光刻機，這個生僻的工業製造裝置名稱，在2020年成為了網路熱搜詞：它和下一代工業革命的核心產品，晶片，關係密切。沒有高精度的晶片，那些改變人類生活和經濟的核心技術，如人工智慧，虛擬現實（VR）,物聯網，下一代無線通訊，都不可能實現。
在下一次工業革命中，先進的晶片技術是決定一切的核心
可以說，光刻機之於我們這個時代，如同蒸汽機，發電機，以及計算機之於前三次工業革命一樣重要，是衡量一國科技研發與工業水平的標杆。不少專家指出，我國製造先進水平光刻機的難度，堪比當年製造原子彈。
微雕，以光為刀
那麼，首先讓我們先來看，光刻機是什麼？
阿斯麥公司生產的EUV光刻機
光刻機，這臺可以賣到上億歐元的精密裝置，是透過紫外光作為“畫筆”，把預先設計好的晶片電子線路書寫到矽晶圓旋塗的光刻膠上，精度可以達到頭髮絲的千分之一。舉個例子，華為海思成功設計開發了麒麟系列晶片，想要真正做成手機晶片，就需要臺積電利用光刻工藝來進行代工製造。
一臺荷蘭阿斯邁光刻機內部的紫外光源
光刻的原理和過程一般是這樣的：首先製備出晶片電路圖的掩膜版，然後在矽片上旋塗上光刻膠，利用紫外光源透過掩膜版照射到光刻膠上。經過對準曝光後，紫外光照射到區域的光刻膠會因為化學效應而發生變性，再透過顯影作用將曝光的光刻膠去除，下一步採用幹法刻蝕將晶片電路圖傳遞到矽晶圓上。
光刻工藝直接決定了晶片中電晶體的尺寸和效能，是晶片生產中最為關鍵的過程。光刻機中的曝光光源決定了光刻工藝加工器件的線寬等特徵尺寸，當前市場主流採用深紫外(DUV，193 nm)光源，最先進的是採用極紫外(EUV，13.5 nm)光源的的EUV光刻機。
現代光刻工藝一般包含矽晶圓的清洗烘乾，光刻膠的旋塗烤膠，對準曝光，顯影，刻蝕以及檢測等多重工序。由於現代晶片的複雜性，生產過程往往需要經過幾十次的光刻，耗時佔據了晶片生產環節的一半，光刻成本也達到了生產成本的三分之一。
阿斯麥，皇冠上的珍珠
聽完光刻原理和過程，你可能覺得這也沒什麼啊，一臺光刻機怎麼能比造原子彈還難啊？
要知道隨著科技的發展，現代高階手機晶片中的電晶體達到上百億個，華為5nm製程的麒麟1020晶片密度高達每平方毫米1.7億個。這樣的加工精度決定著光刻機是半導體制造過程中技術含量最高的裝置，涉及到從紫外光源、光學鏡頭、精密運動和環境控制等多項世界各國頂級科技成就的運用。
光刻機被稱為現代半導體行業皇冠上的明珠，現在單臺EUV光刻機配件多達10萬個，價格高達1.2億美元。當前世界上光刻機市場的老大是荷蘭的阿斯麥ASML，佔據了全球高階光刻機市場份額的89%，剩下的被日本的尼康和佳能所瓜分。而7奈米以下的EUV光刻機市場則被阿斯麥完全壟斷，把尼康和佳能等競爭對手踢出場外。
環顧世界，能造原子彈的國家已經很多，但高階的EUV光刻機，現在能製造的只有荷蘭的阿斯麥公司。一方面，一臺EUV光刻機10萬配件，集結了全球頂級技術，不是一個國家的技術儲備力量能夠獨立實現的。另一方面，光刻機畢竟只是生產工具，不像原子彈這樣的國之重器，可以不計成本靠舉國之力進行製造，光刻機只是晶片製造中的一個環節，還需要上下游產業鏈的支援，能造出來不稀奇，重要的是還能靠它賺錢。
那小夥伴們的問題又來了，為什麼全球半導體產業的發展主力集中在美日韓以及中國臺灣，為何全球最大的光刻機裝置提供商，竟然不是來自世界科技霸主美利堅，而是荷蘭這個風車之國？
阿斯麥早期創業元老之一，工程師傑拉德·安東尼斯在車床上加工光刻機的部件
其實，阿斯麥的前身屬於著名的電子廠商飛利浦，1984年才開始獨立運營。在阿斯麥早期發展時，就面臨著要和崛起的日本晶片廠商尼康和佳能的激烈競爭，但阿斯麥把握住了國際風雲的變化，專注於光刻機核心技術的研發，透過與歐美大學以及研究機構的合作，打造上下游利益鏈條，奠定了堅實的技術基礎，用了30年時間建立起了極高的技術壁壘。
對於荷蘭阿斯麥來講，與臺積電合作研製浸潤式光刻裝置機，就是它的諾曼底登陸之戰。
它抓住了這個技術發展關鍵轉折點，從而實現高階光刻機的技術突破，獲得晶片製造市場的主導地位。
2002年左右，傳統193 nm深紫外光刻機推進到晶片的65nm水平時，遇到了前所未有的瓶頸。日本的微影雙雄尼康和佳能選擇的技術路線是：繼續降低曝光波長，開發波長更短的157 nm深紫外光刻機。
這時，臺積電的一名工程師林本堅提出：以水為介質可以製造浸潤式光刻機，在鏡頭與晶圓曝光區域之間的空隙充滿高折射率的水，水對193 nm紫外光的折射率為1.44，從而實現在水中等效波長為134 nm，從而一舉實現 45nm以下製程。
浸潤式光刻機，這個想法是創造性的，但在技術上如何實現還是個大問題。
