芯片破壁者：光刻技術的“鬼斧”之變

硅晶圓上的集成電路和電子元器件

光刻技術，正是半導體芯片得以齣現的關鍵技術之一，也仍然是今天芯片的核心製造工藝，光刻機更是被譽爲半導體産業皇冠上的明珠。

在試圖探討我國如何實現半導體産業突圍的當下，光刻技術和光刻機始終是我們無法迴避的技術隱痛，也是我們必鬚跨越的技術高峰。

不過，高端光刻機所涉及的技術種類之多、技術難度之高、産業鏈之複雜，遠超外行人的想象。在半導體産業七十多年的進程中，正是光刻技術的不斷改進推動瞭芯片結構的迭代陞級，衕時光刻技術以及相伴而生的光刻機、光源、光學元件、光刻膠等材料設備，也形成瞭極高的技術壁壘和錯綜複雜的産業版圖。

我們首先將迴到光刻技術誕生的歷史現場進行還原，也會深入到光刻技術的演進歷程，以及光刻機産業的競爭版圖中，讓我們穫得對於光刻技術的全局視野，從而也能更好理解當下我們所處的半導體光刻機産業的競爭格局。

爲硅晶體拍照，光刻技術的閃亮登場

從晶體管的髮明到集成電路的齣現，這中間還有一箇巨大的跨越，那就是如何將大量的電子器件微型化，以集成在一小片電路上。完成這一跨越，全世界最聰明的電子工程師們又花瞭十年時間，這十年也成爲電子技術史上麵的第一箇關鍵時期。

20世紀50年代，在芯片齣現之前，電子器件的連接幾乎都要依賴手工完成。當時美國海軍的一艘航空母艦有35萬箇電子設備，需要上韆萬箇焊接點。這樣的工程量使得電子設備的生産效率嚴重低下，電路的成品率也完全依賴操作人員的熟練度和準確度。

電子産業界都在呼喚微型化集成電路，也就是芯片的齣現，而製作芯片的工藝正在貝爾實驗室中醞釀。

從1950年起，貝爾實驗室的幾位化學傢陸續完成瞭鍺晶體和硅晶體的提純。到1995年初，亨利·索羅製造齣瞭雜質濃度小於韆分之一的硅晶體。

與此衕時，化學傢卡爾文·富勒領導的小組研髮齣高溫下鍺晶體的雜質擴散工藝，可以通過精準地控製雜質進入鍺晶體的深度和數量，製造齣PN結。1955年，富勒研究小組已經把擴散技術應用在硅晶體上麵，通過擴散技術將兩種雜質註入硅片上，形成NPN結構。擴散技術至今仍然是晶體管製造的基礎。

貝爾實驗室以擴散技術製造的第一箇硅基晶體三極管

衕時在貝爾實驗室工作的卡爾·弗洛希和林肯·德裡剋爲擴散技術提齣瞭一種全新的方式，那就是在硅片錶明生成一層氧化膜，在其上蝕刻齣窗口圖形，從而使得雜質隻能從窗口擴散到硅襯底中，而覆蓋氧化膜的地方則被保護瞭起來。

在這些基礎工藝實現之後，光刻技術的齣現也呼之慾齣。1955年，貝爾實驗室的硃爾斯·安德魯斯和沃爾特·邦德開始閤作，將於製造印刷電路的光刻技術用於硅片加工。其方法就是在二氧化硅的氧化膜上均勻塗抹一層“光緻抗蝕劑”（也就是光刻膠），隨卽通過光學掩模的方式將窗口圖形暴露在這一圖層上，形成精準的窗口區域。然後再通過化學蝕刻將這一“窗口”形成，衕時除去未曝光的“光緻抗蝕劑”。最後再將所需雜質通過這些“窗口”擴散到下麵的硅襯底中，形成半導體器件所需要的P型和N型結構，從而構成更精準、更複雜的半導體器件。

簡言之，光刻技術的實質就是將芯片所需要的電子線路和功能區製造齣來。光刻機將光源通過掩模，對塗瞭光刻膠的硅晶圓進行曝光，曝光後的光刻膠髮生變化，也就“複印”瞭掩模上麵的圖形，最終也就使得晶圓上麵産生瞭電子線路圖。

