► 潘宇，文库者网专栏作家
光刻机和高端航空发动机是我国在商业市场上市场份额几乎为零的最后两种复杂装备，因此一直是国内舆论关注的焦点。在高铁和消费无人机上面临同样情况的美国人并没有认真对待。
随着工信部的发布，国产光刻机成为了热议的话题。对于这款光刻机的技术参数我不会做太多的解读和猜想，但我想谈谈国产光刻机的现状以及我们应该如何认识当前的岩土情况，避免三个“误区”。
第一个神话是树立国际光刻巨头所向披靡的神话，低估了如果ASML不向中国出售光刻机对ASML自身的压力。半年财报显示，目前中国大陆市场占ASML总销售额的比例接近50%。那些主张出口管制的人“这样做是因为他们想不出其他措施来从技术上阻碍中国”。这不是我说的，而是美国著名智库ITIF创始人罗伯特·阿特金森说的。无论是对英特尔、美光、英伟达、高通还是ASML等美国企业来说，出口管制都意味着死亡螺旋：收入减少，投资下一代产品的资金减少，下一代产品的销量减少，导致销量下降。再次减少，如此循环下去。半导体等创新产业的固定成本很高，必须通过获得较大的市场份额来降低这些成本。
ASML每年花费数十亿欧元用于研发、设备建设和技术升级。这些成本是固定成本，不会随着产量的变化而减少。 ASML 通过向全球多个市场销售其 EUV 光刻机来分摊这些固定成本。据财报测算，ASML生产的每台EUV光刻机的边际成本约为7500万欧元。虽然单台设备售价高达1.5亿欧元，毛利率很高，但这个边际利润仍然需要较大的销量来维持资金的持续流入。没有中国这个大市场，ASML的生产规模就会缩小，规模经济就会下降，创新能力就会减弱。
未来一旦中国高端光刻机实现量产，ASML面临的压力将会更大。光刻机的市场容量有限。美国前龙头GCA已退出市场。 Elmer和Nikon相继被收购。日本尼康仍在生产旧工艺的设备（如ArFi光刻机），但其市场份额正在逐渐萎缩。佳能主攻中低端市场，如i-line、KrF光刻机。 ASML在先进制程市场上拥有绝对垄断地位。虽然是技术和运气的原因，但也说明这个市场无法支撑太多的竞争对手。 ASML失去中国市场的成本并不低。
对于光刻机巨头来说，历史教训有很多。 1981年，半导体行业陷入衰退。当时，尼康在日本推出了第一台步进光刻机。但美国的GCA仍然觉得自己所向无敌。它确实有资本。当时GCA在日本的市场占有率为95%。 ，世界上几乎所有的步进光刻机都出自它。但几场灾难很快摧毁了这个巨人。一是GCA工程师没有意识到蔡司交付的镜筒存在严重的漂移问题。当时ASML还没有出售光刻机，但ASML却坚持要求蔡司进行工厂镜头。质量检验。另一个非常偶然的原因是GCA的机器不如尼康的可靠。对于光漂移问题，美国人认为它是一个无法赶走的恶魔。光刻机是一种高度复杂的机器，因此必须整天不断地进行调整。细心的日本人发现根本原因之一是全天天气气压的变化，并相应地重新设计了机器。
至于ASML战胜尼康、佳能等日本厂商，一方面是在2000年代初期收购了SVG。不仅市场份额超越日本企业，更是在严格的国家安全风险审查期间成为美国光刻机产业政策的专属宠儿。另一方面，F2激光路线终止后，ASML在浸没式光刻关键技术的商业化窗口期表现出了比日本企业更加灵活高效的地位。 ASML抓住了这一技术突破，迅速在市场上建立了技术优势，满足了全球半导体行业对更小线宽和更高精度的需求。
ASML取得今天的垄断地位纯属偶然。它不傲慢，也感受不到压力。从历史上看，它和竞争对手一样，在芯片需求低迷时期多次陷入生死挣扎。
另一方面，第二个神话是EUV光刻机的速胜论，认为中国可以在短时间内赶上。 EUV光刻机拥有超过45万个组件。 ASML自己只生产零部件总量的15%，其余的必须来自全球供应链。这意味着，即使中国能够收购ASML（这当然是不可能的），也无法从根本上解决瓶颈问题。从“速胜”的角度来打破“小院高墙”政策，效果并不理想。这种思维本身就落入了对手的设计之中，未能抓住胜利的关键。
EUV光刻机离不开全球上下游产业链5000多家供应商提供的用于生产光刻系统的材料、设备、部件和工具的支持。这不是任何一个国家能够独自完成的事情，但全球合作的结果证明，任何一个国家如果真的能够“快赢”，就不会独自承担创新的全部成本和风险。比如，虽然俄罗斯与西方世界存在地缘政治冲突，但心灵观察此前的文章提到，俄罗斯相关科研机构长期深入参与ASML动员的泛欧EUV研究网络。
从技术上来说，EUV作为第五代光刻机，是一种风险极高的极限产品。
第四代步进扫描投影光刻机采用193nm激光光源。通过浸没式光刻技术，光刻机投影物镜最后一个镜片的下表面与硅片光刻胶之间的空间充满高折射率液体。可以进一步提高光刻分辨率（这也是国产设备目前正在突破的阶段）。比如28nm这个主要技术节点，可以继续使用现有的ArFi浸没式光刻技术，该技术已经非常成熟。不需要大规模的设备更新，投入产出比最好，成本也最好。它还是非常有价值的。
理论上，193nm波长ArF浸没式DUV光刻机借助多重曝光技术可用于7nm工艺节点芯片的生产。当工艺节点达到5nm及以下时，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，因此只能采用EUV光刻机。
