製造晶片就如在一粒米上寫下整部《紅樓夢》

在一粒米上寫下整本《紅樓夢》，這並非什麼遙不可及的難事，只要我們擁有一台光刻機！

事實上遠比在一粒米上寫出整部書更難的事，是如何選擇並獲得當今世界功能最強大的光刻機。

最為先進的光刻機去哪裡尋找？

答案是：阿斯麥。

阿斯麥是目前全球最大的光刻機生產商，在中高端光刻機市場，阿斯麥公司占據大約60%的市場份額；而在最高端的光刻機市場，阿斯麥公司大約占據90%的市場份額。

阿斯麥的主要競爭對手是來自日本的尼康，尼康光刻機的主要優勢在於相對較低的價格。

出身於名門世家飛利浦

要說到最近很熱門的中興通訊被美國禁運晶片事件，其實仔細分析一下就可以發現，晶片製造最重要的設備是光刻機。

關於光刻機的故事還可以從一家著名的荷蘭公司說起，那就是位於總部阿姆斯特丹的荷蘭皇家飛利浦電子集團。

飛利浦是一家 「百年老店」，它的核心業務聚焦於醫療設備 、照明和家庭電器三大領域。

飛利浦的節能燈、冰箱與剃鬚刀，可能是大家都聽說過的，但從飛利浦公司還誕生了一家晶片行業誰都不敢得罪的巨頭公司——那就是老百姓都不是很熟悉的阿斯麥公司。

阿斯麥公司原來是飛利浦的一個設備部門，後來獨立為一家以生產光刻機為主要業務的高科技公司。

它成立於1984年，總部在荷蘭的埃因霍溫。

「阿斯麥」是在股票市場上的簡稱（1995年，阿斯麥在美國NASDAQ證券交易所和阿姆斯特丹交易所上市），其實這個公司名叫Advanced Semiconductor Material Lithography Holding N.V（先進半導體材料光刻控股公司），把這幾個英文單詞的第一個字母聯起來就是ASML。

飛利浦公司是阿斯麥公司的大股東。

飛利浦與阿斯麥同時也是台灣的晶片代工企業台積電的重要股東。

所以，從這裡可以看出，台積電與阿斯麥在股權結構上有深刻的聯繫。

這也可以解釋為什麼阿斯麥不是自己生產晶片來賺錢，因為台積電幫它賺了呀。

光刻機就是一種列印思想鋼印的機器

在晶片的生產過程中，必須要用到一些儀器設備，其中最重要的設備就是光刻機。

因為晶片從本質上來講是生長在矽片上的微型電路。

這一行業一直以來被魔幻的摩爾定律所指引，自1965 年起，能放置在集成電路上的電晶體數量每年都翻一倍，晶片上的電子線路的刻線也將越來越細。

那麼，如何才能在矽片上把微型的電子元器件畫上去呢？這就好像我們想要在一粒大米上雕刻上整本《紅樓夢》，這需要用到光刻機等高端精密儀器。

光刻的過程總體來說是用高能量的光子在矽片上掃射的過程，這看起來有點像用針給一個人「紋身」，光子的作用就好像是一根針。

所以光刻機首先需要用到光，但並不是任何光都可以進行光刻——波長越短的光，刻出來的刻痕越小——而紫顏色的光比紅顏色的光波長更短，因此一般用紫光或者紫外線來做光刻機的「紋身針」。

光刻這個工藝一般的做法是先在矽片表面塗上均勻的光刻膠，然後將掩模版上的圖形放在光刻膠上，接著用光刻機的光進行掃射，這樣電子元器件器件或電路結構就會被「複製」到矽片上了。

對於大多數人來說，光刻機或許是一個陌生的名詞，但它卻是製造大規模集成電路的核心裝備——它是晶片工業的母機——這也是我們的裝備製造業還沒有達到世界一流水平的地方。

在每顆晶片誕生之初，是都需要經過光刻工藝的。

換個角度來說，光刻機其實是把電子工程師的設計思想『印入』矽材料的一種必要裝備——按照科幻小說《三體》來比喻，光刻機可以看成是一種列印思想鋼印的高級機器，它能把思想變成為實物。

阿斯麥的光刻機是怎麼造出來的？

前面已經說到，光刻機必須用到光，而光是由光源發出來的。

光刻機的光源可以進行簡單的分類。

阿斯麥的光刻機按照使用的光源不同，可以分為DUV光刻機和EUV光刻機。

DUV是Deep Ultra Violet的縮寫，翻譯成中文就是「深紫外光」；而EUV是Extreme Ultra Violet的縮寫，翻譯成中文就是「極深紫外光」。

據《網際網路周刊》了解，DUV光刻機的極限工藝節點是28納米，要想實現比28納米更細的晶片製程，就只能使用EUV光刻機了，目前阿斯麥的EUV光刻機能做到的最小晶片製程是7納米——這已經是當前世界的最高水平了。

紫外光的光源一般是雷射器，比如2013年阿斯麥的EUV光刻機研發成功，當時使用的光源是波長為193納米的準分子ArF雷射，使用這種雷射光源的光刻機使得矽片晶園的加工工藝能達到22納米左右。

當然了，如果換成波長更短的13.5納米紫外線光，那麼就可以做到7納米的晶片製程。

阿斯麥的光刻機所用到的雷射器也不是它自己生產的。

在早期，阿斯麥用的雷射器光源是美國Cymer公司製造的（2012年10月為了加快EUV光刻機的研發進度，阿斯麥宣布收購Cymer公司）。

後來，德國亞琛的XTREME technologies公司，也為阿斯麥公司研製EUV極端紫外光刻機提供13.5納米波長的極端紫外光源（這種雷射光源的功率很大，大概在200瓦特左右，這可以實現大致相當於4萬個雷射筆同時打開以後的光功率）。

