先進制造業(yè)的核心在于芯片，而芯片制造的核心在光刻機。

光刻機，一個熟悉又陌生的名字。說它熟悉，是因為經(jīng)常在各大媒體上看到；說它陌生，是因為很少有人熟悉光刻機的構(gòu)造，它的誕生、發(fā)展與制造難度，這一切似乎都是一個謎。

在芯片制造漫長的產(chǎn)業(yè)鏈中，光刻機的地位無人可以撼動。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)。每一臺光刻機都價值億萬，每一臺光刻機都將決定半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的市場格局。

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

光刻機的緣起

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

真正的芯片制造過程枯燥且無趣，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。光刻的原理看起來似乎與膠片時代的照相制版，都是在一個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)與研究機構(gòu)都能獨立制造光刻機。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、縮小步進投影、步進掃描投影等曝光方式的變革。曝光光源的波長由 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，這里的波長數(shù)值與芯片制程的數(shù)值并不等同。以 193 納米 ArF 光刻機為例，最小分辨率為 7 納米，也就是說最高可以生產(chǎn) 7nm 芯片。至于 13．5 納米光刻機，就是我們常說的 EUV 光刻機，分辨率為 ArF 光刻機的 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。

綜合來看，光刻機大致分為五代。第一代、第二代光刻機為汞燈光源，采用接觸式光刻，即掩模貼在硅片上進行光刻。這種工藝并不算尖端科技，光刻機工作原理與幻燈機類似，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，光源通過掩模，經(jīng)光學(xué)鏡頭調(diào)整和補償后，以掃描的方式在硅片上實現(xiàn)曝光，成功將最小制程節(jié)點提升至 180nm。

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

中國光刻機的進展

光刻機雖然只有短短五代，可中間的競爭并非可以用幾句話說清。2002 年，臺積電公司林本堅博士提出“浸沒式光刻機技術(shù)”，決定了阿斯麥的興起，尼康、佳能的衰落。而阿斯麥?zhǔn)召彍?zhǔn)分子激光源巨頭 Cymer，推出第三款 EUV光刻機 NXE：3400B，則決定了未來幾十年光刻機市場格局。

在全球光刻機市場中，上海微電子代表了中國光刻機的最高水準(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，其中我們最常提到的光刻機就是 IC 前道制造光刻機。

上海微電子 SSX600 系列光刻機擁有三大型號，其中 SSA600／20 采用步進掃描投影技術(shù)，最高可實現(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，乍一看似乎離最先進的第五代極紫外光刻機只有一步之遙。

可惜，第四代光刻機也分優(yōu)劣，早在 2003 年，阿斯麥就研制出世界上第一臺浸入式光刻機。在接下來十幾年時間里，阿斯麥不斷推出新產(chǎn)品，提高光刻機的技術(shù)水平。

此外，上海微電子采用的步進掃描投影技術(shù)與阿斯麥采用的浸入式技術(shù)分屬兩大門類。當(dāng)初，如日中天的尼康也用步進掃描投影技術(shù)，可惜英特爾、臺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無人問津，難以維持產(chǎn)品營收平衡。一款難以盈利的產(chǎn)品自然不會獲得新的研發(fā)資金，步進掃描投影技術(shù)路線注定難以成功。

與普通產(chǎn)品不同，光刻機這類產(chǎn)品客戶極少，產(chǎn)品數(shù)也特別少，因此產(chǎn)品進步往往需要客戶一起努力。阿斯麥之所以能戰(zhàn)勝尼康、佳能等競爭對手，客戶的支持密不可分。英特爾直接轉(zhuǎn)讓了大量光刻機專利，臺積電甚至直接貢獻了“浸沒式光刻機技術(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 等五個重要制程節(jié)點。工信部曾經(jīng)表示，中國光刻機與世界先進水平有 15 年差距。事實上，差距可能不止 15 年，因為有些技術(shù)并非靠時間就能解決。

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，其采用的 Cymer 激光源獨此一家。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。因此需使用強大光源，以此保證射線光源足夠強。目前，市場上只有 Cymer 公司可以提供，而 Cymer 公司已經(jīng)被阿斯麥?zhǔn)召彛蔀槠渥庸尽Ｓ纱丝梢姡绻麤]有其他公司解決 EUV 光源問題，上海微電子想要研制 EUV 光刻機無異于天方夜譚。

此外，摩托羅拉、AMD 等公司還有美國的三大國家實驗室組成 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，對抗十余家跨國公司、頂尖國家實驗室，怎么看都有點荒謬。

當(dāng)然，現(xiàn)在談?wù)?EUV 光刻機還太遠，上海微電子首先要解決的可實現(xiàn) 45nm 制程節(jié)點的光刻機。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，并非上海微電子實力不行，實在是沒有合作伙伴。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 的光波長折射成 134nm。后來不斷改進高 NA 鏡片、多光照、FinFET、Pitch－split 以及波段靈敏光刻膠等技術(shù)，才逐漸實現(xiàn) 90nm、45nm、28nm、10nm、7nm 制程節(jié)點。

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。上海微電子一來沒有長期合作的晶圓代工廠，二來沒有固定的鏡片合作方，提升光刻機水平也無從入手。

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業(yè)務(wù)，合作也難以達成。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，從源頭上解決問題。

接著，上海微電子需要找合適的代工廠聯(lián)手對現(xiàn)有光刻機進行技術(shù)升級。考慮到臺積電、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、中芯國際等晶圓代工廠合作。

最后，上海微電子還需解決光源問題，目前國內(nèi)科益虹源可以生產(chǎn) 40w 4kHz ArF 光源樣機，尚不能替代進口光源。如果上海微電子與科益虹源合作，再聯(lián)手國內(nèi)頂尖光源實驗室，或許可以解決這一難題。

光刻機看上去只是一臺設(shè)備，實際上涉及光源、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。現(xiàn)階段來看，上海微電子本身沒有能力承擔(dān)趕超阿斯麥的重任。至少需要四五家國內(nèi)外頭部企業(yè)為首，聯(lián)合數(shù)十家產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)、國家級實驗室組成產(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，中國光刻機產(chǎn)業(yè)才有機會走向現(xiàn)代化、市場化，在 DUV 光刻機領(lǐng)域搶占一席之地。至于更加高端的 EUV 光刻機與 High－NA EUV 光刻機，國內(nèi)技術(shù)水平落后太多，談這些為時尚早。