科工力量：憑藉一國之力能搞出光刻機嗎？

【文/科工力量 柳葉刀 陳辰】

上期節目我們聊了國產芯片，一個很大的難點，就是光刻機。美國一直阻止荷蘭設備商ASML對華出口極紫外光刻機，也就是EUV，這種做法就是典型的將商業問題政治化。ASML如果遵守美國禁令，不僅意味着經濟損失，也有可能失去全球最大的市場。

光刻機有高端的，也有低端的，像EUV就是高端的，它可以製造7nm以下的芯片。美國的禁令是，高端設備不準賣給中國，極紫外光刻機屬於管制範圍。《中國製造2025》曾將這種光刻機列為重點突破領域，並計劃在2030年實現國產化。

為了不讓荷蘭將最先進的光刻機賣給中國，白宮可是操碎了心。他們多次向荷蘭施壓，阻止最先進的光刻機出口中國。2018年5月，中芯國際向ASML訂購了一台EUV光刻機，價值1.5億美元，計劃2019年交付。結果被美國盯上了，接下來幾個月裏，美荷雙方連續開了四場會議，討論直接封殺這筆交易的可能性。當時，美國的出口條例已經修改，外國公司出售給中國商品，如果含有超過25%的美國技術，就必須得到美國政府的允許。

企業都是以盈利為目的，ASML公司本身也想推動這筆交易。2018年，該公司在中國的營收佔到銷售總額的20%，超過在美國的16%。去年6月，蓬佩奧訪問荷蘭，要求首相呂特阻止對華出口先進的光刻機。呂特的回應是，雖然荷蘭想要與盟國保持政策一致，但“每個國家都必須做出自己的安全決定”。後來，他訪問華盛頓，白宮官員向他展示了一份情報，內容是“中國獲得光刻機可能帶來的後果”。呂特回國後，荷蘭政府立刻禁止ASML對華交易。

半導體產業70年曆史中，光刻技術的改進，不斷推動芯片製程的升級。在集成電路出現之前，電子器件靠手工連接。二戰時，美國的航空母艦有35萬個電子設備，需要上千萬個焊接點，這導致維護工作繁瑣，很容易出現設備短路失靈。為了保證複雜的電路穩定工作，貝爾實驗室想出了一個辦法，將這些的電路集成在指甲蓋大小的硅片上，怎麼實現呢？受到投影儀和照相機的啓發，他們將設計好的電路投射到硅片上，以光為刀，按照硅片上的陰影，雕刻電路。這就是光刻機的原型。貝爾實驗室手握很多專利，光刻技術就是其中之一。為了讓更多的企業受益，美國政府以反壟斷法威脅，逼迫貝爾實驗室釋放技術，後來的美國半導體巨頭，就是這樣培養起來的。像GCA、Perkin Elmer等公司，獲得光刻技術後，馬上推出自己的光刻機產品，佔據市場主導地位。

可到了80年代，一切都變了。日本超越美國，成為半導體第一大國。全球前10大半導體公司，日本佔了6家，而且前三名都是日本企業。當時，日立、東芝、富士通的產品，成為“高質量”的代名詞，良品率遠高於英特爾、德州儀器。佳能、尼康研製的光刻機，佔據近一半市場份額，IBM、AMD幾乎是堵在它們生產線門口，等着產品下線搶購，就跟我們今天急切等待EUV光刻機交貨一樣。

日本的半導體產品瘋狂湧入美國，美國公司的市場份額直線下降，英特爾甚至準備放棄抵抗，宣佈破產。白宮一看，照這樣下去，整個硅谷都會被日本碾壓。開始採取反制措施，一是，對外祭出關税大棒，對日本的半導體徵收高額懲罰性關税，限制其出口。二是，對內組建半導體制造技術聯盟Sematech，英文名是“ Semiconductor Manufacturing Technology”。該組織由美國14家半導體龍頭企業組成，包括英特爾、IBM、美光、惠普、摩托羅拉等。

聯盟中的成員都是各家公司最優秀的研發人員，他們在這裏的工作，並不是研究具體的半導體技術，而是開發最先進的半導體設備。因為該組織通過前期細緻的調研發現，設備是芯片製造的基礎。如何改進製造流程、更好的使用設備，相當於現在台積電和中芯國際所做的業務，只有壟斷設備製造，才有更強的議價權利。Sematech總體上非常成功，1995年，美國半導體產業全面恢復國際競爭力，特別是半導體設備製造領域，美國的地位至今無人可以撼動。Sematech是產業界發起的，美國政府參與運營和管理，國防部還專門為其設置專項經費，每年1億美元。

不過，Sematech存在一個問題，對非主流技術不夠重視。當時光刻技術不是芯片產業的核心問題，佳能、尼康的光刻機市場份額超越美國後，美國企業可以接受這兩家日本供應商，Sematech將光刻技術排除在研發之外。

到了1997年，芯片集成度越來越高，製造難度越來越大，光刻機的重要性越來越突出。為了擺脱對日本設備的依賴，英特爾牽頭成立極紫外聯盟（EUV LLC），研究最先進的光刻技術。聯盟中除了產業巨頭，還包括三大國家實驗室：勞倫斯利弗莫爾國家實驗室、桑迪亞國家實驗室、勞倫斯伯克利實驗室。這些實驗室是美國科技發展的幕後英雄，研究成果有核武器、超級計算機、核聚變點火裝置等。

