讨论国产光刻机，要避免三个迷思

► 文 观察者网专栏作者 潘禺

光刻机和高端航空发动机是最后两个中国在商业市场上几乎零占有率的复杂设备，因此一直是国内舆论关注的焦点。在高铁机车和消费级无人机上面临同样情况的美国人，则不以为意。

随着工信部的一则发布，国产光刻机又成了大家关注讨论的热点。这里不就这次的光刻机技术参数做过多解读和猜想，而想谈谈对国产光刻机的现状，对当前的地缘科技形势，我们该如何理解，避免三个“迷思”。

第一个迷思，是建立了国际光刻巨头不可战胜的神话，低估了ASML不卖光刻机给中国，对ASML自身的压力。根据半年度财报，目前中国大陆市场占ASML总销售额比例已接近50%。那些主张出口管制的人，“是因为他们想不出其他步骤来技术上阻碍中国”。这话不是我说的，是美国著名智库ITIF的创始人罗伯特·阿特金森说的。无论是对英特尔、美光、英伟达、高通这些美国公司来说，还是对ASML来说，出口管制都意味着死亡螺旋：收入减少，投资于下一代产品的资金减少，下一代产品的销售减少，导致销售额再次减少，如此循环。而半导体这样的创新产业有很高的固定成本，必须通过获得大的市场份额，将这些成本分摊降低。

ASML每年花费数十亿欧元在研发、设备建设和技术升级上，这些费用就属于固定成本，不随生产量的变化而减少。ASML通过向全球多个市场出售其EUV光刻机来分摊这些固定成本。根据财报估算，ASML每生产一台EUV光刻机的边际成本大约为0.75亿欧元左右，虽然单台设备售价高达1.5亿欧元，毛利率较高，但这种边际利润仍依赖于较大的销量来保持资金的持续流入。失去中国这一大市场，ASML的生产规模将会缩小，规模经济效应下降，削弱其创新能力。

一旦未来中国的高端光刻机实现量产，那对ASML的压力就更大。光刻机市场容量有限，美国昔日的领军者GCA退出市场，Perkin-Elmer和Ultratech被相继收购，日本的Nikon仍在生产用于较旧制程（如ArFi光刻机）的设备，但市场份额逐渐萎缩，Canon则专注于中低端市场，如i-line和KrF光刻机。ASML在先进制程市场上绝对垄断，固然有技术和运气的原因，也说明这个市场撑不起太多个竞争者，ASML损失中国市场的代价可不低。

光刻机巨头的历史教训并不少。1981年，半导体产业正走向衰退，当时尼康在日本国内推出了第一台步进光刻机，而美国的GCA仍然感觉自己不可战胜，它确实有资本，当时GCA在日本的市场份额为95%，世界上几乎所有的步进光刻机都来自它。但几个灾难很快摧毁了这个巨头，一个是GCA的工程师也没有意识到蔡司交付的镜头柱存在严重的漂移问题，那时，ASML还没有售卖光刻机，但ASML坚持要求蔡司进行出厂镜头的质量检验。而另一个很偶然的原因导致了GCA的机器没有尼康的可靠，对于光漂移问题，美国人认为这是赶不走的魔鬼，光刻机是高度复杂的机器，所以必须整天不断地调整，而细致的日本人发现了其中的一个根本原因是全天气压的变化，并因此重新设计了机器。

至于ASML战胜尼康和佳能这些日厂，一方面是在2000年代早期收购SVG，不仅市占率一举超越日企，更在其间的严苛国安风险审查中成为美国光刻机产业政策的独家宠儿，另一方面，在F2激光器路线终止后，ASML在浸没式光刻这项关键技术的商业化窗口期表现出较日企更灵活高效的身段。ASML抓住了这一技术突破，迅速在市场中建立了技术优势，满足了全球半导体行业对更小线宽、更高精度的需求。

