從華為被制裁想到光刻機

出品 | 每日財報

作者 | 劉雨辰

華為前不久又被美國制裁了，大國競爭的背景之下，我們要習慣來自外部的圍追堵截。

在之前的文章中，《每日財報》對半導體材料進行了完整的系列介紹，但對半導體設備的闡述較少。

事實上，在這一場沒有硝煙的鬥爭中，以光刻機為代表的半導體設備扮演了非常重要的角色，但國內在這一領域差距太大，所以要想在短期內實現國產替代並不現實，這也是之前沒有進行介紹的主要原因。

但既然事情已經發展到如今的地步，我們有必要將事實呈現出來。

如果說制裁華為是打了中國的七寸，那麼限制向中國提供光刻機技術就是打了華為的七寸，今天就向大家介紹一下國內晶片產業的痛點——光刻機。

什麼是光刻機？

1959年，仙童公司和德州儀器公司分別在矽片和鍺片上完成了微縮電路的製造，集成電路正式誕生。

自問世以來，單個晶片上集成的元件數量不斷增長。

1965年英特爾的創始人之一戈登摩爾提出，在價格不變的情況下一塊集成電路上可容納的元器件的數目將每18-24個月增加一倍，性能也將提升一倍，這就是著名的摩爾定律。

隨後成千上萬的元器件和導線經過一些列工藝被「雕刻」在矽片上，完成這些「雕刻」步驟的工具就是半導體設備，在背後支撐摩爾定律的其實就是不斷進步的半導體設備，其中最重要的就是光刻機。

據《每日財報》了解，光刻機是晶片製造的核心設備，按照用途可以分為三種：用於生產晶片的光刻機、用於封裝的光刻機、用於LED製造領域的投影光刻機，其中用於生產晶片的光刻機是中國在半導體設備製造上最大的短板，國內晶圓廠所需的高端光刻機完全依賴進口。

按照官方的說法，在加工晶片的過程中，光刻機通過一系列的光源能量、形狀控制手段，將光束透射過畫著線路圖的掩模，經物鏡補償各種光學誤差，將線路圖層比例縮小後映射到矽片上，然後使用化學方法顯影，得到刻在矽片上的電路圖，簡單地說就是在極小的晶圓上畫電路，刻畫的電路越多，計算能力就越強，現代晶片性能的不斷提升，根源就在於晶片光刻技術的不斷進步。

現在最先進的EUV光刻機可以做到的「雕刻精度」是7nm，這相當於一根頭髮的萬分之一。

由於要達到這樣的雕刻精度，在雕刻的過程中晶圓需要被快速移動，每次移動10厘米，但誤差必須被控制在納米級別。

為了達到這種精度效果，目前世界上最先進的光刻機上有10萬個零件，要知道汽車上的零部件也才只有5000個，有人甚至將認為光刻機是人類迄今為止做出的最精密的機械。

遺憾的是，截止到目前，中國大陸沒有製造7nm製程晶片的能力，核心因素就是沒有製造這一製程的光刻機。

國內最先進的晶片代工廠只能生產14nm製程的晶片，但另一方面，目前最尖端的晶片，例如華為手機的最新晶片（麒麟980、麒麟990）已經是7nm製程的，華為的代工廠是台積電，如果台積電被限制向華為出售產品，那麼中國大陸的企業將會非常難受。