純化技術、擴散技術、氧化層掩膜技術以及光刻技術，這些製造工藝技術填平瞭從晶體管分立器件到集成電子線路的巨大鴻溝。

不久之後，德州儀器的基爾比和仙童半導體的諾伊斯，就將這些來自貝爾實驗室的半導體製造工藝應用在瞭集成電路的製造上麵，開啟瞭半導體産業的騰飛之路。

光刻技術的“摩爾定律”陞級賽

有趣的是，光刻技術的髮展還有一條支線。就在貝爾實驗室取得半導體技術進展的衕時，當時爲美國國防部研究固態電路微型化的兩位工程師傑伊.萊斯羅普和詹姆斯.納爾，早已在1952年開始使用光刻膠來製作鍺晶體管。1957年，兩人在貝爾實驗室研究成果的基礎上進一步推進瞭光刻技術，製成瞭小型化的晶體管和陶瓷的混閤電路，併創造瞭“光刻”（Photolithography）一詞。

萊斯羅普和納爾申請的光刻專利

1958年，仙童半導體的霍尼髮明瞭平麵工藝，解決瞭晶體管的絶緣和連線問題，衕時拉斯特和諾伊斯造齣瞭世界上第一颱光刻照相機，用於硅基晶體三極管的製造。1959年，仙童半導體研製世界第一箇單結構硅晶片。1963年，研製齣CMOS製造工藝，成爲今天IC産業的主流製造工藝。

六十年代初，光刻技術還非常初級，當時掩模闆是一比一貼在晶圓上，而晶圓的大小也隻有1英寸。因爲原理併不複雜，就如衕照相一樣，半導體公司還能自己設計相關光刻工具和裝備，但很快專業的光刻機齣現，隨卽成爲瞭芯片製造的關鍵設備之一。

也就在1965年， 英特爾創始人，時任仙童半導體實驗室主任的戈登·摩爾通過觀察髮現每代芯片幾乎都是前一代芯片容量的兩倍，以此提齣瞭推動半導體技術持續陞級的“摩爾定律”。當時的版本是，集成電路芯片上可容納的元器件數目，在價格不變的基礎上每年翻一番。1975年，他又改爲每兩年翻一番。

摩爾定律的推進路線

而摩爾定律實現的關鍵正是光刻技術。隨著集成電路元器件尺寸不斷縮小，而芯片集成度和運祘速度的不斷提高，對光刻技術的分辨率要求也越來越高。最終摩爾定律的實現正是衕這一光學分辨率息息相關，而光學分辨率則是由一箇瑞利公式決定：CD=K1*λ/NA

其中，CD爲曝光關鍵尺寸，K1爲工藝常數，λ爲光波長，NA爲投影物鏡的光學數值孔徑。CD值越低，代錶分辨率越高，也就是，光刻技術隻有每兩年把CD降低30%~50%，摩爾定律纔能得以應驗。

所以，提高光學分辨率的方法有三種，降低K1值，提高數值孔徑NA，降低波長λ。在現實的技術工藝中，K1值和NA值的改進有限，而降低曝光光源的波長λ成爲光刻技術持續推動的趨勢。

從六十年代開始，半導體曝光光源經歷瞭可見光、八十年代的436納米、365納米近紫外波段的高壓汞燈光源，再到九十年代的248納米深紫外波段的準分子KrF激光。一直到九十年代末的193納米ArF準分子激光，也就是今天主流電腦主機芯片製造還在使用的DUV激光光源。

正是193納米波長，成爲決定今天光刻機産業格局的分水嶺。

麵對當時如何突破193納米波長的難題，科學界和光刻機産業界都在尋求超越牠的方案。當時美國的SVG、日本的尼康，基於前一代的榦式光刻法，選擇瞭看起來更穩妥的157納米的F2激光，美國能源部和英特爾髮起，聯閤摩託羅拉、 AMD等組建瞭EUV LLC，主攻過於超前的13.5納米的EUV極紫外光光源，此外還有更小衆的EPL、離子光刻等。不過當時這些嚐試都失敗瞭。

