光刻機與阿斯麥爾/艾司摩爾(ASML Holding)，中國大陸產光刻機展望

在中美貿易戰中，美國2018年製裁中興的手段立竿見影，而2019年把華為及70家關聯企業列入“實體清單”，也對華為產品的生產銷售帶來了極大的衝擊。這都源於中國包括華為和中興在內的電信設備和手機製造商需向美國企業，和含美國技術的外國或境外企業，購買生產電信設備和手機必須的，但中國企業尚無法生產的高端芯片。如果美國政府根據《出口管理條例》，禁止向華為銷售任何美國技術含量9%乃至5%的硬件、軟件產品，替華為代工生產7nm芯片的台積電(TSMC 圖 Google Images)就會斷供。而華為的最新高端手機如P40 Pro，P40 Pro+會因此停產。

一直以來，中國都在爭取建立自己的(高端)芯片產業，已經並繼續為此付出巨額資金。如中國最大的芯片製造商中芯國際(SMIC) 2018年以1.07億歐元(1.2億美元)的巨資向荷蘭光刻機巨頭阿斯麥爾/艾司摩爾(ASML 圖 Google Images)訂購了一台EUV光刻機。按計劃該台能大規模量產7nm芯片的關鍵設備應於2019年初交付設備。但先後因為火災和美國政府高官的遊說，迄今這台EUV光刻機仍然沒有在中國落地，卻轉售給了或者三星，或者台積電。

在激烈競爭的市場經濟機製下，生產商竟然可以把已付清巨額貨款的機器轉發送給排在後麵的第三國/地區的公司，且中國買家還隻能接受。ASML的底氣從何而來？答案在於全球絕大多數半導體生產廠商，如英特爾(Intel)、三星(Samsung)、海力士(Hynix)、台積電、中芯國際等，都采購ASML的高端光刻機，來生產最先進的(低納米級)芯片。目前世界上精度最高，生產效率最高，應用最為廣泛的TWINSCAN(雙工件台 圖)係列光刻機，則唯有ASML能夠生產。TWINSCAN係統，使光刻機能在一個工件台進行曝光晶圓片，同時在另外一個工作台進行預對準工作，並在第一時間得到結果反饋，生產效率提高大約35%，精度提高10%以上(浪劍客2019)。由此，ASML在世界高端光刻機市場占有90%的市場份額，更是100%壟斷了全球能生產10nm及以下芯片的光刻機(TWINSCAN係列)市場。

既然光刻機如此重要，中國為何不自己研發呢？其實，早在1965年，中國就利用光刻技術製造集成電路芯片集成電路了。但中國最早的光刻機-GK-3型半自動光刻機應該是由1445所研發成功的，這是一台接觸式光刻機。1978年，1445所開發的GK-4，把加工圓片直徑從50毫米提高到 75 毫米，但仍然是走的是接觸式光刻技術路線，而非技術更複雜，能刻製納米級的‘分步重複投影光刻’技術路線。1981年，中科院半導體所研製成功采用更新技術路線的JK-1型半自動接近式光刻機，1982年中科院109廠又生產出KHA-75-1光刻機，它們跟當時最先進的canon相比也就不到4年的差距，且至今仍在的使用。1985年，中國機電部45所研製出了中國第一台分步投影式光刻機，與國外的差距不超過 7年(美國是1978年)。1990年3月，中科院光電所研製的IOE1010G直接分步重複投影光刻機樣機，工作分辨率1.25微米，相當於國外80年代中期水平。

但自80年代底始，中國奉行“造不如買”的政策，對外開放光刻機市場，相應地影響了中國半導體的研，發，產。2000年前後中國啟動了193納米ArF光刻機項目後，這種情況有了改觀。2002年，上海微電子裝備有限公司(SMEE上海微電子 圖 董誌雯)承擔了“十五”光刻機攻關項目。至 2016 年，上海微電子已經量產 90 納米、110 納米和 280 納米三種光刻機。上海微電子基本上也代表了目前國產光刻機的最高水平。目前其自主研發的600係列光刻機可以實現90nm製程工藝芯片的量產，但其製程工藝和阿斯麥爾/艾司摩爾的差距還非常大。上海微電子與ASML間的差距，實際上反映了中國和西方在精密製造領域的差距。從美國的光柵，德國的鏡頭，瑞典的軸承，到法國的閥件等，一台頂級光刻機所需的關鍵零部件，都是中國不能生產，卻列入《瓦森納協定》(Wassenaar Arrangement)對中國禁運的頂級零部件。

中國目前共有五家廠商能生產光刻機，分別為:

1.上海微電子裝備有限公司已量產90nm,正在研究65nm的工藝。其芯片後道封裝光刻機在國內的市占率有80%，在全球的市占率達40%。

2.國電中子科技集團公司第四十五研究所光刻設備已經實現1500nm的量產。其在CMP設備、濕化學處理設備、光刻設備、電子圖形印刷設備、材料加工設備和先進封裝設備等領域具較強優勢。