ASML取得今天的垄断地位也有一定偶然性，它并非不可一世，感受不到压力。历史上，它也曾和竞争对手一样，多次在芯片需求低迷期挣扎在生死线上。

第二个迷思，就反了过来，是EUV光刻机速胜论，认为中国可以在短时间内赶超。EUV光刻机拥有超过450,000个组件，ASML自己也只生产了总组件的15%，其余必须来自全球供应链。这意味着，即使中国能收购了ASML（这当然不可能），也无法根本上解决卡脖子问题。从“速胜”这个角度去破解“小院高墙”政策，并不奏效，这种思维本身就陷入了对方的设计，而没有抓住制胜的关键。

EUV光刻机离不开全球上、下游产业链5000多个供应商提供的用于生产光刻系统的材料、设备、零部件和工具的支撑。这不是任何一个国家以一国之力能办到的，而是全球化合作的成果证明，任何一国假如真能“速胜”，也不会把创新的成本和风险由自己来全部承担。比如，虽然俄罗斯有着与西方世界的地缘政治冲突，心智观察所此前的文章就提到，俄罗斯相关科研机构在ASML所动员起来的泛欧EUV攻关网络中有着长期而深入的参与。

从技术上也能说明EUV作为第五代光刻机是一种很极致的产品，风险很高。

第四代步进式扫描投影光刻机采用193nm的激光光源，通过浸没式光刻技术，在光刻机投影物镜最后一个透镜下表面与硅片光刻胶之间充满高折射率的液体，能进一步提高了光刻分辨率（这也是当前国产设备正在突破的阶段）。比如，28nm这个重大技术节点，可以继续沿用现有工艺非常成熟的ArFi浸没式光刻技术，不需要大规模设备更新，投入与产出比最佳，成本最优，至今很有价值。

理论上，193nm波长的ArF浸没式DUV光刻机，借助多次曝光技术可用于7nm工艺节点芯片的生产。当工艺节点达到5nm及以下，即使采用浸没式光刻技术配合SADP/SAQP工艺，仍然难以满足需求，就只能使用EUV光刻机了。

EUV光刻机采用波长为13.5nm的激光等离子体光源作为光刻曝光光源，其波长是193nm的1/14，几乎逼近物理学、材料学以及精密制造的极限，经过10多年探索才逐渐成熟。EUV光源的技术难点在于，需要的光源输出功率非常高，达到250W以上。又需要整个系统的能量转换和传输效率非常高，驱动激光器本身的平均功率达到约20 kW，才能实现250W以上的光源转换率。还需要具备较窄的激光线宽，并要求频率噪声和相对强度噪声都很小，以减少光学系统中的损耗。

EUV要求那么高，将最小工艺节点推进至7nm以下，还是困难重重，最终又花了10年时间，搞出一系列非常极限的突破，包括：大功率激光等离子体光源、50多层纳米尺度反射层的反射透镜和反射掩模版、能够抵抗EUV破坏的掩模版及基片保护膜、EUV光刻胶及99. 999999999%（11个9）极高纯度硅基片材料，才在2019年推出了晶圆曝光速度合适的EUV光刻机，一个需要40个集装箱运输，安装调试都要超过1年，重达180吨的大家伙。

但相比28nm工艺的舒适区，这个大家伙的技术进步带来的边际效用，目前来看肯定是减少了。心智观察所此前就分析指出，虽然英特尔组装完业界首个High NA（高孔径）EUV，将这个耗资3.5亿欧元的最先进设备拍成宣传片大秀身姿，但并不能指望带来孙悟空获取金箍棒一般的效果，由于设备折旧和量产摊销成本的压力，最先进的光刻机很可能也救不了英特尔岌岌可危的代工业务。

第三个迷思，则正好又相反，是认为对于最先进的EUV光刻技术，中国还处于一片空白，无从谈起的程度。2023年第2期的《中国科学院院刊》刊载了骆军委、李树深的文章《加强半导体基础能力建设 点亮半导体自立自强发展的“灯塔”》，其中有一句话产生了很大的舆论影响，说美国已经拧熄了“灯塔”，我们进入“黑暗森林”。

