◎来源|魔铁的世界（ID：jiangpeiyu0916）◎作者|魔铁
5月5日，中国最大的晶圆代工厂中芯国际宣布回归A股，确定科创板上市，拟发行16.86亿股份，募集的资金中，40%将投入14nm制程工艺项目。
中芯国际回归A股，表明未来融资通道将更为顺畅，可望缓解制程工艺提升路上的资金饥渴。但市场更关心的，是中芯国际何时能用上EUV光刻机？公司联席CEO梁孟松曾明确表示，后续的5nm、3nm制程工艺，是必须要有EUV光刻机的。
一个不可忽略的现实是，由于EUV光刻机目前无法实现国产替代，已经成为未来国产芯片制程工艺迈向国际领先水平的制约因素。
问题来了，我们曾在一穷二白的条件下成功搞出“两弹一星”，为何迟迟没有研发出EUV光刻机？或者说，EUV光刻机的研发难度会超过原子弹？
01
近40个国家加入EUV光刻技术研发战团
EUV光刻技术的研发始于20多年前，前后有近40个国家加入战团，欧美发达国家几乎悉数入局。
行动最早的是美国。
早在1996年以前，美国即开始电子束和软X射线光刻技术研究，不过并没有商业目的，研究机构主要是国家实验室、AT&T和相关大学。
1997年，美国科技巨头们开始集体行动，英特尔联合AMD、摩托罗拉、美光、Infineon和IBM成立EUV光刻技术研发联盟。
到1999年时，EUV光刻技术的基础研究成为显学。这一年，EUV光刻技术被国际半导体技术发展路线图（ITRS）确定为下一代光刻首选技术，这就意味着，谁如果不参与到EUV光刻技术研发，谁就将在下一代芯片竞赛中自动弃权。
当时，全球芯片产业还是四分天下格局，美国巩固了CPU等逻辑芯片的霸主地位，欧洲芯片正在衰落，期望抓住一根转运的稻草，韩国和日本正为争夺存储芯片在市场大打出手，谁也不敢松口气。
于是，包括美国在内，欧洲、日本和韩国，个个撸起袖子，摩拳擦掌，都想要占领EUV光刻技术这个未来制高点：
在美国，参与EUV光刻技术研究的超过50个单位，包括国家实验室、大学、科技公司等；
欧洲下注最大，超过35个独立国家、大约110个研究单位，参与到EUV光刻技术研究中；
日本起了个大早，EUV光刻技术研究始于1998年，却赶了个晚集，到2002年6月才成立EUV光刻技术系统研究协会，这或许和它存储芯片产业衰落有关；
韩国在工商能源部(MOCIE)的支持下开展EUV光刻技术研究， 主要参加单位有 KERI (韩国电子研究社)、汉阳大学、韩国国民大学、三星浦项（Samsung Postech）、首尔大学等。
看起来赛道上热热闹闹，但要跑完全场并拿到冠军并不容易，因为这是一个难度系数超级高的比赛项目。
02
技术攻关路上，坑一个接着一个
EUV光刻技术的复杂和高难度，可以说，贯穿了基础研究、技术攻关和系统集成，真正的一条路难到底、没有任何近路可抄。
在EUV光刻技术攻关的路上，研究人员先后遇到光源、抗蚀剂和防护膜三大难题。更要命的是，过去的技术积累在这些难题面前很难派上用场，需要从零开始。
仅在EUV光源问题上国产euv光刻机，就让研究人员吃够苦头：
几乎所有物质都能强烈吸收EUV，所以曝光必须在真空中进行国产euv光刻机，原来采用193nm光源的浸液式光刻机的曝光系统完全用不上；
擅长制作透镜的蔡司的武功被废，因为传统透镜折射光线的方案容易吸收EUV能量，使其衰减到无法用于光刻，所以蔡司之前积累的透镜磨制技术被淘汰了，只能采用特殊镀膜的反射镜来改变和汇聚EUV，这就意味着开发成本和难度上升一个等级；
当然，上述难题和EUV光源功率的提升相比，还算比较容易的。
EUV光源主要有两种，一种是LPP(激光等离子体)光源，是将锡或锑等物质的小液滴滴到激光上，受激发出EUV辐射；另一种是DPP（放电等离子体）光源，给放电气体加上高电压，使气体等离子化产生EUV辐射。
但无论哪一种光源，都面临一个问题，那就是转换效率太低了。
按规定，EUV光刻机要满足商业化生产的要求，中心焦点处（IF）的EUV功率至少要达到115W，要大规模量产的话，EUV功率又必须提升到250W。注意，EUV功率不等于激光输出（或DPP光源中的电极放电）功率，后者转换成前者的效率很低。
转换效率是个大坑，搞不好的话，整个EUV光刻研究就会前功尽弃。
2005年，Powerlase公司在采用LPP光源转换EUV光源，激光输出功率为3.6KW，在中心焦点处仅得到最低10W、最高20W的EUV输出，即转换效率在0.28—0.56%之间。
