或者彎道超車的路可走，只有一個制程節點一個制程節點地去攻破，積淀技術。想要追趕國際領先的水平，只有付出更多的精力，投入更多的資源。

光刻機，當然至關重要，但並不是說，花錢買來一台EUV光刻機，中國半導體產業就能一躍而上。

同時，這個行業進化節奏之快，對於科研人員來說，也沒有太多成績上的激勵，必須十年甚至幾十年如一日地沉下心來去做。

而這，是ASML能夠崛起的原因，也是我們想要做到追趕的唯一途徑。

參考

• 台積電官方資料，2017-06-08，《認識晶圓的製造過程》

• oFweek，2019-05-25，《中芯國際美國退市是怎麼回事？為什麼中芯國際美國退市？》

• 金捷幡，2019-05-06，《光刻機之戰》

• 觀察者網，2019-01-07 ，《40年前中國就能造光刻機？真是「開局一張圖…..」澎湃新聞》

• 澎湃新聞，2020-01-15，《國產光刻機的現狀》

• 潔淨工程聯盟 ，2016-11-24，《EUV光刻究竟難在哪里？看完本文你就明白了 》

• 天下網商，2020-01-09，《14nm晶片面臨斷供，7nm晶片遭大幅砍單，華為迎來最難一關》

• 摩爾芯聞，2019-01-05，《國產光刻機水平究竟如何？》

• 科技日報，2018-12-03，《國產22奈米光刻機治不了咱們的「芯」病！》

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