为何中国造不出最好的“光刻机”？了解一下

为何中国造不出最好的光刻机？

首先有奖竞猜一个问题：博通、高通、ADI、德州仪器、美光、阿斯麦等几家公司，谁的市值最大？

在多次询问几个同事后，博通、高通都给出了答案，但他们总是错过了正确的答案：阿斯麦(ASML)是市值最高的公司。(具体理由，可在后文找到答案)

用RMB计算的全部市值

占全球高端光刻机市场70%以上的份额的阿斯麦，由于全球高端光刻机市场中只有阿斯麦一个，因此每台最先进的EUV光刻机的售价高达上亿元(人民币1.2美元)。在7nm和5nm制程中，只有阿斯麦的EUV光刻机可以实现这一功能。

在照相机的世界里，不允许“后退”

先来了解一下光刻机的工作原理。(技术达人可以直接浏览)

晶片制作包括沉积、涂胶、曝光、显影、蚀刻、移植、剥离等工序，其中曝光是晶片生产的关键，而ASML正是处于半导体产业链中的曝光环节。

它的工作原理就像投影仪一样，首先由光刻设备投射的光源通过带图案的蒙版投射，然后通过透镜或镜子把图案聚焦到镜片上(与投影幕相似)。

但投影后形成的形状并非平面而是立体，通过蚀刻曝光或未曝光部分形成沟槽，然后再沉积、蚀刻、掺杂，构造不同材料的线，形成基底轮廓。这个过程反复进行，在硅片上构建了数亿个MOSFET或其它晶体管，形成了通常所说的集成电路。

晶片在制作过程中需进行20~30次的光刻，耗时约占制作环节的50%，约为晶片制作成本的1/3，光刻环节还决定了晶片的制作工艺和性能水平。

经过多年的光刻机发展，入局者们基本上围绕着降低CD(曝光关键尺寸，可以作为判断分辨率的依据)来竞争。

C=k1*(λ/NA)

CD值越小表明曝光形成的关键尺寸越小水平越高，各大厂商所能做的就是减小波长，提高透镜数值孔径NA，减少综合因子k1。

光刻机史上共经历了三个时代，可以概括为：美国铺路，日本崛起，ASML独霸。

美国(六十至八十年代)

公司代表：GCA,PerkinElmer,Kasper

20世纪50年代，美国就有了接触式光刻机，60年代，投影式光刻机的概念被提出，真正研制成功1:1投影式光刻机是在1973年(美国Perkin-Elmer公司)，当时PE公司在新冠军赛爆发时，快速占领了市场。

GCA在1978年推出了一台真正意义上现代化的自动步进刻度机(Stepper)，它的分辨率为投影式的5倍，但产量较低。受效率的制约，PE公司此后一直领先。

日本(80-44年)的增长速度

代表处：尼康，佳能

斯泰普在80年代初引领风潮，尼康和GCE分别占据市场30%和30%的份额，并没有持续很长时间，尼康独占鳌头，占据了50%以上的份额，直到ASML崛起；佳能则凭借其对准星的优势占据了一定的位置。

顺带一提，第一代光刻机的命运并不乐观：大约在90年代，PE之后被SVG收购，GCA之后被收购然后倒闭。

新一代ASML：逆袭者(2004年-)

自研究Stepper以来，ASML诞生于1984年，脱离了飞利浦实验室，早期ASML想与PE,GCA,IBM合作，但是这些巨头们对ASML视而不见。在那个时候，一个叫做ASMInternational的小荷兰公司主动要求与他们合作。在一年的犹豫中，飞利浦勉强同意成立一个股权对半的合资企业，即阿斯麦。

也许ASML的天资太过迟钝，对这个有血缘关系的孩子飞利浦没有多少感情，连办公室也没有提供，阿斯麦早期的31个团队仅在飞利浦大厦旁的简陋房屋里办公。

图中一间位于飞利浦大厦前的简易木棚，就是刚成立时的办公地点，它是紧邻垃圾桶的小房子。

这一时期，尼康垄断了ASML市场，ASML进入了小步法阶段，直到2000年台积电的核心人物林本坚以“浸入式光刻”的理念颠覆ASML的发展。

返回前面提到的判断分辨率的公式：CD=k1*(λ/NA),"浸入式光刻"在参数N中发生了变化，也就是折射率。

以前镜片中的介质是空气，N为1，而介质变成水，N为1.44,N越大，曝光键尺寸越小，分辨率越高。

当时的尼康和佳能，包括ASML光刻工厂在内，都执著于研发，投入了大约7.5亿美元，但这项技术却在157纳米处遭遇严重卡关。而且水性介质的提出如果实现完全可以达到“四两千斤”的效果，后来证明确实有效。

