光刻機，一個熟悉又陌生的名字。說它熟悉，是因為經常在各大媒體上看到；說它陌生，是因為很少有人熟悉光刻機的構造，它的誕生、發展與制造難度，這一切似乎都是一個謎。
在芯片制造漫長的產業鏈中，光刻機的地位無人可以撼動。它是人類智慧的結晶，它代表了人類科技發展的最高水準。每一臺光刻機都價值億萬，每一臺光刻機都將決定半導體產業的市場格局。
有人說，光刻機是半導體工業皇冠上的寶石；有人說，光刻機比原子彈還難造。那么，神秘而詭譎的光刻機，究竟如何影響世界？作為半導體制造業的后起之秀，我國又該如何突破光刻機壟斷？
光刻機的緣起
所謂光刻機，又叫掩模對準曝光機，它是芯片制造中必不可少的一環。曾經有人開玩笑說，芯片制造就是將石頭變成“芯片”的魔法。在“麻瓜”生活的真實世界里，自然沒有魔法。
真正的芯片制造過程枯燥且無趣，首先要將石頭提煉成硅片，然后經歷外延工藝、熱氧化、擴散摻雜、離子注入、光刻、刻蝕等工藝，其中光刻的步驟不多，單次工藝成本卻最高。
▲光刻是芯片制造的其中一環
光刻工藝是將掩膜版上的幾何圖形轉移到晶圓表面的光刻膠上。首先光刻膠處理設備把光刻膠旋涂到晶圓表面，再經過分步重復曝光和顯影處理之后，在晶圓上形成需要的圖形。光刻的原理看起來似乎與膠片時代的照相制版，都是在一個平面上加工形成微小圖形。
早期的光刻技術并不難，世界很多企業與研究機構都能獨立制造光刻機。然而，隨著光刻技術的發展，光刻技術經歷了接觸／接近、等倍投影、縮小步進投影、步進掃描投影等曝光方式的變革。曝光光源的波長由 436 納米、365 納米，發展到 248 納米、193 納米，再到 13．5 納米。
值得注意的是，這里的波長數值與芯片制程的數值并不等同。以 193 納米 ArF 光刻機為例，最小分辨率為 7 納米，也就是說最高可以生產 7nm 芯片。至于 13．5 納米光刻機，就是我們常說的 EUV 光刻機，分辨率為 ArF 光刻機的 3－5 倍，不僅可以勝任 7nm 芯片制造，還可以用于 5nm、3nm 制程工藝。
綜合來看，光刻機大致分為五代。第一代、第二代光刻機為汞燈光源，采用接觸式光刻，即掩模貼在硅片上進行光刻。這種工藝并不算尖端科技，光刻機工作原理與幻燈機類似，主要是佳能、尼康等企業在生產。第三代為掃描投影式光刻機，光源通過掩模，經光學鏡頭調整和補償后，以掃描的方式在硅片上實現曝光，成功將最小制程節點提升至 180nm。
此后，光刻機便進入應用最廣的第四代光刻機，這一代分為浸入步進式與步進投影式兩大門類，最高可實現 7nm 制程工藝。目前，第四代光刻機為市場主流，7－28 納米制程節點大多在使用第四代 ArF＋ 浸入式光刻機。至于第五代，相信小黑不說大家也能猜到，就是最為先進的極紫外光刻機，目前僅有阿斯麥一家公司可以生產，技術難度非常高。
中國光刻機的進展
光刻機雖然只有短短五代，可中間的競爭并非可以用幾句話說清。2002 年，臺積電公司林本堅博士提出“浸沒式光刻機技術”，決定了阿斯麥的興起，尼康、佳能的衰落。而阿斯麥收購準分子激光源巨頭 Cymer，推出第三款 EUV光刻機 NXE：3400B，則決定了未來幾十年光刻機市場格局。
在全球光刻機市場中，上海微電子代表了中國光刻機的最高水準。目前，上海微電子擁有 IC 前道制造、IC 后道封裝、LED 制造等多系列光刻機，其中我們最常提到的光刻機就是 IC 前道制造光刻機。
上海微電子 SSX600 系列光刻機擁有三大型號，其中 SSA600／20 采用步進掃描投影技術，最高可實現 90nm 分辨率。結合上文我們可以發現，這屬于第四代光刻機，乍一看似乎離最先進的第五代極紫外光刻機只有一步之遙。
可惜，第四代光刻機也分優劣，早在 2003 年，阿斯麥就研制出世界上第一臺浸入式光刻機。在接下來十幾年時間里，阿斯麥不斷推出新產品，提高光刻機的技術水平。
