动辄上亿元的光刻机发展史，看这一篇就够了 
 

 
光刻机一直是中国半导体产业发展的软肋，那么光刻机究竟是怎么发展的呢？时下的光刻机产业又是什么状态呢？

2019年，尼康总共销售了47台光刻机，占全市场的13%，还不如自己的难兄难弟佳能。不过虽然佳能销售了82台，但是集中在第一、第二代古老的光刻机，别说高端市场，连中端市场都没什么存在感。
光刻是集成电路最重要的加工工艺，他的作用，如同金工车间中车床的作用。在整个芯片制造工艺中，几乎每个工艺的实施，都离不开光刻的技术。光刻也是制造芯片的最关键技术，它占芯片制造成本的35%以上。在如今的科技与社会发展中，光刻技术的增长，直接关系到大型计算机的运作等高科技领域。

光刻技术与我们的生活息息相关，我们用的手机，电脑等各种各样的电子产品，里面的芯片制作离不开光刻技术。如今的世界是一个信息社会，各种各样的信息流在世界流动。而光刻技术是保证制造承载信息的载体。在社会上拥有不可替代的作用。

初局

尼康起高楼，阿斯麦宴宾客，IBM楼塌了

光刻机，其实可以简单理解为“超超超超…超高”精度的照相机，把设计好的电路投影在硅片上。

1947年，贝尔实验室发明第一只点接触晶体管。从此光刻技术开始了发展。

1959年，世界上第一架晶体管计算机诞生，提出光刻工艺，仙童半导体研制世界第一个适用单结构硅晶片。

1960年代，仙童提出CMOS IC制造工艺，第一台IC计算机IBM360，并且建立了世界上第一台2英寸集成电路生产线，美国GCA公司开发出光学图形发生器和分布重复精缩机。

1970年代，GCA开发出第一台分布重复投影曝光机，集成电路图形线宽从1.5μm缩小到0.5μm节点。

1980年代，美国SVGL公司开发出第一代步进扫描投影曝光机，集成电路图形线宽从0.5μm缩小到0.35μm节点。

1990年代，Cano着手300mm晶圆曝光机，推出EX3L和5L步进机；ASML推出FPA2500，193nm波长步进扫描曝光机。光学光刻分辨率到达70nm的“极限”。

2000年以来，在光学光刻技术努力突破分辨率“极限”的同时，NGL正在研究，包括极紫外线光刻技术、电子束光刻技术、X射线光刻技术、纳米压印技术等。 

与此同时，荷兰光刻机巨头阿斯麦ASML，占据了63%的市场份额，产品集中在中高端的极紫外光刻EUV和深紫外光刻DUV上。

 

然而在2004年前，尼康是当之无愧的带头大哥，尼康一直将光刻机作为自己的核心产品，也是让日本企业引以为傲的“民族之光”，甚至当年能到尼康从事光刻机的研发一度成为众多日本大好青年的愿景。

 

再看ASML的基础并不好。从1984年诞生后的20年，ASML就一直是一个谜一样的存在，没有什么人会觉得ASML能够有什么未来，甚至包括他们自己。

 

早期ASML还叫做ASM，生存无望，之能找人投奔，后来飞利浦动了恻隐之心，在总部大厦旁边的空地上给ASML弄了几个简易厂房，ASML当时很艰苦，能活20年全靠日积月累出来的“销售手艺”。

 

魔幻的是，这点“手艺”居然成为了日后ASML登顶的关键。

 

苦苦支撑20年，ASML终于等待了他们第一个贵人——台积电鬼才林本坚，一个可以比肩张忠谋的人物。如果说张忠谋缔造了台积电的前20年，林本坚就为台积电的后二十年挣下了巨大的家当。

 

林本坚1942年出生于越南，中国台湾人，祖籍广东潮汕。林本坚1970年获得美国俄亥俄州立大学电机工程博士学位，2008年当选美国国家工程学院院士。在加入台积电之前，林本坚在IBM从事成像技术的研发长达22年，是当时世界无二的顶级微影专家。

