科工力量：凭借一国之力能搞出光刻机吗？

【文/科工力量 柳叶刀 陈辰】

上期节目我们聊了国产芯片，一个很大的难点，就是光刻机。美国一直阻止荷兰设备商ASML对华出口极紫外光刻机，也就是EUV，这种做法就是典型的将商业问题政治化。ASML如果遵守美国禁令，不仅意味着经济损失，也有可能失去全球最大的市场。

光刻机有高端的，也有低端的，像EUV就是高端的，它可以制造7nm以下的芯片。美国的禁令是，高端设备不准卖给中国，极紫外光刻机属于管制范围。《中国制造2025》曾将这种光刻机列为重点突破领域，并计划在2030年实现国产化。

为了不让荷兰将最先进的光刻机卖给中国，白宫可是操碎了心。他们多次向荷兰施压，阻止最先进的光刻机出口中国。2018年5月，中芯国际向ASML订购了一台EUV光刻机，价值1.5亿美元，计划2019年交付。结果被美国盯上了，接下来几个月里，美荷双方连续开了四场会议，讨论直接封杀这笔交易的可能性。当时，美国的出口条例已经修改，外国公司出售给中国商品，如果含有超过25%的美国技术，就必须得到美国政府的允许。

企业都是以盈利为目的，ASML公司本身也想推动这笔交易。2018年，该公司在中国的营收占到销售总额的20%，超过在美国的16%。去年6月，蓬佩奥访问荷兰，要求首相吕特阻止对华出口先进的光刻机。吕特的回应是，虽然荷兰想要与盟国保持政策一致，但“每个国家都必须做出自己的安全决定”。后来，他访问华盛顿，白宫官员向他展示了一份情报，内容是“中国获得光刻机可能带来的后果”。吕特回国后，荷兰政府立刻禁止ASML对华交易。

半导体产业70年历史中，光刻技术的改进，不断推动芯片制程的升级。在集成电路出现之前，电子器件靠手工连接。二战时，美国的航空母舰有35万个电子设备，需要上千万个焊接点，这导致维护工作繁琐，很容易出现设备短路失灵。为了保证复杂的电路稳定工作，贝尔实验室想出了一个办法，将这些的电路集成在指甲盖大小的硅片上，怎么实现呢？受到投影仪和照相机的启发，他们将设计好的电路投射到硅片上，以光为刀，按照硅片上的阴影，雕刻电路。这就是光刻机的原型。贝尔实验室手握很多专利，光刻技术就是其中之一。为了让更多的企业受益，美国政府以反垄断法威胁，逼迫贝尔实验室释放技术，后来的美国半导体巨头，就是这样培养起来的。像GCA、Perkin Elmer等公司，获得光刻技术后，马上推出自己的光刻机产品，占据市场主导地位。

可到了80年代，一切都变了。日本超越美国，成为半导体第一大国。全球前10大半导体公司，日本占了6家，而且前三名都是日本企业。当时，日立、东芝、富士通的产品，成为“高质量”的代名词，良品率远高于英特尔、德州仪器。佳能、尼康研制的光刻机，占据近一半市场份额，IBM、AMD几乎是堵在它们生产线门口，等着产品下线抢购，就跟我们今天急切等待EUV光刻机交货一样。

日本的半导体产品疯狂涌入美国，美国公司的市场份额直线下降，英特尔甚至准备放弃抵抗，宣布破产。白宫一看，照这样下去，整个硅谷都会被日本碾压。开始采取反制措施，一是，对外祭出关税大棒，对日本的半导体征收高额惩罚性关税，限制其出口。二是，对内组建半导体制造技术联盟Sematech，英文名是“ Semiconductor Manufacturing Technology”。该组织由美国14家半导体龙头企业组成，包括英特尔、IBM、美光、惠普、摩托罗拉等。

联盟中的成员都是各家公司最优秀的研发人员，他们在这里的工作，并不是研究具体的半导体技术，而是开发最先进的半导体设备。因为该组织通过前期细致的调研发现，设备是芯片制造的基础。如何改进制造流程、更好的使用设备，相当于现在台积电和中芯国际所做的业务，只有垄断设备制造，才有更强的议价权利。Sematech总体上非常成功，1995年，美国半导体产业全面恢复国际竞争力，特别是半导体设备制造领域，美国的地位至今无人可以撼动。Sematech是产业界发起的，美国政府参与运营和管理，国防部还专门为其设置专项经费，每年1亿美元。

不过，Sematech存在一个问题，对非主流技术不够重视。当时光刻技术不是芯片产业的核心问题，佳能、尼康的光刻机市场份额超越美国后，美国企业可以接受这两家日本供应商，Sematech将光刻技术排除在研发之外。

到了1997年，芯片集成度越来越高，制造难度越来越大，光刻机的重要性越来越突出。为了摆脱对日本设备的依赖，英特尔牵头成立极紫外联盟（EUV LLC），研究最先进的光刻技术。联盟中除了产业巨头，还包括三大国家实验室：劳伦斯利弗莫尔国家实验室、桑迪亚国家实验室、劳伦斯伯克利实验室。这些实验室是美国科技发展的幕后英雄，研究成果有核武器、超级计算机、核聚变点火装置等。