这句话容易引起误会，其本意是强调，没有半导体基础研究，就不能发展半导体产业，半导体物理是一切半导体技术的源头，中国要面临众多“没有已知解决方案”的基本物理问题挑战。

对于EUV光刻机的一些重大基础问题，中国学者已经在发起挑战了，这方面的积累绝不是空白。根据瑞利公式，要提高光刻分辨率，就要缩短曝光光源波长、增大物镜系统孔径NA。13.5nm波长的EUV光，0.33~0.55的高数值孔径，就是目前最先进的指标。ASML目前已经量产的NXE系列EUV光刻机的物镜数值孔径为0.33 NA，正在进行0.55 NA的EUV光刻机研发，预计将在2026年实现量产。

光刻机的关键技术之一无疑是曝光系统的设计，其为光刻机提供满足光刻需求的特定波长、线宽以及功率的光束，曝光光源系统的详细性能指标、数据和方法是光刻机研制的核心机密。

国内EUV光刻机曝光系统的设计和研发，起步并不晚，始于2002年。根据相关论文公开披露的信息，2017年，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所成功研制了小视场EUV曝光光学系统，由两面反射镜构成的投影物镜波像差RMS值优于0.75nm，构建了EUV光刻静态曝光装置，获得了32nm线宽的光刻胶曝光图形，建立了EUV光刻关键技术验证及工艺测试平台。

具体到EUV光刻投影物镜系统、照明系统的设计、公差分析、曝光系统热变形分析及其控制研究，国内也都已有积累。国内对匀倍率EUV光刻物镜系统、照明系统的设计进行了大量研究，目前，在物镜系统、照明系统的光学设计方面都已经达到国际先进水平。对变倍率光刻物镜、照明系统的光学设计，国内外均处于深入研究阶段。北京理工大学和中国科学院长春光学精密机械与物理研究所对NA为0.33和NA为0.55的EUV曝光系统的光学设计进行了长期深入的研究，设计方法和设计效果可比肩国际已披露的同类设计。

当然，基础研究到产业应用还有很大的距离。没有基础理论积累，原理理解不充分，工程上就充满不确定，而没有产业链的深度合作，技术就没有办法在工程应用中得到试炼和反馈。

尼康和佳能不如ASML的一个重要地方，就在于日企未能像ASML那样建立深厚的产业链关系，导致其在技术创新上的滞后性进一步加剧。ASML与全球芯片制造商，如台积电、三星和英特尔，保持了密切的合作关系。这不仅帮助ASML在技术上不断满足客户需求，还让它能够通过实际生产中的反馈不断优化其光刻机设备。这种合作模式让ASML在技术开发的过程中迅速适应市场需求，提供定制化的解决方案。

对中国来说，光刻机难以像同为高端装备的盾构机那样很快从空白到突破，除了因为两者技术复杂性的差异，还有一个重要原因就是产业链关系。盾构机的产业链虽然复杂，但中国能够在本土建立较为完整的供应链，包括钢材、液压系统、电控设备等核心部件。而随着中国城市化进程的加速，大量的地铁、隧道、公路等工程需要使用盾构机，为中国盾构机制造商如中铁装备、三一重工提供了充足的实践机会，使他们能够在实践中积累技术经验，不断改进和优化产品。

而中国光刻机制造商目前尚缺乏这样的条件，这可能也是工信部要出台指导目录，对两款光刻机进行应用推广的重要原因。

另外，我们必须认识到，工信部的这份指导目录是一份有关半导体前道工艺的综合性指引，刻蚀、涂胶显影、离子注入等环节牵一发而动全身，均和光刻机的整个曝光光学系统息息相关；即便是仅聚焦于氟化氩光刻机本身的技术进展，其分辨率的提升还离不开软件增强技术即OPC工具，在目前减小曝光波长和增大投影物镜数值孔径都已经逼近极限的情况下，光刻软件已经成了海外大厂如台积电、三星、英特尔的重点发力方向，我国有关这一领域的不断突破，和光刻投影物镜系统、照明系统等硬件的研发同样值得我们关注和期待。

来源|心智观察所