 

2000年，林本坚在当时台积电研发长蒋尚义的邀请下加入台积电，开启了真正“彪悍的人生”。

 

在IBM最后几年，林本坚其实已经看到了傲慢的IBM在微影领域的大厦将倾。他希望IBM能够给予他当时微影部门所研发的X光光刻技术1/10的经费，用来“做点东西”，然而IBM因为其华人的身份，并不打算买账。

 

后来林本坚回忆说：“我判断到65纳米（干式光刻）阶段时，让我再往前看三代的话，我就已经看不到了。”

 

于是在众多人陷入X光光刻技术无法自拔的时候，林本坚义无反顾地投入了浸润式光刻技术的研究中。

 

终于在2002年，已经加入台积电的他研究出以水作为介质的193纳米浸润式光刻技术。也就是在2002年，冥冥之中宣告了过往干式光刻机的死刑。

 

浸润式光刻技术让摩尔定律继续延伸，后来台积电也因此领先竞争对手超过5年。

 

然而任何一项颠覆式新技术的出现，总会受到来自于传统势力巨大的阻力。林本坚的浸润式光刻，几乎被尼康、佳能、IBM等所有巨头封杀，尼康甚至向台积电施压，要求雪藏林本坚。

 

巨头的陨落，总是如出一辙。当年柯达最早生产出来了数码照相机，但是柯达却因为恐惧数码相机威胁到自己的胶片业务，做出决定——一定要藏好，不能让别人知道。

 

尼康的智商，在巨大的现有经济利益前消耗殆尽。

 

一场赌局即将开始。

 

半死不活的ASML敏锐的看到了其中蕴藏的巨大机会，历史注定ASML会和林本坚合作。ASML如果选择浸润式技术，不仅可以获得台积电的巨大订单，也能够和台积电建立起危难中的“革命友谊”。

 

对于林本坚和ASML来说，结果都不会比现在更糟了。

 

命运倒向了浸润式光刻技术。2004年，ASML和台积电共同研发出第一台浸润式微影机，优秀的性能和稳定的技术，让阿斯麦的产品全面碾压尼康。尼康只用了5年时间，就失去了50%以上的份额，沦为一个不入流的厂商。

 

半导体的兴衰，没有道理可讲，而且毁灭是巨大的。时间到2009年，因为日本、IBM等无视浸润式技术，让日本的半导体厂商以及IBM也都迅速衰落。尼康因为一步错，把整个日本半导体拖慢了3个时代。

 

这种情况也发生在格罗方德身上。当年格罗方德选择了FD-SOI工艺被彻底采用FinFET工艺的台积电甩出十条大街，最终不得不放弃7nm工艺的研发。

ASML这场赌局大获全胜，这是ASML王朝的开端，但真正封神的一役发生在6年后。

 

早在1997年，当时干式光刻还大行其道的时候，Intel为了推动摩尔定律在未来几十年继续有效，联合美国能源部，拉了AMD、摩托罗拉等搞了一个前沿组织EUV LLC，成员甚至包括当时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。

 

这是当时的业内最顶级组织。ASML和尼康自然看在眼里心心念念，然而结局是：最终ASML以一粒“尘埃”的角色加入了组织，而尼康却因为“过于强大”被美国忌惮而被剔除在外。

 

日本第一次被“牺牲”，也为之后被彻底抛弃埋下了隐患。ASML第一次靠自己强大的“游说能力”受益。

 

2003年，EUV组织的几百位科学家在发表了大量的论文，论证了EUV可行性之后，组织光荣解散。

 

此后，尘埃ASML就像一个努力的学生，在打赢了浸润式战役之后就投入到了EUV的研发中。

 

2012年10月17日，美国政府没有经受住ASML持续的忽悠，在ASML“承诺”了一大堆有的没的条件后，最终同意了ASML收购Cymer——一家顶级光源企业。

 

