比原子弹还难？我们造出自己的高端光刻机还有多远？

　　前段时间，光刻机设备供应商ASML的首席执行官Peter Wennink，在谈到给中国供货的话题时，说他觉得向中国交付光刻机没有什么问题。

　　不用担心中国会复制出高端光刻机，因为高端EUV机器永远不能被复制，另外中国也有很好的规定保护知识产权。

　　他们和中国合作已经有30年了。

　　他还特意解释了为什么他不害怕中国会模仿出光刻机：

　　“这是因为我们是系统集成商，我们将数百家公司的技术整合在一起，为客户服务。

　　这种机器有80000个零件，其中许多零件非常复杂。

　　以蔡司公司为例，为我们的生产镜头，各种反光镜和其他光学部件，世界上没有一家公司能模仿他们。”

　　另外，中国复制光刻机没有好处：

　　“永远都不可能秘密进行这种操作，必须要涉及很多专家。假设他们成功了，他们将给市场带来很多无法追踪来源的芯片，而最终曝光。

　　我们总是关注着市场的动态，我们当然也会熟悉我们的产品出口的每个国家的知识产权法律。

　　中国也有良好的规定，即使只是为了保持自己的领先地位，例如在5G移动通信领域。这些规定也适用于我们的机器。”

　　其实，他这话是说给美国听的，ASML一直想把光刻机卖给中国，但是在美国的施压下，荷兰政府把EUV的机器出口中国许可证给扣了。

　　美国人的说法还是老一套，这是战略产品，出口后可能会被中国窃取!

　　ASML总裁这个表态，很有针对性地回复了美国的所谓“担忧”，就是明明白白地表示这个光刻机他想卖，非常想卖，让美国别卡了。

　　ASML执行官没有乱说，在很多人眼里，似乎光刻机就是他们一家公司就掌握了全部的核心技术。

　　但实际上，在ASML独步天下的背后，是全人类科技的结晶，无数家相关领域顶级公司的鼎力支持，ASML是众星拱月的那个月亮，“俺们村希望”。

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　　早年的光刻机，其实并不是什么高科技，干这行的公司不在少数。