林本坚的浸润式光刻，几乎被所有巨头封杀，如尼康，佳能，IBM，因为这些巨头已经投入了大量资金，尼康甚至还向台积电施压，要他们雪藏林本坚。

在那个不温不火的时代，ASML选择了台积电作为它日后逆袭的关键。2004年，ASML与台积电共同研发出首台浸润式微影机，以优异的性能和稳定的工艺，让阿斯麦的产品完全碾压尼康，从此ASML再无后顾之忧。

胜者为王

为什么制作光刻机如此困难？

在光刻机的世界里，只有胜利者才能生存。

由于对大多数厂商而言，一种新产品从投入使用到销售，通常要花费两三年的时间和金钱，所以厂商往往优先选择先进成熟的产品。此外，长期的投资以及高技术壁垒等都是许多新进入者难以跨越的高山。

概括起来，主要有以下几点：

高科技壁垒

ASML总裁PeterWennink也对媒体说了同样的话：(中国)高端EUV光刻机绝不可能被模仿。

”“由于我们是系统集成商，我们把来自数百个公司的技术整合起来，为客户服务。这台机器有8万个零件，很多都很复杂。就拿蔡司公司来说，为我们生产镜头、各种反光镜以及其它光学零件，是世界上没有任何公司可以模仿的。另外，我们的机器完全配备了感应器，一旦发现有异常，Veldhoven总部就会发出警报。

长期输入法

光刻机是典型的高风险、高投入的赛道，前期投入非常高，回报非常缓慢，有时身体需要贴钱投入。如图所示，ASML的研发投入基本超过15%，有时全年都出现负增长也是正常现象。

一个在ASML工作过的知乎作者@俗不可耐透露说：“ASML的EUV光刻机才刚刚开始盈利，”ASML花了27年的时间开发这种技术。

试试能做多少生意吧。

替换供应商成本过高

购买一台机器和使用好的机器是两回事。

极紫外(EUV)光学显微镜的价格为每台1.2亿美元，重量为180吨，部件超过10万个，在运输中可装满40个集装箱，安装和调试时间超过一年。此外，磨合和提高效率都需要时间，只要没有重大的技术变化，厂商就不会轻易放弃ASML，而把它当成其他厂商的玩意儿。

在全球晶圆代工行业占半壁江山的台积电、三星、英特尔、格罗方德，包括国内的中芯国际，都是ASML的客户，而三大巨头转战其他公司，或许并不多。

之所以重要，是因为它是实现摩尔定律的基础。

Moore定律指出：集成电路上能够集成的晶体管数量，将以每18个月翻一倍的速度稳步增加。

将晶片的整体结构想象成在微观世界中建造建筑物，如果想让整个建筑物中有更多能容纳晶体管的小房间，就需要精雕细琢整个建筑物的整体构架。反射到光刻机上意味着它投影到晶圆的尺寸越小。

在先进制造领域，EUV光刻机是大厂的佼佼者，而现在只有荷兰的ASML公司能提供EUV光刻机用于生产。主要Foundry工厂和IDM工厂将采用EUV光刻机进行7nm以下最高端加工，客户主要为英特尔，台积电，三星，SK海力士。

ASML在2019年销售26台超紫外(EUV)光刻设备，其中大约有一半供应台积电。

国产逆流式光刻机

中国利用光刻技术制造集成电路芯片的时间应该大约是1965年左右。可查资料最早的是从1974年开始研制的1445光刻机，到1977年研制成功的GK-3型半自动光刻机，即接触式光刻机。

1990年3月，由中科院光电所研制的IOE1010G直接步进复式投影光刻机样机通过评审，工作分辨率为1.25微米，主要技术指标达到美国GCA8000级水平，相当于国外80年代中期水平。

根据前人的资料，我国对光刻机的研究并未停止，真正发展起来的，一般认为是2002年上海微电子设备制造公司(SMEE)成立后，目前上海微电子设备制造公司生产的最好的产品是90纳米光刻机。此外，国内还有中电科集团45所、合肥芯硕半导体有限公司等单位。

上海微电子器件(SMEE)

我国光刻设备行业的龙头企业，由于起步较晚，技术积累薄弱，目前最先进的光刻设备也只能提供高达90mn的工艺技术。仅就指标来看，ASML的低端产品PAS5500基本上也属于同类产品。

合肥心硕半导体有限公司。

合肥芯硕半导体有限公司成立于2006年4月，是国内第一家半导体直写式光刻设备的生产厂家。本公司自主研发ATD4000，已实现200nm以上的量产。

下降查看公司简介

最近国产化的光刻机有一个好消息：上海微电子公司打破了封锁，研制出了国内先进的22nm光刻机，这也是国内光刻机的先进水平，虽然在进步，但是与国外的差距还很大。

目前，中芯国际两年前就预定生产的EUV光刻机，由于种种原因尚未交货，受技术进步的制约，受客观因素的制约，是无法选择的。而以上海微电子为代表的科研人员却仍在奋力前行。

蓝缕，还在继续前行？

使用著名的马洛里式答覆：当然，因为道路就在那里。

源：核心世相

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