此外，上海微電子采用的步進掃描投影技術與阿斯麥采用的浸入式技術分屬兩大門類。當初，如日中天的尼康也用步進掃描投影技術，可惜英特爾、臺積電兩大巨頭并不認可，紛紛與阿斯麥合作，以致于尼康的光刻機無人問津，難以維持產品營收平衡。一款難以盈利的產品自然不會獲得新的研發資金，步進掃描投影技術路線注定難以成功。
與普通產品不同，光刻機這類產品客戶極少，產品數也特別少，因此產品進步往往需要客戶一起努力。阿斯麥之所以能戰勝尼康、佳能等競爭對手，客戶的支持密不可分。英特爾直接轉讓了大量光刻機專利，臺積電甚至直接貢獻了“浸沒式光刻機技術”設想。
某種程度上，阿斯麥是芯片制造工廠們一手扶持起來的。上海微電子目前技術停留在 90nm 階段，之后還有 45nm、28nm、10nm、7nm、5nm 等五個重要制程節點。工信部曾經表示，中國光刻機與世界先進水平有 15 年差距。事實上，差距可能不止 15 年，因為有些技術并非靠時間就能解決。
光源、鏡片與聯盟
阿斯麥并不可怕，可怕的是以它為核心的產業聯盟。在阿斯麥上游，是卡爾蔡司、Cymer 這樣的產業巨頭，在阿斯麥下游是臺積電、英特爾、三星這樣的代工大佬。
阿斯麥目前最搶手的 EUV 光刻機，其采用的 Cymer 激光源獨此一家。EUV 光束在多次反射后， 只有不到 2％ 光線能使用，能量轉化率極低。因此需使用強大光源，以此保證射線光源足夠強。目前，市場上只有 Cymer 公司可以提供，而 Cymer 公司已經被阿斯麥收購，成為其子公司。由此可見，如果沒有其他公司解決 EUV 光源問題，上海微電子想要研制 EUV 光刻機無異于天方夜譚。
此外，摩托羅拉、AMD 等公司還有美國的三大國家實驗室組成 EUV LLC 聯盟，內部共享研發結果。而上海微電子目前并不是 EUV LLC 成員，以一家公司的力量，對抗十余家跨國公司、頂尖國家實驗室，怎么看都有點荒謬。
當然，現在談論 EUV 光刻機還太遠，上海微電子首先要解決的可實現 45nm 制程節點的光刻機。然而，從 90nm 到 45nm 真的容易嗎？要知道，上海微電子已經停留在 90nm 工藝 13 年，至今未取得突破。
某種程度上，并非上海微電子實力不行，實在是沒有合作伙伴。以浸入式光刻為例，阿斯麥最初在晶圓光刻膠上加 1mm 厚的水，水可以把 193nm 的光波長折射成 134nm。后來不斷改進高 NA 鏡片、多光照、FinFET、Pitch－split 以及波段靈敏光刻膠等技術，才逐漸實現 90nm、45nm、28nm、10nm、7nm 制程節點。
其中，多光照、FinFET 都屬于晶圓代工廠掌握的科技，高 NA 鏡片需要卡爾蔡司定制鏡片。上海微電子一來沒有長期合作的晶圓代工廠，二來沒有固定的鏡片合作方，提升光刻機水平也無從入手。
如今，光學鏡頭頂尖企業主要有卡爾蔡司、徠卡、施耐德、尼康、佳能，其中卡爾蔡司是阿斯麥的合作伙伴，雙方有控股關系；尼康、佳能有自己的光刻機業務，合作也難以達成。上海微電子想要取得突破，多半要從徠卡、施耐德入手，定制高 NA 鏡片，從源頭上解決問題。
接著，上海微電子需要找合適的代工廠聯手對現有光刻機進行技術升級。考慮到臺積電、英特爾、三星均已入股阿斯麥，上海微電子或許可以與聯電、格芯、中芯國際等晶圓代工廠合作。
最后，上海微電子還需解決光源問題，目前國內科益虹源可以生產 40w 4kHz ArF 光源樣機，尚不能替代進口光源。如果上海微電子與科益虹源合作，再聯手國內頂尖光源實驗室，或許可以解決這一難題。
光刻機看上去只是一臺設備，實際上涉及光源、鏡片、光刻膠、晶圓代工廠制程技術，并非一家公司可以解決。現階段來看，上海微電子本身沒有能力承擔趕超阿斯麥的重任。至少需要四五家國內外頭部企業為首，聯合數十家產業鏈企業、國家級實驗室組成產業聯盟，解決生產制造鏈條中的每一道難關。
唯有這樣，中國光刻機產業才有機會走向現代化、市場化，在 DUV 光刻機領域搶占一席之地。至于更加高端的 EUV 光刻機與 High－NA EUV 光刻機，國內技術水平落后太多，談這些為時尚早。