　　当时的光刻机，远不是现在的“印钞许可证”，而是属于小众“玩具”，一年能卖个几十台就很不错了，而且门槛也没多高，所以从事这个行业的人寥寥无几，因为赚不到多少钱。

　　由于技术含量不高，每个做半导体的厂商，都有自己的一套方法，比如英特尔，就是自己买摄像机，再把镜头拆下来用。

　　当时，美国的光刻机有三雄，GCA，P&E和Ultratech。

　　这三家各有特别之处，比如P&E推出的投影式光刻机，和GCA推出的自动化步进式光刻机，都具有跨时代的意义。

　　但是，那个年代的主角，注定不是美国公司，而是日本公司。

　　光刻机的原理其实说来很简单，就是做起来难，先在半导体材料的表面，覆盖一层有着高度光敏感性的光刻胶。

　　接下来，光线通过掩模，照射在材料的表面。

　　被光线照射到的光刻胶，就会发生反应，类似于在纸上烫一个点。

　　这个过程，就是光刻。

　　接下来，再在没有光刻胶保护的部分进行刻蚀，再把其余的光刻胶洗去，就完成了一个芯片的基本制作过程。

　　概括一下就是，光刻机就像一个大型的照相机，半导体材料就像底片，图案经过光刻机后，咔嚓这么一照，微缩投射到底片上来。

　　80年代，是日本半导体最辉煌的年代，任何领域都至少有一家日本公司在做。

　　而光刻机领域，日本的代表是尼康和佳能，确实都和照相机有关系。

　　但当时佳能的照相机业务比光刻机赚钱多了，所以一开始对光刻机一直不太上心，主力是尼康。

　　那时候的日本半导体行业非常团结，实力也极为强悍，彼时的NEC和东芝就如同今天的英特尔和三星。

　　前有尼康和佳能搞光刻，后有东京电子、日立等等一系列配套厂商在后面做支持，他们的技术是突飞猛进。

　　而美国GCA的镜片来自德国蔡司，一个经验非常老到的公司，可GCA和蔡司二者的合作不和谐，每次都得谈半天，导致GCA产品更新的速度一直跟不上尼康。

　　半导体市场是有限的，一旦你的技术落后了，为了产品能比别人卖得好，大家都愿意买更先进的机器。

　　尼康就这样，从GCA手中把一个个大用户抢了过来：IBM、英特尔、AMD……

　　尼康的另一个美国对手P&E，市场份额从超过30%到连连下跌，跌到不足5%，直到最后完全放弃半导体设备业务。

　　节节胜利的尼康甚至直接在美国科技心脏地带硅谷成立尼康精机，飞龙骑脸。

　　一直到2000年左右，光刻机市场一直都是尼康独步天下。

　　而这个时候的ASML，才刚刚出生，穷困潦倒。

　　而且，ASML的成立很偶然，是另一家著名公司飞利浦，随手促成玩玩的，完全没指望他可以做大。

　　ASM的老板叫Arthur del Prado，毕业于哈佛商学院。毕业后回到荷兰创建了ASM。

　　他的目标，是在欧洲建立一座硅谷。

　　正好，当时光刻机门槛不高，飞利浦刚刚在实验室里研发出了自动化步进式光刻机的雏形，但这个雏形还不够成熟。

　　飞利浦拿着它去找业界老大，但无论是GCA还是P&E，都不愿意合作，瞧不上这个不成熟的东西。

　　ASM主动找上门来，想要寻求合作，但飞利浦又嫌弃ASM体量太小。

　　飞利浦这个光刻机高不成低不就的，就快砸手里了。

　　1983年，ASM在纳斯达克上市了。飞利浦意识到，这个ASM比自己想象中的似乎强不少。

　　于是，飞利浦再次找到ASM，打算给自己的光刻机找个接盘侠。

　　为什么说是接盘侠呢?

　　因为原本飞利浦和ASM谈的是，双方各出210万美金，成立一个合资公司ASML。

　　但真等到要拿钱出来的时候，飞利浦连这点钱也不愿意拿，硬是用一些还不太成功的库存PAS2000光刻机抵了180万美金。

　　换句话说，飞利浦真没觉得这生意能做大，就想借这个公司占一个坑观望观望。

　　事实上，初期的确如此。

　　ASML成立之初，只有31个员工，这31个员工就在飞利浦豪华玻璃大楼外面的小破木板平房里办公，连大楼都进不去，跟要饭的差不多，业绩也是极为惨淡。

　　1986年，半导体市场遭遇危机，整体来了个大滑坡，光是三星就在半导体上亏了3亿多美元!

　　连带着搞光刻机的厂商，也遭了殃。美国的GCA找不到买主被关闭，Ultratech被卖出去后还缩小了规模，P&E也被卖给了SVG……

　　美国三雄的地位，已经完全被尼康和佳能替代了。

　　而ASML本身规模小，想亏也没啥能亏的，尼康占据了高端的市场，原来的美国公司没了，反而让他们有了10%的市场占有率。

　　和尼康比起来，他们就是个小虾米。

　　但谁也没有想到的是，整个光刻机行业的发展瓶颈，给了ASML一个意外咸鱼翻身，反超尼康的机会!

　　尼康光刻机

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　　ASML反超尼康的机会，来源于光刻机技术碰见困难了，前进不了，整个行业都卡那儿好多年了，前方堵车，此路不通。

　　困难是什么呢?