資金和人才到位後，主角卻上不了枱面，美國之前的光刻機企業被日本公司打的七零八落，沒有一個能擔當重任。英特爾想拉尼康和ASML一起入夥，但問題是，這兩家公司都是外國的。美國政府出面干預，選擇荷蘭企業，拒絕日本公司。尼康是敵人，80年代把美國半導體產業打壓的太慘。不過，ASML加入是有條件的，必須在美國建立工廠和研發中心，滿足美國本土需求，55%的零部件要從美國廠商採購，並接受定期審查。美國為什麼能讓荷蘭對華禁售EUV光刻機，原因就在這。

90年代，尼康、佳能的光刻技術全球領先，美國成立的極紫外聯盟，相當於糾集了一羣二流企業，搶奪老大的位置。當初，ASML公司只是一個不知名企業，光刻機的市場份額很小，因緣巧合傍上美國大腿，之後，好運接連不斷。

90年代末，光刻機的光源卡在了193nm，成為難以突破的門檻。這裏的193nm，説的是光的波長，它和芯片製程的概念不一樣。光的波長相當於刻刀的寬度，芯片的製程指的是，刻刀在硅片上刻出溝槽的最小寬度。從60年代開始，這把刻刀，從436nm、365nm、248nm，到如今的193nm。再往下，刻刀就要磨得更鋒利，但技術出現分水嶺。尼康希望穩步前進，選擇157nm的激光，作為下一代刻刀。新成立的極紫外聯盟押注更加激進的方案，選擇幾十納米的極紫外光。不過，當時這些嘗試都失敗了。

2002年，台積電一個叫林本堅的工程師提出，浸潤式光刻工藝。利用了一個很簡單的原理，光在水中會產生折射。在光刻機的透鏡和硅片之間加一層水，原來的193nm激光，經過液體發射折射，波長直接降到132nm，刻刀突破之前的瓶頸，變得更鋒利。林本堅拿着方案去找日本公司，希望它們採納，結果吃了閉門羹。ASML決定賭一把，採用林本堅的方案，以小博大，僅用一年時間，就趕製出樣機。新型光刻機經過測試，性能優異，獲得IBM、台積電的大量訂單。光刻機不是快消品，企業花錢肯定是買最好的產品，日本企業沒有拿出最好的產品，只能停留在中低端，逐漸落後。

日本半導體公司有兩個特點，一是，崇尚匠人精神，非常固執的認為自己的技術最好，宅在實驗室裏研究技術，缺乏全球視野。二是，售後服務差，對客户提出的設備問題，不能及時解決，因為他們對自己的產品非常有信心。在市場上，ASML生產的設備更受歡迎，他們的做法與日本公司相反，採納客户意見，提供周到售後服務。日本半導體企業衰落還有一個重要原因，他們一直遵循IDM模式，芯片的設計、製造、封裝、測試，都儘量自己做，不與他人分享利益。芯片越做越精密，製造成本越來越高，所有的活都自己幹，企業負擔加重。90年代後，分工合作的模式成為主流，設計公司只管設計，代工企業專注於代工，成本分攤，壓力減小，還能滿足客户多樣化需求。

ASML的新型光刻機，對尼康，佳能造成致命打擊後，世界各大半導體廠商的訂單紛湧而至。此後，隨着光刻技術的不斷改進，浸入式光刻機一直做到現在的7nm。看着ASML日益壯大，美國華爾街資本聞風而動，大量購買這家公司股份，實現控股。現在ASML的三大股東：資本國際集團、貝萊德、英特爾，都來自美國。經過這些操作，ASML“順理成章”地成為了半個美國公司。

“美國光環”也給ASML帶來好處，2009年，美國的Cymer公司研發出EUV光刻機所需的大功率光源，成為ASML的供應商，這種光源是光刻機的核心零件，全球有這樣技術的公司不超過三家。2013年，ASML決定收購Cymer公司，美國政府同意了。

在《瓦森納協議》框架下，歐美國家最先進的光刻機一直對華禁售。可以出售的那些也都附帶由保留條款，禁止給中國國內自主CPU 做代工。中國芯片起不來，有一部分原因是買不到先進設備。

國產光刻機起步並不晚，從上世紀70年代算起，清華大學精密儀器系、中科學院光電技術研究所、中國電科45所，都投入力量研發，但與歐美最先進的設備相比，差距較大。在光刻技術上，中國積累不足。全球光刻機專利數量排名前十的公司，除了台積電，都是外國公司。

目前，芯片製程正在向5nm以下演進，只有英特爾、台積電、三星等少數企業，掌握最先進的芯片生產線，他們與原材料生產商、半導體設備商，相互持股，構成“你中有我，我中有你”的壟斷格局。

光刻機作為最重要芯片製造設備，已經不是一個國家或幾個企業能完成的工程，必須與全球頂級的光源、光學、材料、關鍵零部件廠商進行合作。美國試圖遏制中國半導體產業發展，但我們不能因此放棄與國外的技術交流。中國企業要在一些關鍵領域實現突破，掌握別人沒有的技術，高端光刻機制造才有我們的話語權。

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