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光刻機(jī)（Mask Aligner）是制造微機(jī)電、光電、二極體大規(guī)模集成電路的重要設(shè)備。一臺(tái)光刻機(jī)主要包括了曝光系統(tǒng)和對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)兩個(gè)部分。光刻機(jī)能夠利用曝光系統(tǒng)發(fā)射出的紫外線通過(guò)模版去除晶圓表面的保護(hù)膜，將器件或電路結(jié)構(gòu)臨時(shí)“復(fù)制”到硅片上。根據(jù)工作方式，光刻機(jī)又可分為兩種。第一種是模板與圖樣大小一致，曝光時(shí)模板緊貼晶圓的Contact Aligner。第二種則是利用類似投影機(jī)原理，能夠獲得比模板更小的曝光圖樣的Stepper。

讓我們先將時(shí)光倒回到2018年的12月，不知道大家還記不記得有過(guò)這樣一條新聞：荷蘭光刻機(jī)制造公司ASML對(duì)外宣稱，其主要的元器件供應(yīng)商Prodrive工廠于12月1日突生大火。ASML預(yù)計(jì)2019年年初的的供貨將遭到延期。

當(dāng)時(shí)，ASML全年的光刻機(jī)產(chǎn)量在18臺(tái)左右，而國(guó)內(nèi)著名集成電路制造企業(yè)中芯國(guó)際曾在2017年成功預(yù)定ASML公司1臺(tái)制程為7nm的EUV光刻機(jī)訂單。這場(chǎng)意外的火災(zāi)加上目前重重的外交因素，導(dǎo)致這臺(tái)光刻機(jī)直至今日都未交付給中芯國(guó)際。盡管中芯國(guó)際已經(jīng)掌握了7nm工藝的應(yīng)用，但是卻因?yàn)檫t遲未到貨的光刻機(jī)而無(wú)法投產(chǎn)，這給中國(guó)的半導(dǎo)體領(lǐng)域，特別是芯片制造產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。

難道中國(guó)不能制造光刻機(jī)？我可以先明確地告訴你可以，但是許多復(fù)雜的大國(guó)博弈、行業(yè)歷史以及技術(shù)差距還需要在后文中為大家詳細(xì)地進(jìn)行介紹。

始于冷戰(zhàn)，卻未隨之而終

在第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，圍繞著美蘇兩大巨頭形成了兩大陣營(yíng)，并進(jìn)入了眾所周知的冷戰(zhàn)時(shí)期。當(dāng)時(shí)，美國(guó)及其西歐盟友為了防止以蘇聯(lián)為首的紅色陣營(yíng)發(fā)展高端武器，包括美國(guó)、英國(guó)、日本、法國(guó)、澳大利亞在內(nèi)的十七個(gè)國(guó)家于1949年11月在巴黎成立巴黎統(tǒng)籌委員會(huì)（簡(jiǎn)稱巴統(tǒng)）。限制成員國(guó)向社會(huì)主義國(guó)家出口，包括軍事武器裝備、尖端技術(shù)產(chǎn)品和稀有物資等三大類上萬(wàn)種產(chǎn)品。

后來(lái)隨著中美建交，冷戰(zhàn)的結(jié)束，歐美等國(guó)家看中了中國(guó)龐大的勞動(dòng)力優(yōu)勢(shì)以及低廉的勞工成本，便稍微放松了對(duì)中國(guó)的軍民用產(chǎn)品禁運(yùn)，并于1994年4月1日正式將這個(gè)冷戰(zhàn)時(shí)期的協(xié)會(huì)解散。

但好景不長(zhǎng)，1995年，包括“巴統(tǒng)”17國(guó)在內(nèi)的28個(gè)國(guó)家在荷蘭瓦森納召開(kāi)了高層峰會(huì)。1996年7月，以西方國(guó)家為主的33個(gè)國(guó)家在奧地利維也納便正式簽署了以瓦森納會(huì)議為基礎(chǔ)的《瓦森納協(xié)定》。自此，一份對(duì)中國(guó)未來(lái)科技研究及發(fā)展走向影響深遠(yuǎn)的多國(guó)協(xié)定，正式開(kāi)始實(shí)行。

《瓦森納協(xié)定》，又被稱為“瓦森納安排機(jī)制”，全名為《關(guān)于常規(guī)武器和兩用物品及技術(shù)出口控制的瓦森納安排》。這是世界主要的工業(yè)設(shè)備和武器制造國(guó)在巴黎統(tǒng)籌委員會(huì)解散后于1996年成立的一個(gè)旨在控制常規(guī)武器和高新技術(shù)貿(mào)易的國(guó)際性組織。協(xié)定中包含了兩份清單。一份是軍民兩用商品和技術(shù)清單，涵蓋了先進(jìn)材料、材料處理、電子器件、計(jì)算機(jī)、電信與信息安全、傳感與激光、導(dǎo)航與航空電子儀器、船舶與海事設(shè)備、推進(jìn)系統(tǒng)等9大類。另一份是軍品清單，涵蓋了各類武器彈藥、設(shè)備及作戰(zhàn)平臺(tái)等共22類。

而對(duì)于中國(guó)的半導(dǎo)體發(fā)展，因?yàn)椤锻呱{協(xié)定》的存在，從芯片設(shè)計(jì)到制造等多個(gè)領(lǐng)域，都無(wú)法獲取海外的先進(jìn)技術(shù)。就拿今天的主題——光刻機(jī)來(lái)說(shuō)，即使中芯國(guó)際能夠通過(guò)與比利時(shí)微電子研究中心（IMEC）進(jìn)行合作，買(mǎi)到二手的光刻機(jī)設(shè)備，但中國(guó)企業(yè)必須等待IMEC使用五年后才能拿到手，因?yàn)檫@樣才符合《瓦森納協(xié)定》中的要求。舉個(gè)例子，英特爾、三星、臺(tái)積電2015年能買(mǎi)到ASML 10NM的光刻機(jī)。而大陸的中芯國(guó)際，2015年只能買(mǎi)到ASML在2010年生產(chǎn)的32NM的光刻機(jī)——五年時(shí)間對(duì)于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，已經(jīng)可以得到數(shù)次迭代了。