有趣的是，來自颱積電的工程師林本堅，在2002年提齣瞭一種基於193納米波長，但改變榦式光刻爲浸潤式光刻工藝，也就是在光刻膠上方加上一層薄薄的水，來把193納米波長摺射成134納米，一下子突破瞭157納米的難關。此後浸潤式光刻技術經過多次的工藝改進，更是做到瞭22納米製程。

ASML的第一颱浸潤式光刻機

而最早選擇浸潤式光刻技術的，就是那箇“天選之子”一般的ASML。最終，在ASML和颱積電的通力閤作下，率先將193納米浸潤式光刻機生産齣來，也正是這一領先尼康三年的新産品，讓ASML徹底贏得瞭光刻機絶大部分的市場份額。而潰敗的尼康再也沒能拿齣更好的光刻機，而隻能停留在中低端市場當中。

在此之後，光刻機的高端賽道上隻剩下ASML和獨步天下的EUV光刻機。而這一段需要我們另闢專題專門去分析。

在光刻技術的數十年演進過程中，我們其實也能隱約看到一條光刻機産業的變遷路徑。

光刻機産業殘酷淘汰賽

毋庸置疑，半導體晶體管以及光刻技術的髮端肇始於貝爾實驗室。那麽，在專利製度如此完善的美國，爲什麽貝爾實驗室及其背後的AT&T沒有成爲半導體産業的領軍者，而是在短時間內有衆多的美國半導體企業迅速崛起？

這場技術革命之所以很快傳遍整箇産業界，源於當時AT&T麵臨反壟斷的壓力，不得不曏美國政府錶態，將半導體技術公之於衆。1956年，貝爾實驗室第三次召開半導體晶體管技術分享會，正式公佈瞭光刻、擴散技術和氧化層掩膜技術，連衕早在1952年就齣售的晶體管生産技術，直接壯大瞭德州儀器、IBM、摩託羅拉、索尼等公司的半導體技術，也間接催生瞭仙童、英特爾、AMD等後來的半導體巨頭。

而光刻技術的公佈和擴散更是引髮瞭持續至今的光刻機産業的革新和版圖遷移。

最先受益的自然是美國企業。1961年，美國GCA醫療技術公司造齣瞭第一颱光刻機。七十年代，美國Kasper儀器公司、Perkin Elmer公司先後推齣對齊式、投影式光刻産品，佔領瞭市場先機。1978年，GCA又推齣瞭真正意義上第一颱自動化步進式光刻機Stepper，分辨率可以達到1微米，逐漸佔據瞭市場主導地位。

1980年，尼康推齣步進式光刻機NSR-1010G

由於當時光刻技術門檻相對不高，六十年代末，日本的尼康和佳能因爲産業相近，也開始涉足光刻機産業。到瞭八十年代，尼康髮售瞭自己首颱商用步進式光刻機NSR-1010G，擁有更先進的光學繫統和自研的鏡頭，開始從GCA手裡奪下瞭IBM、英特爾、AMD等一繫列大客戶。

直到1984年，尼康已經可以和GCA平起平坐，各自佔據30%的市場份額。Ultratech、Eaton、P&E、佳能、日立等剩下幾傢瓜分剩下的40%。

圖中的簡易木闆房就是ASML最初的辦公地點

而這一年，未來光刻機産業的霸主ASML（先進半導體材料光刻公司），在荷蘭飛利浦公司和一傢名叫ASMI的小公司閤作下成立。成立之初，ASML隻有31名員工，併且隻能在飛利浦大樓外的簡易木房裡辦公。ASML的崛起還有一段時間，八十年代是日本半導體和光刻機産業的“光輝𡻕月”。

隨著1986年半導體市場大滑坡，GAC的新産品開髮停滯，隨卽被收購，再之後因無人接手而關門。Ultratech 在被管理層收購後停滯不前，P&E的光刻機部門也在1990年被賣給瞭SVG。八十年代末，美國的光刻機三巨頭隕落，而日本的尼康、佳能佔據瞭絶大部分市場份額，剛剛起步的ASML也隻拿到10%的市場份額。

而到瞭90年代，就是尼康和ASML雙雄競爭的時代，不過因爲世紀之初的那一場技術路線之爭，尼康落敗，ASML一騎絶塵，一直到今天其光刻機産業霸主的地位仍然牢不可破。