3.合肥芯碩半導體有限公司自主研發的ATD4000，已經實現最高200nm的量產。

4.先騰光電科技有限公司擁有完全自主知識產權的LED光刻機生產技術,已經實現最高200nm的量產。

5.無錫影速半導體科技有限公司已成功研製用於半導體領域的激光直寫/製版光刻設備、國際首台雙台麵高速激光直接成像連線設備（LDI），已經實現最高200nm的量產。

與此同時，在國家的意誌和相應的財力支持下，中國的科技公司在朝向最終獨立研製頂尖光刻機方麵不斷有新的進展。2015年4月，北京華卓精科科技股份有限公司“65nmArF 幹式光刻機雙工件台”通過整機詳細設計評審，具備投產條件，已獲得多台訂單。華卓精科是繼ASML之後世界上第二家掌握雙工件台核心技術的公司，正開發28nm及以下節點浸沒式光刻機雙工件台並具備小批量供貨能力。2017年6月21日，中科院長春光學精密機械與物理研究所牽頭研發的“極紫外光刻關鍵技術”通過驗收。2018 年 11 月 29 日，中科院研製的“超分辨光刻裝備”通過驗收。光刻分辨力達到22納米，結合雙重曝光技術後，未來還可用於製造10納米級別的芯片。2019年4月，武漢光電國家研究中心的甘棕鬆團隊成功研發出9nm工藝光刻機。當然，業界對該技術路線的可行性仍有爭議。

同時，中國在工藝難度要低的別的一些相關技術上取得進展， 如中微公司的等離子體刻蝕設備已被廣泛應用於從65nm到7nm的IC加工製造及封裝。北方華創目前可以製造等離子刻蝕、物理氣相沉積、化學氣相沉積、氧化/擴散、清洗、退火等半導體工藝裝備。客觀地講，盡管有這些進步，短期中國在高端光刻機領域實現突破的可能性幾乎為0。因為如前所講，中國尚不能製造高端光刻機中的關鍵高精度零部件如鏡頭、光源、軸承等。而攻破相應的技術不但需要時間，也需要人才和不同部門的聯合協作。

分析ASML是如何成功的，尤其是它如何在曾經落後於同業競爭對手的基礎上，彎道超車，乃至一騎絕塵，占據行業高端的壟斷地位，或許對包括中國上海微電子在內的其他致力於光刻機研發的企業和人員有借鑒意義。

正確的技術路線或許是ASML成功的第一要素。美國阻止ASML對華出口的極紫外光刻機(EUV)，是目前全球隻有ASML能生產的高端光刻機。ASML采納正確的技術路線關鍵之一，便是它以較低姿態答應了若幹條件進入了美國人組織的EUV LLC組織，來接觸並利用美國的技術。EUV LLC是由Intel和美國能源部共同發起，研究EUV可行性的組織。EUV最早是英特爾牽頭聯合眾多公司及實驗室成立的一個組織專門研究的技術。EUV LLC解散後，唯有ASML篤定做EUV。通過幾十年技術的積澱，和足夠的耐心，ASML成功了。

在對技術自身研發投入的同時，ASML還通過並購來獲得關鍵技術。例如，2000年以16億美元收購了市值隻有10億的矽穀集團SVG，獲得了關鍵的反射技術；2007年以2.7億美元收購Brion後推出實時量測和矯正解決方案；2014年以19.5億歐元(約25億美元)收購(美國)Cymer公司得到了深紫外光源技術；2016年以10億歐元收購德國蔡司旗下的蔡司半導體有限公司(Carl Zeiss’s SMT 圖 Digital Imaging Reporter)24.9%的股權，來共同研發最頂尖的光學技術。這些並購讓ASML最終打通了極紫外光刻機的生產產業鏈，加快了其成功的進程，進而壟斷了EUV市場。

ASML的成功還在於它與半導體巨頭們形成的利益共同體。ASML要求想要獲得光刻機的優先供貨權的買家，必須入股ASML。如英特爾、三星和台積電都是ASML股東，分別在2012年向ASML投入41億、5.03億、8.38億歐元。這樣ASML既獲得了研發和並購資金，也還保證了穩定的產品買家。

當然，ASML成功的要素遠不止於此。相信已有大量的相關研究，本文就不再贅述。

必須指出，ASML並不是唯一的光刻機製造商。其競爭對手，當然是在中端市場，而非高端的EUV光刻機市場的對手，有日本的佳能(Canon)和尼康(Nikon)。Canon公司1970年以投影和接觸接近式光刻設備起步，先後研製推出了PLA係列步進式、MPA係列等倍掃描式、投影式和FPA係列步進縮小投影式、掃描式三大係列的光學光刻設備約10000台，但由於技術路線失誤，Canon自2008年始已逐步退出半導體用光刻機市場，業務集中於中低端的封裝光刻機、LED光刻機以及麵板光刻機。精密光學技術公司Nikon也在1980年代開始研發銷售各種半導體光刻器材，鼎盛時一年售出900台光刻機。但2008年後，Nikon的出貨量就急速下滑。2018年Nikon的半導體用光刻機出貨量是36台。

對尚正在爬坡，向中端光刻機進軍的半導體光學器材研發企業，包括中國最先進的上海微電子來說，製造高端光刻機之路，是道路注定不會平坦順利。尤其當對手也在不斷進步的時候 - ASML正在研製的光學性能更好、可同時處理更多矽晶片的新型EUV光刻機，預計將於2023年交付用戶。但有了華為逆襲成功的先例，任何事情皆有可能。在錨定技術路線後，以充沛的人員與資金的支持，加上相關行業的協同攻關，一心一意，心無旁騖，其餘的，交給上帝就行了。

附注

《瓦森納協定》又稱瓦森納安排機製，全稱為《關於常規武器和兩用物品及技術出口控製的瓦森納協定》(The Wassenaar Arrangement on Export Controls for Conventional Arms and Dual-Use Good and Technologies)，目前共有包括美國、日本、英國、俄羅斯等40個成員國。盡管“瓦森納安排”規定成員國自行決定是否發放敏感產品和技術的出口許可證，並在自願基礎上向“安排”其他成員國通報有關信息。但“安排”實際上完全受美國領導。

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