當時，阿斯麥的主要競爭對手尼康和佳能，對浸潤式光刻機前景並不看好，一直主攻更短波長的深紫外光源。而阿斯麥則賭上了企業發展的命運，與臺積電聯合攻關，經過三年的全力投入研發，浸潤式光刻機終獲成功，從而改寫了未來半導體十餘年的發展藍圖，將晶片加工的技術節點從65 nm持續下降。光刻關鍵技術的重大突破，直接拉動阿斯麥的市場佔有率由25%攀升至80%，把尼康和佳能打的滿地找牙。
真正讓阿斯麥稱霸光刻機領域的戰役，是極紫外EUV光刻機技術的開發。
極紫外光刻的原理是20世紀80年代由日本人提出並驗證的，但如何實現低成本的量產，是擺在日本和歐美各國半導體業介面前的巨大難題。
作為世界第一的科技霸主，美國面對當時日本晶片產業的崛起，也是不能容忍的。出於國家安全和商業利益的考慮，為了奪取美國在半導體行業上的優勢，為了在下一代半導體制程上把日本晶片企業趕出局，從EUV光刻機入手，美國政府和業界專門成立了復仇者聯盟，啊不，是EUV聯盟。由英特爾、AMD、摩托羅拉和IBM等業界巨頭，加上隸屬於美國能源部的桑迪亞國家實驗室和勞倫斯利弗莫爾國家實驗室組成，可謂陣容強大， 共同攻克生產裝置的難題。而歐洲30餘國也緊跟潮流，集中了科研院所的研究力量，參與EUV光刻技術的開發。
荷蘭阿斯麥公司作為掌握光刻機系統整合和整體架構的核心企業，自然成了歐美自家的小棉襖，順利趕上了歐美EUV技術研究發展的風口，投資德國卡爾蔡司，收購美國Cymer光源。整合世界各國頂尖科技的EUV光刻機研發成功，一舉奠定了阿斯麥在高階EUV光刻機領域的壟斷地位，EUV光刻機的精密程度已經達到給你圖紙，也無可複製。
阿斯邁EUV光刻機內部工作模擬圖，其精細複雜程度令人驚愕
當前，ASML成為世界上唯一擁有EUV光刻機生產能力的產商，以波長13.5 nm的極紫外光作為光源，可以實現7 nm以下製程的晶片，當前蘋果和華為等旗艦手機的5nm 製程晶片都是由阿斯麥EUV光刻機生產。尼康和佳能面對技術壁壘和巨資開發投資，只能望EUV而興嘆，起個大早，沒趕上集。
那麼阿斯麥製造的EUV光刻機都賣給了誰？資料顯示，2019年該公司共生產了26臺EUV光刻機，其中有一半賣給了臺積電，剩餘一半賣給了英特爾、三星等客戶。國內半導體代工企業中芯國際曾花了1.2億美元訂購一臺，因為你懂的原因，至今尚未交付。
1983年，當時依舊隸屬飛利浦科學與工業部的阿斯麥公司工程師們，正在檢測PAS2000型光刻機，阿斯麥公司是飛利浦與ASM公司合資建立的企業
荷蘭阿斯麥的成功不是偶然的，也是有跡可循的，首先，它30年內專注發展光刻機核心技術，保持穩定的戰略目標，不斷研發新技術新產品。從浸入式光刻機到EUV光刻機的生產，阿斯麥和它的合作伙伴不斷挑戰摩爾定律，突破晶片加工極限。而作為曾碾壓阿斯麥的競爭對手，佳能和尼康逐漸進入數碼相機等來快錢的消費電子市場，從而失去了光刻機領域的優勢。
其次，阿斯麥透過投資和入股等方式，獲取光刻系統的核心技術，而光刻機90%的其他部件都是合作和外購世界頂級技術產品，比如德國機械、蔡司鏡頭和美國光源。同時引入英特爾、臺積電和三星等電子巨頭的注資，形成了無法複製的戰略利益共同體。
阿斯麥在中國臺灣地區設立的技術培訓中心
阿斯麥和臺積電等下游公司也同樣透過股份戰略合作，形成利益和研發共同體，臺積電用EUV磨練晶片加工技術，同時臺積電又把晶片加工中遇到的問題和新的要求不斷反饋給ASML，從而開創技術創新和質量改進的雙贏局面，臺積電也成為全球首家提供5nm製程代工業務的晶片廠商。
上海微電子展示的28nm光刻機
國產之路，任重道遠
再來看看國內的光刻機研發狀況，其實我國在60年代第一塊積體電路問世之後，就開始了光刻工藝的研究，但在80年代以後，隨著“造船不如買船，買船不如租船”的說法流行，由於也缺乏相應的晶片產業鏈，很多自主攻關專案紛紛下馬。當前，我國光刻機的主要生產廠家是上海微電子，已經實現90納米制程量產，28 nm工藝的國產光刻機也預計在2021年交貨，雖然和國際領先的5 nm還有幾代差距，但已經可以滿足國內晶片市場的中端需求。
2019年4月，光電團隊武漢國家技術研究中心團隊利用兩束鐳射在自主研發的光刻膠上突破光束衍射極限，利用遠場光學成功雕刻出一條寬9nm的線段，實現了從超解析度成像到超擴散極限光刻的重大創新。然而，從技術實驗室成功，到可批次化大批製造的商用裝置，依舊還有很長的路要走。特別是需要幾萬個零部件要達到高精準度的高階光刻機，其中的關鍵高精度零部件比如鏡頭、光源、軸承等，目前國內產業鏈的製造水平還暫時達不到，需要長期聯合攻關，我們的任務依舊艱鉅而繁重。