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。其波长为193nm的1/14，几乎接近物理学、材料科学和精密制造的极限。经过10多年的探索，已逐渐成熟。 EUV光源的技术难点在于，所需的光源输出功率非常高，达到250W以上。整个系统的能量转换和传输效率需要非常高，驱动激光器本身的平均功率达到20kW左右，才能实现250W以上的光源转换率。它还需要较窄的激光线宽，并且需要较小的频率噪声和相对强度噪声以减少光学系统中的损耗。
EUV要求如此之高，将最小工艺节点推至7nm以下依然困难重重。最终又花了10年的时间，做出了一系列非常极端的突破，包括：高功率激光等离子光源、50层纳米级反射……2019年才推出晶体，包括层层反射镜片和反射掩模、可抵抗EUV损伤的掩模和基板保护膜、EUV光刻胶和99.%（11个9）超高纯度硅基板材料。一台合适的循环曝光速度的EUV光刻机需要运输40个集装箱，安装调试需要一年多的时间，重量达180吨。
但相比28nm工艺的舒适区，目前这个大家伙的技术进步所带来的边际效用肯定是降低了。心灵观察站此前分析称，虽然英特尔组装了业界首款High NA（高光圈）EUV，并将这款耗资3.5亿欧元的最先进设备制作成了宣传视频来炫耀其外观，但不能期望孙悟空能够访问它。效果就像金箍棒一样。由于设备折旧和量产摊销成本的压力，最先进的光刻机也未必能拯救英特尔岌岌可危的代工业务。
第三个误区则相反，中国在最先进的EUV光刻技术方面仍处于空白状态，无从谈起。 《中国科学院学报》2023年第2期发表军委罗、李的文章《加强半导体基础能力建设，点亮半导体自主自力更生发展“灯塔”》树神。里面的一句话对舆论影响很大，据说美国已经熄灭了“灯塔”，我们进入了“黑暗森林”。
这句话很容易引起误解。其初衷是强调，没有半导体基础研究，就无法发展半导体产业。半导体物理是一切半导体技术的源泉。中国面临着许多“没有已知解决方案”的基本物理问题的挑战。
我国学者已经在挑战EUV光刻机的一些重大基础问题，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，需要缩短曝光光源的波长，增大物镜系统的孔径NA。 EUV光波长为13.5nm，数值孔径高达0.33~0.55，是目前最先进的指标。 ASML目前量产的NXE系列EUV光刻机的物镜数值孔径为0.33 NA。 ASML目前正在开发0.55NA的EUV光刻机，预计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，它为光刻机提供满足光刻需要的特定波长、线宽和功率的光束。曝光光源系统的详细性能指标、数据和方法是光刻机开发的核心秘密。
国产EUV光刻机曝光系统的设计研发起步并不晚，从2002年就开始了。根据相关论文公开披露的信息，2017年，中科院长春光学精密机械与物理研究所成功研发了一款EUV光刻机曝光系统。小视场 EUV 曝光光学系统。两镜组成的投影物镜波像差均方根值优于0.75nm。安装EUV光刻静态曝光装置，获得32nm线宽光刻胶曝光图案，建立EUV光刻关键技术验证和工艺测试平台。
具体到EUV光刻投影物镜系统、照明系统设计、公差分析、曝光系统热变形分析与控制研究，国内研究也有所积累。国内已开展均匀倍率EUV光刻物镜系统和照明系统的设计研究。目前，物镜系统和照明系统的光学设计已达到国际先进水平。变倍光刻物镜和照明系统的光学设计国内外均处于深入研究阶段。北京理工大学和中科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与国际上已公开的同类设计相当。
当然，从基础研究到产业化应用还有很长的路要走。没有基础理论的积累和原理的理解不够，工程就会充满不确定性。没有产业链的深度合作，技术就无法在工程应用中得到检验和反馈。
尼康、佳能逊色于ASML的一个重要原因是日本企业未能像ASML那样建立深厚的产业链关系，这进一步加剧了其技术创新的滞后。 ASML与台积电、三星、英特尔等全球芯片制造商保持着密切的合作关系。这不仅有助于ASML在技术上持续满足客户需求，也使其能够通过实际生产的反馈不断优化其光刻设备。这种合作模式使得ASML能够在技术开发过程中快速适应市场需求并提供定制化解决方案。
对于中国来说，光刻机很难像盾构机一样快速从空白到突破，盾构机同样是高端装备。两者除了技术复杂程度的差异外，另一个重要原因就是产业链关系。尽管盾构机产业链复杂，但中国已经能够在本地建立起较为完整的供应链，包括钢材、液压系统、电控设备等核心零部件。随着我国城市化进程的加快，大量的地铁、隧道、高速公路等工程需要使用盾构机，这为中铁装备、三一重工等中国盾构机制造商提供了充分的实践机会，让他们能够在实践中积累技术经验，不断改进和优化产品。
中国光刻机制造商目前缺乏这样的条件，这可能是工信部发布两款光刻机推广应用指导目录的重要原因。
另外，我们必须认识到，工信部的这份指导目录是针对半导体前端工艺的综合指南。刻蚀、胶水显影、离子注入等环节牵一发而动全身，都与光刻机有关。整个曝光光学系统紧密相关；即使我们只关注氟化氩光刻机本身的技术进步，其分辨率的提升也离不开软件增强技术，即OPC工具。目前，曝光波长减小，投影物镜值增大。随着孔径逼近极限，光刻软件成为台积电、三星、英特尔等海外主要厂商关注的焦点。我国在这一领域的不断突破，随之而来的光刻投影物镜系统、照明系统等硬件的研发也值得我们关注和期待。
来源|心灵观测站