除了雷射器光源，阿斯麥的光刻機還用到了很多光學鏡頭，這些鏡頭多數依靠德國蔡司的光學技術。

而且整台光刻機的核心的機械零部件也來自美國和德國，從這個意義上來說，阿斯麥是一家科學儀器的系統集成商。

阿斯麥EUV光刻機的中國用戶有哪些？

阿斯麥最先進的EUV光刻機可以達到7nm的工藝精度，這是最先進的光刻機。

但這種最先進的設備在中國大陸是「禁運」的（受西方《瓦森納協議》的限制，中國大陸廠商只能買到阿斯麥的中低端產品，出價再高，也無法在第一時間購得最先進的光刻機）。

所以直到現在，我國大陸還沒有任何一家晶片企業可以獲得阿斯麥的EUV光刻機用於生產。

但因為阿斯麥是台積電的股東，所以它生產出來的最先進的光刻機，會在第一時間供貨給台積電。

這種模式也使得台灣在晶片製造技術的源頭上會領先一些，這裡面有一個技術革新的時間差是短期內無法克服的。

據《網際網路周刊》所了解，平均每台EUV光刻機的價格超過1億美元。

2017年，阿斯麥的EUV光刻機全年出貨量僅為12台；2018年全年可望增加至20台，但能發貨到中國大陸地區的訂單被壓到2019年以後。

2017年10月，阿斯麥中國區總裁金泳璇在接受媒體（DIGITIMES）採訪時說：「阿斯麥對中國大陸晶片加工廠與國際客戶一視同仁，只要客戶下單，EUV光刻機進口到中國大陸完全沒有任何問題，在交期方面，所有客戶也都完全一致，從下單到正式交貨，均為21個月。

」不過，金泳璇的表態也只在理論上成立，從實際操作上卻存在一定的問題，因為股權結構上存在的利益關係（阿斯麥公司有一個非常奇特的規定，只有投資阿斯麥公司，才能夠獲得優先供貨權。

這樣的投資合作模式使得阿斯麥獲得了大量的資金，包括英特爾、三星、台積電、海力士都在阿斯麥中有相當可觀的股份，因此也形成了龐大的利益共同體），另外也受到了《瓦森納協議》的影響，中國大陸實際上很難在第一時間獲得阿斯麥的技術最為領先的光刻機產品。

據《網際網路周刊》了解，2017年來自中國大陸的晶片加工公司中芯國際與阿斯麥公司簽訂了7納米工藝製程的EUV光刻機訂單，到2019年，大陸首台EUV光刻機可望落地中芯國際。

從這裡也可以折射出阿斯麥公司在光刻機市場上的壟斷性行業地位。

目前，位於中國武漢的長江存儲等晶片設計製造公司也還沒有EUV光刻機，它們現在使用的是阿斯麥DUV光刻機進行存儲晶片的製造。

X射線同步輻射與電子束刻蝕機才是未來

為了擺脫《瓦森納協議》對中國的半導體行業造成的技術壓制，縮短與國際先進晶片設備的技術革新時間差。

中科院微電子研究所與上海微電子等單位正在積極研製中國自己的光刻機。

在上海微電子公司總經理賀榮明看來，光刻機是把世界做「小」的裝備，是微納製造的工業母機——因為無論是手機、電腦、電視，它們的電子終端都離不開晶片。

如果沒有「中國光刻機」，那麼製造「中國芯」也就無從談起，可以說，誰掌握了光刻技術，誰就擁有了晶片產業未來發展的掌控權。

但是，製造一台光刻機並不容易，一台光刻機有上萬個零件，要在電腦程式控制下進行複雜協調的聯動，運動精度誤差不得超過一根頭髮絲的千分之一。

2009年，上海微電子的首台光刻機樣機問世。

在目前光刻機的市場上，除了日本的尼康，上海微電子成為來自中國的代表性品牌之一。

但是，中國完全自主生產的光刻機只有90納米的工藝製程，離阿斯麥EUV光刻機最好的指標——7納米工藝製程還有一個數量級的距離。

當然，中國也不用妄自菲薄，目前中國精密雷射已經進行取得很大進展——用於空間引力波探測的雷射器正在研究，這在未來也可以投入到光刻機等行業中。

而中國在精密機械部分定位上也已經突破，目前能做到的最好定位精度達到2納米。

另外一方面也值得注意，其實，在目前這個時代，摩爾定律其實已經開始失效，因為比7納米更小刻線的光刻機的製造越來越難， EUV光刻機雖然代表了阿斯麥公司的技術一流的地位，但晶片刻線越細，量子力學效應越明顯。

在未來，傳統的光刻機已經不受摩爾定律的左右，具有更小波長的X射線同步輻射與電子束刻蝕機才是未來發展的方向——在這方面，中國已經布局了上海光源等同步輻射光源，在國際上處於一流的領先地位。

從晶片的角度來說，則量子計算機才是未來的發展方向，中國科技大學的潘建偉研究組等在這方面也已經取得國際一流的成績。

中國應該在科學技術上奮起直追，但也要把握在其他相關替代方向上彎道超車的機會。

而且，我們必須承認，在自由貿易的表面下，實際上高技術市場並非是沒有壁壘的，中國這樣的大國，應該追求完備的工業體系，在市場化的前提下進入全球化分工，同時積極探索高科技創新的有效模式。

這也是中興事件與阿斯麥公司的故事給我們國家的教訓。

（文/軒中）