　　做芯片这件事，就是在硅上用刀雕花刻字，激光就是那个刻字的“刀”。

　　光源的波长数小了，刀更精致了，能加工的芯片自然而然也就更加精细了。

　　而全世界已经卡在193nm很久了，寸步难进。

　　当时的业界有好几个思路。

　　第一种，是以尼康为代表的157nm。这种做法的难度在于，157nm光会被现有193nm机器用的镜片吸收，相对应光刻胶也要重新研制。

　　重新研制问题也不大，但从193到157，这个进步实在是太小了，很有可能入不敷出。

　　以前，尼康因为镜头出色，而为自己打出了一片天地。而这时候，事事亲力亲为，成了它失败的原因。

　　由于要自己研发，慢，成了它的第一个弱点。同时，事事都做，就不可能事事都做得好。于是，尼康在研发过程中经常不是这里出了问题，就是那里有个毛病。

　　第二种，是将光源改为极紫外光EUV，它只有13.5nm，但难度更大，以当时的技术根本实现不了。

　　所以这两种思路在当时，都失败了。

　　这时候，台积电的一个叫做林本坚的工程师，提出了一个独树一帜的新思路：

　　只要在光刻胶上加一层水，激光入水折射，193nm不就一下变成134nm了吗?

　　但他的想法刚提出来的时候，根本就没有人买林本坚的账，甚至还有大公司高层找到台积电，希望有人管管林本坚，让他不要出来瞎搅合。

　　但林本坚没放弃，他找来找去，终于找到了ASML，愿意和他合作。

　　两家一拍即合。2004年，双方共同研发出了全球第一台浸润式光刻机!

　　尽管尼康也宣布157nm的样机研制成功了。但ASML的机器显然弯道超车了，更受欢迎。

　　光刻机的市场就那么大，这一场道路选错要了老命，尼康大输一阵!

　　如果说，尼康在市场占有率上的第一次被反超，还只是路线选择错误翻车了的话，那么后来差距的被进一步拉大，就完全是政治问题了。

　　林本坚的思路是一个取巧的办法，但彻底改变光源才是未来势必要走的一条路。

　　早在1997年，英特尔就和美国能源部牵头，拉了AMD、摩托罗拉等搞了一个前沿组织EUV LLC。

　　这个组织实力非常强大，成员囊括了美国劳伦斯利弗莫尔、劳伦斯伯克利和桑迪亚三大国家级实验室。

　　前后有近40个国家加入战团，欧美发达国家几乎悉数入局，是业内科研最为顶级的组织!

　　对于尼康和ASML来说，两个企业势必要拉一个进来。

　　然而，美国选择了ASML，尼康被排除在外了——美国怕尼康窃取自己的技术，也怕日本掌握核心技术不安全。

　　同时，ASML没少给美国承诺，立投名状。

　　EUV光刻技术比以往复杂了百倍：

　　光源需要重新来，镜头需要重新磨，光源的功率需要提升……总之，没近路可以抄。

　　日本尼康就是在科研上再厉害，也比不过全世界集体合作。

　　2009年，Cymer公司的EUV光源功率达到100W，接近商业化指标，成为了ASML的光源模组供应商。

　　终于，EUV光刻机研制成功。

　　前前后后算起来，钱还是其次，无数科研人员的精力和时间，是多少钱都买不来的。

　　一台EUV光刻机的重量超过180吨，整个光刻机的零配件超过10万件，而要想把这样的一台光刻机从出厂运到客户工厂中，至少需要40个集装箱!