2015年，ASML经过10年的研发，终于将EUV弄到了可量产的状态。这其中，台积电、Intel、三星都消耗了巨大的人力和物力。可以说，EUV并不是一家公司有足够能力完成的，这是一个重要的产业事实。

 

到目前为止，EUV完全被ASML垄断。

 

至此，光刻机资本局初局结束，尼康起高楼、ASML宴宾客、IBM等企业楼塌了。

EUV技术的进展还是比较缓慢的，而且将消耗大量的资金。尽管目前很少厂商将这项技术应用到生产中，但是极紫外光刻技术却一直是近些年来的研究热点，所有厂商对这项技术也都充满了期盼，希望这项技术能有更大的进步，能够早日投入大规模使用。

各家厂商都清楚，半导体工艺向往下刻，使用EUV技术是必须的。波长越短，频率越高，光的能量正比于频率，反比于波长。但是因为频率过高，传统的光溶胶直接就被打穿了。现在，半导体工艺的发展已经被许多物理学科从各个方面制约了。

在45nm工艺的蚀刻方面，EUV技术已经展现出一些特点所以现在EVU技术要突破，从外部支持来讲，要换光溶胶，但是合适的一直没找到。而从EUV技术自身来讲，同时尽可能的想办法降低输出能量。

1、造价太高，高达6500万美元，比193nm ArF浸没式光刻机贵。

2、未找到合适的光源。

3、没有无缺陷的掩模。

4、未研发出合适的光刻胶。

5、人力资源缺乏。

6、能用于22nm工艺早期开发工作。

在摩尔定律的规律下，以及在如今科学技术快速发展的信息时代，新一代的光刻技术就应该被选择和研究，在当前微电子行业最为人关注，而在这些高新技术当中，极紫外光刻与其他技术相比又有明显的优势。极紫外光刻的分辨率至少能达到30nm以下，且更容易收到各集成电路生产厂商的青睐，因为极紫外光刻是传统光刻技术的拓展，同时集成电路的设计人员也更喜欢选择这种全面符合设计规则的光刻技术。极紫外光刻技术掩模的制造难度不高，具有一定的产量优势。

EUV光刻技术设备制造成本十分高昂，包括掩模和工艺在内的诸多方面花费资金都很大。同时极紫外光刻光学系统的设计和制造也极其复杂，存在许多尚未解决的技术问题，但对这些难关的解决方案正在研究当中，一旦将这些难题解决，极紫外光刻技术在大规模集成电路生产应用过程中就不会有原理性的技术难关了。

中局

阿斯麦垄断，被掩盖的真相

2015年后，ASML再无对手。

 

然而我们对于ASML的垄断存在着巨大的误解。

 

在很多中国投资者眼里，ASML是一家科技“出神入化”的企业，我们中国无法生产出顶尖的光刻机是因为我们的技术无法赶上ASML。

 

这是事实，然而却掩盖了真相。

 

ASML诞生之初，就是一个攒局高手。无论是和林本坚的合作，还是加入EUV LLC，还是制造EUV，没有什么是一只郁金香忽悠不了的，如果有，就用荷兰大风车。

在微电子技术的发展历程中，人们一直在研究开发新的IC制造技术来缩小线宽和增大芯片的容量。我们也普遍的把软X射线投影光刻称作极紫外投影光刻。在光刻技术领域我们的科学家们对极紫外投影光刻EUV技术的研究最为深入也取得了突破性的进展，使极紫外投影光刻技术最有希望被普遍使用到以后的集成电路生产当中。它支持22nm以及更小线宽的集成电路生产使用。

EUV是目前距实用化最近的一种深亚微米的光刻技术。波长为157nm的准分子激光光刻技术也将近期投入应用。如果采用波长为13nm的EUV，则可得到0.1μm的细条。

在1985年左右已经有前辈们就EUV技术进行了理论上的探讨并做了许多相关的实验。近十年之后微电子行业的发展受到重重阻碍才使人们有了忧患意识。并且从微电子技术的发展过程能判断出，若不早日推出极紫外光刻技术来对当前的芯片制造方法做出全面的改进，将使整个芯片工业处在岌岌可危的地步。
 