除了不能買(mǎi)到最新的生產(chǎn)設(shè)備之外，因?yàn)椤锻郀柤{協(xié)定》中的條款限制，華裔工程師還不能進(jìn)入到歐美等知名半導(dǎo)體公司的核心部門(mén)，防止技術(shù)泄露。中國(guó)的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，因而受到了從生產(chǎn)設(shè)備到人才積累的全方位壓制。直至今天，即使中國(guó)企業(yè)能夠掌握先進(jìn)的工藝制程，也因無(wú)法得到先進(jìn)的設(shè)備而不能進(jìn)行芯片的實(shí)際生產(chǎn)。

稱霸世界半導(dǎo)體制造行業(yè)的巨頭，ASML

目前擁有光刻機(jī)制造能力的企業(yè)主要有荷蘭ASML，日本尼康、佳能，德國(guó)SUSS、美國(guó)ABM, Inc.以及中國(guó)的上海微電子裝備。在這之中，尼康早年憑借相機(jī)方面的技術(shù)積累，獲取了來(lái)自IBM、英特爾、AMD、德州儀器的大量訂單，與當(dāng)時(shí)來(lái)自美國(guó)的行業(yè)龍頭GCA平起平坐，象征了日本半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的騰飛。然而，風(fēng)水輪流轉(zhuǎn)，由于國(guó)與國(guó)之間的商業(yè)及技術(shù)博弈，最終卻讓ASML這個(gè)曾經(jīng)名不見(jiàn)經(jīng)傳的角色坐到了光刻機(jī)制造領(lǐng)域的王座上。

在幾十年前，ASML還只是飛利浦電子旗下的一個(gè)合資小公司，全公司從老板到普通職員也只有31位成員。ASML在當(dāng)時(shí)也沒(méi)有正式的辦公地點(diǎn)，公司上上下下全數(shù)擠在飛利浦總部旁邊臨時(shí)搭建的板房之中辦公。ASML的名號(hào)甚至沒(méi)有幾個(gè)人知曉，外出進(jìn)行銷售談判還得行飛利浦母公司的名義。

但就是這么一家公司，成立僅二十年不到，就實(shí)現(xiàn)了技術(shù)的飛躍，掌控了各大晶圓代工廠的能否開(kāi)工的生殺大權(quán)。ASML甚至揚(yáng)言道“如果我們交不出EUV光刻機(jī)，那么摩爾定律就將會(huì)停擺”。

ASML的發(fā)展歷史中充滿了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。2003年，其聯(lián)合臺(tái)積電工程師林本堅(jiān)研發(fā)“沉浸式光刻”方案，依靠水會(huì)影響光的折射率這一特點(diǎn)，在2004年推出了132nm光源波長(zhǎng)的光刻機(jī)產(chǎn)品，奪得了IBM、臺(tái)積電等大客戶的訂單。ASML也正是憑借132nm光刻機(jī)將當(dāng)時(shí)仍在堅(jiān)守干式微影157nm技術(shù)的尼康，打得氣喘吁吁。ASML也靠著這漂亮的一仗，贏得了當(dāng)時(shí)美國(guó)新生，主導(dǎo)極紫外技術(shù)的EUV LLC聯(lián)盟的入場(chǎng)券，從而在之后的歲月中獲得了美方的大量軟、硬件技術(shù)資源共享。ASML更是在2013年以25億美元高價(jià)，并購(gòu)了一家名為Cymer的美國(guó)公司，因?yàn)槠鋼碛猩a(chǎn)EUV光刻技術(shù)所需大功率光源的能力。

縱觀ASML的發(fā)展之路，甚至可以稱得上是幸運(yùn)。雖然ASML在2004年的成功獲得了業(yè)界的關(guān)注，但尼康仍然是一個(gè)非常強(qiáng)大的對(duì)手。有著“藍(lán)色巨人”之稱的英特爾，在32nm工藝階段時(shí)就獨(dú)家采用了來(lái)自尼康的光刻機(jī)產(chǎn)品，即使是之前的45nm和之后的22nm，也采用ASML和尼康同時(shí)供貨的模式。但由于尼康在遭遇美國(guó)封鎖后，生產(chǎn)技術(shù)逐步落后，制造效率也越來(lái)越明顯地落后于ASML。最終，英特爾在新CEO上任后，還是將尼康提出了局。尼康從此一蹶不振，不得不退出IC光刻市場(chǎng)，其生產(chǎn)的光刻機(jī)在之后也主要應(yīng)用于三星、LG、京東方等企業(yè)的顯示面板生產(chǎn)領(lǐng)域。

當(dāng)然，ASML在加入EUV LLC聯(lián)盟之后也沒(méi)閑著。在2015年，ASML推出了第一臺(tái)可量產(chǎn)的EUV樣機(jī)。這臺(tái)重達(dá)180噸、價(jià)值高達(dá)1.2億美元的巨無(wú)霸融合了歐美供應(yīng)鏈廠商的零部件，也正式確立了ASML在光刻領(lǐng)域的壟斷地位。

而在芯片制造以及光刻機(jī)領(lǐng)域，我們同樣有很長(zhǎng)的一段路要走，也必須得堅(jiān)持走下去。