　　仅仅是从安装到调试，就需要一年的时间。

　　和这样宏大的项目比起来，尼康力有未逮，和ASML的差距越拉越大，绝望得再也看不到翻盘的希望。

　　其实，不要说日本了，对全世界任何一个国家来说，ASML都是众星捧月的那个“月亮”，他一马当先，其他人都难以望其项背。

　　日本人曾经研究过ASML，他们发现，ASML的一台EUV光刻机有超过10万个零件，其中90%的零部件都依赖外购。

　　有美国Cymer的光源(2013年被ASML收购)，有德国蔡司的顶级镜头，有英特尔的技术分配，有瑞典的轴承，有法国的阀件，等等等等……

　　ASML作为集大成者，自己需要做的主要是设计和组装，不需要管工厂生产。

　　换句话说，ASML作为顶级光刻机的背后，是全世界多个国家的顶尖技术的通力配合，整个人类上百年科技的结晶，更是全球化的产物。

　　如果中国的光刻机击败了ASML，不是中国单挑赢了荷兰，而是中国单挑赢了全世界。

　　这难度堪比登天。

　　3

　　对于中国来说，哪怕一件事再难，我们也要做，这不是我们非要逼自己，是敌人非要逼我们。

　　中国如果不做自己的光刻机，类似买一台机器三年都到不了货的事情还会无数次地发生。

　　国内光刻机做得最好的，是上海微电子装备公司(SMEE)，它可以做到的最精密的加工制程是90nm的光刻机。

　　90nm的能力，已经足够驱动基础的国防和工业。

　　就算所有进口光刻机都瞬间停止工作，中国也不是没有芯片可用。

　　但，它能造出来的芯片，也就相当于2004年奔腾四处理器的水平。

　　这之间有十几年的差距。

　　我国入局半导体行业，起步其实并不算太晚，可惜的是中途放弃过。

　　1956年，我国第一只晶体三极管诞生。此时距离贝尔实验室研发出的世界第一支点接触三极管，过去了9年。

　　世界上第一只三极管

　　我国最早的光刻机GK-3型半自动光刻机，诞生于1977年。这是一台接触式光刻机。

　　GK-3

　　而美国在20世纪50年代就已经拥有了接触式光刻机，期间相差了二十几年。

　　1978年，1445所在GK-3的基础上开发了GK-4，把加工圆片直径从50毫米提高到75毫米，自动化程度有所提高，但依旧是接触式光刻机。

　　同一年，GCA已经推出了真正现代意义的自动化步进式光刻机。

　　但之间的差距，开始逐渐减小：

　　1982年，科学院109厂的KHA-75-1光刻机，保守估计跟当时最先进的佳能相比，最多也就不到4年的差距。

　　1985年，机电部45所研制出了分步光刻机样机。这应该是中国第一台分步投影式光刻机。中国在分步光刻机上与国外的差距不超过7年。

　　当时中国的半导体产业虽然没有超越当时世界最先水平，但是差距并不大。

　　以一个国家的实力，去追赶整个西方的速度!

　　然而，到了80年代末期，在整个大环境都是“造不如买”的思想下，中国光刻机一度被放弃了，自主研发停滞不前。

　　直到90年代末期，我们意识到了问题所在，重新把光刻机捡了起来，但已经落后了世界一大截了。

　　中国光刻机领域的代表企业，是前面说过的上海微电子。

　　2002年，上海微电子装备有限公司承担了“十五”光刻机攻关项目，中电科45所把此前从事分步投影光刻机的团队迁到了上海，参与这个项目。

　　2016年，上海微电子已经量产90、110和280三种光刻机，其中性能最好的是90nm光刻机。

　　荷兰的ASML，现在还牢牢占据高端市场，一骑绝尘;日本的尼康、佳能有终端市场，半死不活;上海微电子的光刻机，顶多占据了低端市场。在这三家的面前，根本不够看。

　　ASML曾放言称，就算给了一台机器，我们也很难逆研发出来整个机器。

　　这话不假。

　　这颗“人类工业皇冠上的明珠”要造出来，绝非一日之功。

　　制造业有制造业的规律，科研需要的是一步一个脚印的踏实，着急也没用，一口吃不成胖子。

　　但中国人是全世界最不信邪的。

　　纵使前途漫漫，纵使难于登天，但是中国的科研人员，却从未停下自己的脚步。

　　其实，对于一个发展已经极为成熟的行业来说，赢家通吃是普遍的规律，技术落后的第二名只能吃老大吃剩下的残羹冷炙，用爱发电维持不了多久。

　　在ASML绝对垄断的状态下，尼康和佳能现在基本是咸鱼两条，只能默默看着ASML一个人继续勇攀高峰，背后一堆跨国公司给他鞍前马后提供支持。

　　赶超的唯一希望，依然在中国身上。

　　参考资料：

　　魔铁的世界：EUV光刻技术隐秘往事：近40个国家入局，研发难度超原子弹

　　雪球：国产光刻机的发展史回顾

　　金捷幡：光刻机之战

　　【本文原载微信公众号“乌鸦校尉”】