资金和人才到位后，主角却上不了台面，美国之前的光刻机企业被日本公司打的七零八落，没有一个能担当重任。英特尔想拉尼康和ASML一起入伙，但问题是，这两家公司都是外国的。美国政府出面干预，选择荷兰企业，拒绝日本公司。尼康是敌人，80年代把美国半导体产业打压的太惨。不过，ASML加入是有条件的，必须在美国建立工厂和研发中心，满足美国本土需求，55%的零部件要从美国厂商采购，并接受定期审查。美国为什么能让荷兰对华禁售EUV光刻机，原因就在这。

90年代，尼康、佳能的光刻技术全球领先，美国成立的极紫外联盟，相当于纠集了一群二流企业，抢夺老大的位置。当初，ASML公司只是一个不知名企业，光刻机的市场份额很小，因缘巧合傍上美国大腿，之后，好运接连不断。

90年代末，光刻机的光源卡在了193nm，成为难以突破的门槛。这里的193nm，说的是光的波长，它和芯片制程的概念不一样。光的波长相当于刻刀的宽度，芯片的制程指的是，刻刀在硅片上刻出沟槽的最小宽度。从60年代开始，这把刻刀，从436nm、365nm、248nm，到如今的193nm。再往下，刻刀就要磨得更锋利，但技术出现分水岭。尼康希望稳步前进，选择157nm的激光，作为下一代刻刀。新成立的极紫外联盟押注更加激进的方案，选择几十纳米的极紫外光。不过，当时这些尝试都失败了。

2002年，台积电一个叫林本坚的工程师提出，浸润式光刻工艺。利用了一个很简单的原理，光在水中会产生折射。在光刻机的透镜和硅片之间加一层水，原来的193nm激光，经过液体发射折射，波长直接降到132nm，刻刀突破之前的瓶颈，变得更锋利。林本坚拿着方案去找日本公司，希望它们采纳，结果吃了闭门羹。ASML决定赌一把，采用林本坚的方案，以小博大，仅用一年时间，就赶制出样机。新型光刻机经过测试，性能优异，获得IBM、台积电的大量订单。光刻机不是快消品，企业花钱肯定是买最好的产品，日本企业没有拿出最好的产品，只能停留在中低端，逐渐落后。

日本半导体公司有两个特点，一是，崇尚匠人精神，非常固执的认为自己的技术最好，宅在实验室里研究技术，缺乏全球视野。二是，售后服务差，对客户提出的设备问题，不能及时解决，因为他们对自己的产品非常有信心。在市场上，ASML生产的设备更受欢迎，他们的做法与日本公司相反，采纳客户意见，提供周到售后服务。日本半导体企业衰落还有一个重要原因，他们一直遵循IDM模式，芯片的设计、制造、封装、测试，都尽量自己做，不与他人分享利益。芯片越做越精密，制造成本越来越高，所有的活都自己干，企业负担加重。90年代后，分工合作的模式成为主流，设计公司只管设计，代工企业专注于代工，成本分摊，压力减小，还能满足客户多样化需求。

ASML的新型光刻机，对尼康，佳能造成致命打击后，世界各大半导体厂商的订单纷涌而至。此后，随着光刻技术的不断改进，浸入式光刻机一直做到现在的7nm。看着ASML日益壮大，美国华尔街资本闻风而动，大量购买这家公司股份，实现控股。现在ASML的三大股东：资本国际集团、贝莱德、英特尔，都来自美国。经过这些操作，ASML“顺理成章”地成为了半个美国公司。

“美国光环”也给ASML带来好处，2009年，美国的Cymer公司研发出EUV光刻机所需的大功率光源，成为ASML的供应商，这种光源是光刻机的核心零件，全球有这样技术的公司不超过三家。2013年，ASML决定收购Cymer公司，美国政府同意了。

在《瓦森纳协议》框架下，欧美国家最先进的光刻机一直对华禁售。可以出售的那些也都附带由保留条款，禁止给中国国内自主CPU 做代工。中国芯片起不来，有一部分原因是买不到先进设备。

国产光刻机起步并不晚，从上世纪70年代算起，清华大学精密仪器系、中科学院光电技术研究所、中国电科45所，都投入力量研发，但与欧美最先进的设备相比，差距较大。在光刻技术上，中国积累不足。全球光刻机专利数量排名前十的公司，除了台积电，都是外国公司。

目前，芯片制程正在向5nm以下演进，只有英特尔、台积电、三星等少数企业，掌握最先进的芯片生产线，他们与原材料生产商、半导体设备商，相互持股，构成“你中有我，我中有你”的垄断格局。

光刻机作为最重要芯片制造设备，已经不是一个国家或几个企业能完成的工程，必须与全球顶级的光源、光学、材料、关键零部件厂商进行合作。美国试图遏制中国半导体产业发展，但我们不能因此放弃与国外的技术交流。中国企业要在一些关键领域实现突破，掌握别人没有的技术，高端光刻机制造才有我们的话语权。

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