總體來看，在光刻技術髮展的六十年時間裡，光刻機企業走馬燈似的快速淘汰和轉移，其實背後有一箇非常現實的矛盾。就是光刻機作爲芯片製造的上遊産業，銷售市場非常狹窄，銷量也十分有限，當時一傢的年銷量也不過幾十颱，但是光刻機又是一箇需要巨額資金持續投入研髮、持續更新迭代的高精尖技術，而且隨著芯片製程越小，技術難度又呈現指數級增加。

因此，一旦一傢企業齣現産品的技術停滯或斷檔，領先一步的企業就會拿走少數幾傢半導體廠商的絶大多數訂單，而落後的企業也因失去關鍵營收而無力進行光刻機新品的研髮和生産，也就失去贏得競爭的機會。

簡單來説，光刻機産業的邏輯就是贏者通喫，尼康的敗局就是前車之鑒。

我國光刻機産業現狀與可能

迴到我國的半導體産業突圍的問題上來，最核心的一項任務就是實現高端光刻機，特彆是EUV光刻機的國産化。

不過，當我們瞭解瞭光刻技術的演變和光刻機産業遷移過程之後，可能會更冷靜地麵對當前無比艱難的競爭格局。

首先，我國在入局光刻機産業的時間併不短，但是我們在核心技術和專利上的積纍仍然嚴重不足。專利技術受製於人成爲卡住我國半導體産業嚥喉的巨大隱痛。

全球光刻機專利主要申請的公司

一直以來，日本的尼康、東京電子、佳能都是光刻機專利的申請大戶。90年代之後，ASML的光刻機專利數也大幅增加，併且在日本也佈局瞭大量專利。此外在中國颱灣、美國和韓國也有較多的專利佈局。相比之下，我國的光刻機相關專利申請比例仍然很低，且近幾年也併未有增加的趨勢。基礎技術壟斷、技術研髮門檻高，可能成爲我國光刻機行業難以突破的一大因素。

芯片中場效應管的架構髮展

其次，就在我們意識到要推動半導體産業自主化的時候，芯片製造的摩爾定律已經在逼近極限，其中一大限製因素正是光刻工藝製程已經接近理論極限。當芯片製程工藝曏5納米以下演進時，如何打破物理的、材料的極限，成爲擺在光刻機和半導體製造企業麵前的現實難題。

另外，爲應對日益高昂的芯片製造成本，芯片行業採取的方式就是企業間的併購重組，到目前最先進的芯片生産線隻屬於英特爾、颱積電、 三星和格羅方德等少數幾傢芯片製造巨頭，他們與原材料和像ASML等設備商構成一箇“你中有我，我中有你”的壟斷格局。

對於我們國內的光刻機産業來説，旣麵臨壁壘森嚴的技術專利封鎖，又直接遭遇接近技術演進極限的産業階段，還要麵對處於完全壟斷地位的ASML的壓倒性優勢，我們此時髮起的技術挑戰，真的註定是一場無比艱難的極限挑戰。

對於關心半導體産業突圍的大衆而言，恐怕更加不能心急，期望我國的光刻機技術在短短幾年內就能追趕甚至超過國外巨頭。我們更應該冷靜地認清一箇現實，光刻機作爲芯片製造中最精密、最複雜、難度最大、價格最昂貴的設備，早已不再是一箇國傢或者少數幾傢企業可以完成的工程瞭。

想要研製齣最先進的光刻機設備，必鬚與全球頂級的光源、光學、材料以及關鍵零部件等廠商進行閤作。卽使在美國試圖封禁我國半導體産業髮展的艱難環境下，我們也不能放棄與國外這些先進技術企業交流、閤作的機會。

武漢光電國傢研究中心研製的“9納米光刻機”

當然，除瞭依靠商業閤作之外，更重要的是我國的半導體企業要努力實現在某些技術領域的技術突破，隻有在掌握“人無我有”的前端技術的情況下，我們纔有足夠的話語權來與這些高手過招，也纔有可能加入到高端光刻機製造的産業分工當中。

當然，令人欣喜的一方麵是，我國對光刻機技術的自主化有瞭真正的意識和推動，我國的光刻機産業正在實現技術突破。後麵我們將對此有更加詳盡的探討。