事实上，EUV的核心技术集中在三大领域：顶级的光源（激光系统）、高精度的镜头（物镜系统）、精密仪器制造技术（工作台）。

 

其中镜头被德国的蔡司垄断、顶级的光源来自于2012年收购的美国企业Cymer、精密仪器制造技术也来源于德国。ASML只掌握了不到10%的核心技术。

 

ASML是集大成者，8000个核心零部件都需要由ASML集成。

 

ASML是全球化的巨大受益者， ASML背后是美国、日本、欧洲、韩国技术支撑，最终才能生产出极度复杂的EUV。

 

与人们的普遍认知不同，ASML把主要精力放在了与客户沟通、了解客户需求上。同时和客户一起进行可行性研究，同时做一些基础理论研究和技术研发。

 

到这里，能够看到半导体产业的精髓：全球化的分工和人类的通力合作。每个核心国家都有“一票否决权”，任何一环的断裂，都意味着整个链条的崩塌。

 

因为制衡，所以稳定。

 

ASML的强大，让美国人坐卧不安。

 

为了遏制ASML的一家独大，一些半导体公司，包括Intel、IBM、三星，都有意扶持XTAL，一家在2014年成立于硅谷的光刻机厂商。

 

2018年，ASML以侵占知识产权为由，起诉XTAL，最终胜诉并在2019年5月获得了8.45亿美金的赔偿。虽然XTAL公司此前已经破产，但最终ASML还是轻松获得了XTAL的大部分资产。

 

这一次，干掉竞争对手ASML只花了一些律师费。

结局

光刻机的宿命

ASML的成功，得益于自己的远见。

 

半导体产业从没有公平可言，讲究公平的商业环境属于神话。

 

技术、设备、工艺、资金、需求都是制衡的条件，建立了一个凶险的丛林，而不是一个你好我好大家好的乌托邦。

 

2012年7月10日，Intel购入ASML合计15%股权，并出资10亿美元支持ASML的研发。

 

同年的8月5日，台积电宣布加入ASML提出的“客户联合投资专案”，以8.38亿欧元获得了ASML合计5%的股权，并承诺未来5年投入2.76亿欧元支持ASML的研发。

 

紧接着在8月27日，三星以5.03亿欧元获得了ASML共计3%的股权，并额外注入2.75亿欧元支持ASML的研发计划。

到今天，根据使用光源的改进，光刻机已经经历了五代产品的发展：

1.436nm g-line

可以满足0.8-0.35 微米制程芯片的生产，对应设备有接触式和接近式光刻机。

2.365nm i-line

同样可以满足0.8~0.35微米制程芯片的生产。设备于上相同。

最早的光刻机采用接触式光刻，即掩模贴在硅片上进行光刻，容易产生污染，且掩模寿命较短。此后的接近式光刻机对接触式光刻机进行了改良， 通过气垫在掩模和硅片间产生细小空隙，掩模与硅片不再直接接触，但受气垫影响，成像的精度不高。

3.248nm KrF

最小工艺节点提升至350~180nm水平，在光刻工艺上也采用了扫描投影式光刻，即现在光刻机通用的，光源通过掩模， 经光学镜头调整和补偿后， 以扫描的方式在硅片上实现曝光。

4.193nm ArF

最小制程提升至65nm的水平。第四代光刻机是目前使用最广的光刻机，也是最具有代表性的一代光刻机。

5.13.5nm EUV

1-4代光刻机使用的光源都属于深紫外光， 第五代EUV光刻机使用的则是波长 13.5nm的极紫外光。目前只有ASML有能力生产。

目前光刻机市场主要的光刻机供应商有荷兰的ASML、日本的NIKON和CANON，以及中国的上海微电子装备(SMEE)。但高端光刻机市场是由ASML一家，ASML公司掌握80%的国际市场份额，2018年营收109亿欧元(折合人民币825亿)。