光刻機的發展歷程

毋庸置疑的是，荷蘭的阿斯麥是當今世界光刻機市場上的絕對霸主，市占率超過70%。

雖然尼康和佳能還擁有一定市場份額，但在主流的邏輯晶片加工領域，尼康和佳能完全無力和阿斯麥競爭，7nm以下製程的光刻機只有阿斯麥能製造。

這種單一霸主的格局經過了一個漫長的發展過程，上世紀60年代末，尼康和佳能開始製造光刻機，當時的光刻機的複雜程度和相機差不多。

1984年，阿斯麥成立，當時的光刻機還是尼康的天下，市場份額一度超過50%，而阿斯麥的份額長時間不超過10%。

進入90年代，光刻機迎來了新的技術革命，開始進入光源波長的競爭。

光刻機將掩膜版上的圖形刻畫到晶圓上，利用的就是光走直線性質。

但是微觀世界下光的衍射作用會使光線不一定走直線，這直接影響光刻機的最高解析度，若要提高解析度就需要縮小光源的波長。

到90年代末的時候，193nm波長的DUV（深紫外光）光刻機也已經研製成功，但人們遲遲沒能完成下一代的157nm波長產品的研發。

就在此時，時任台積電研發副經理的林本堅提出了利用水的折射縮短光波長的方案，即後來的「浸沒式光刻」。

但是業界龍頭尼康不願意放棄前期在157nm波長研發上投入的巨額成本，拒絕了林本堅的方案，只有阿斯麥決定押注這個方向，命運的轉折就在此刻發生了。

2004年，阿斯麥和台積電共同研發的浸沒式光刻機誕生，由於是在成熟的193nm技術上改進的，設備穩定性和改造成本明顯優於尼康同時推出的157nm乾式刻蝕機。

阿斯麥的市場份額隨之大幅提升，從原來的不到10%到2009年達到了70%，成為絕對的領先者。

尼康在此關鍵節點上的決策錯誤使其在短短几年時間內失去了行業領先的地位。

真正奠定阿斯麥霸主地位的是13.5nm波長EUV（極紫外光）光刻機的研發，EUV光刻機早在90年代就已經提出，由於其技術難度高，2012年的時候，在研究最新的EUV光刻機時，阿斯麥也覺得研發費用無底洞，想要放棄。

但那些需要光刻機的晶片企業頓時心慌，intel、三星、台積電出資幾十億美元支持阿斯麥研發，獨立研發的尼康也無力再參與競爭。

EUV 光刻機的研發可謂集中了歐洲和美國的最先進技術，阿斯麥終於造出了能製造7nm製程晶片的光刻機，每台賣一億美元。

2019年，歷20年研發的EUV光刻機終於應用於產線，它的誕生將大幅縮減 7nm和5nm製程的工藝步驟。

如今，用於先進位程邏輯晶片的浸沒式193nmDUV和 EUV光刻機基本被阿斯麥壟斷。

尼康和佳能只在193nm以下的領域擁有一定份額，這些設備主要用於對製程需求不高的領域，如存儲器、模擬晶片、功率半導體以及普通邏輯晶片等。

很多人會問中國能生產光刻機嗎？答案是會的，但相對於目前頂尖的光刻機要落後的多，中國最牛的光刻機生產商是上海微電子裝備公司（SMEE），它可以做到的最精密的加工製程是90nm，相當於2004年最新款的intel奔騰四處理器的水平。

又有人提出，既然自己不能製造就花錢買，反正中國有錢，但光刻機不是有錢就能買到。

說到這裡，就要提到1996年簽署的《瓦森納協定》，瓦森納協定本名叫「瓦森納安排機制」。

簡單來說就是美國帶著他的全球盟友限制向別的國家出口特定商品，中國就是被針對的對象，中芯國際之前花大價錢從阿斯麥訂購了光刻機，但始終未能到貨。

我國在重大專項計劃中提出，2020年要實現22nm製程光刻機的突破，目前還沒有傳來相關的消息，即便實現這一突破，距離最先進的7nm以下的EUV光刻機還有很大差距，如果依靠獨立自主的研發製造，中國在未來一段時間內幾乎不可能做到領先。

但好消息是，技術進步的空間已經非常有限，後摩爾時代，隨著製程的不斷縮小，繼續壓縮製程的難度越來越大，上文已經提到過，在7nm這一關口阿斯麥差點放棄，這也就意味著西方國家要想在這一領域再上一個台階也是難上加難，這就留給我們相對充足的追趕時間。

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