按这个转换效率计算，要达到115W的EUV功率（光刻机规模化生产的功率要求），激光输出功率至少要达到41KW，如果按250W的商业化功率要求，激光输出的功率至少要达到89.3KW。
89.3KW的激光输出功率，已经接近战术激光武器100KW的指标，别说当时，就是现在也不容易搞定。
2015年，洛克希德.马丁公司用开发的“雅典娜”激光炮烧毁了一英里外的卡车，而“雅典娜”的激光输出功率只有30KW。
目前美驱逐舰上的激光炮也就是30KW输出级别（下图）。
“雅典娜”激光炮
而美军计划开发的是100KW级别激光炮，就是下图中的那货。
美军战术级激光武器
换句话说，在2005年，还根本无法为EUV光刻机量产41KW级别的激光源，可行的路子是提高能量转换效率。
4年之后即2009年，Cymer公司的EUV光源功率可以达到100W，接近商业化指标，同时一举超越日本公司，成为ASML的光源模组供应商。
正是由于EUV光刻技术研发难度超高，最终修成正果的也就美国这一脉，其他国家沦为陪跑。从这个角度看，EUV光刻技术研发难度确实超过原子弹。
03
EUV光刻机市场容量一般？
EUV光刻机现已进入批量生产阶段，英特尔、台积电和三星均收到机器。由于价格昂贵（每部售价大约1.25亿美元）、技术含量极高（集人类目前最尖端的材料、精密机械和光电科技于一身），加之我国的EUV光刻机拥有量为零（台积电除外），因此有关它的新闻往往牵动人的神经。
加之全球就荷兰ASML能制造EUV光刻机，难免会有人想，如此垄断地位，ASML一定数钱数到手抽筋了吧。
还真不敢这么说。
最大的问题是市场容量有限。
目前，EUV光刻机的主要用户是三星、英特尔和台积电，最多加上中芯国际，一只手都能数过来。客户数量屈指可数，客户的下单数量同样不大。根据ASML的财报数据，2019年出货26台EUV光刻机，预计2020年出货35台。考虑到现在除台积电外，EUV光刻机在其它芯片厂还处于试生产期，加上疫情拖累，乐观估计2021年可能是EUV光刻机在三大厂大规模生产的时间节点。
这种情况下，EUV光刻机的需求是否会爆单呢？
也不会。
按ASML给出的数据，一台EUV光刻机每月能处理4.5万片12英寸晶圆，再结合三星、台积电和英特尔的产能需求估算，未来6年的EUV光刻机总需求量不超过600台，每年需求量最多不超过100台。
这就产生另一个问题，有限的市场容量能否支撑EUV光刻技术的研发成本？
答案是，很不乐观。
04
回报一般，为何仍争相入局？
按每台EUV光刻机售价1.25亿美元算，每年最多销售100台计算，ASML每年的EUV光刻机业务销售额最多125亿美元，合人民币875亿元左右。而20年来，EUV光刻技术的研发总费用（包括基础研究、技术攻关和系统集成）早不止千亿元人民币了。
实际上，EUV光刻技术的研发成本一直是个绕不开的话题，由于费用太高（至今没有具体统计数据），在2008Sematech光刻论坛举行的小组讨论会上，专家们开始认识到，应采用何种商业运作模式，以回收巨额的先期研发投入，如何进行利益分配和成本控制，以及如何扫除光刻技术前进道路上的障碍。
为验证EUV光刻技术的前景，减少风险，论坛举办方让专家们就当时的各种光刻技术的市场前景投票，结果EUV光刻技术获得60%的认可，远超其它光刻技术方案。这无疑为系统集成商ASML打了一针鸡血。
从EUV光刻技术最后的竞赛结果看，仅美国这一脉修成正果，其他30多个国家都在陪跑，最大的收益是融入英特尔和ASML主导的EUV光刻机产业链，可以说EUV光刻技术是投资回报一般的项目。
既然如此，为何有近40个国家还要挤破头入EUV光刻技术的局？
答案是，EUV光刻技术可以拉动一国的半导体产业。
193nm浸液式光刻技术的极限分辨率是10nm（晶体管密度相当于台积电的7nm），跳过这道鸿沟，就可以继续推进摩尔定律，享受全球芯片市场的头部收益，同时拉动一国的半导体产业升级。
这就是欧美和日韩发达国家挤破头也要入局的原因，押注EUV光刻技术，等于为本国的半导体产业抢购未来的车票。
从最终的结果看，抢跑的美国成为最终的胜出者，好比抢到一等票，其它国家和地区虽然沦为陪跑，但凭借各自的研发成果和技术实力，不同程度嵌入了EUV光刻机（EUV光刻技术的产物）的产业链条中，比如荷兰的ASML成为EUV光刻机系统集成商，日本、韩国则在抗蚀剂、防护膜、掩膜等细分领域分得一席之地，相当于抢到了二三等票或站票。
未入局的，则只能在车外观望。
可以说，在高科技的研发竞争中，拼的是投入和实力，没有近路可抄，更没有弯道超车。
参考资料
《极紫外光EUV光刻技术促进半导体格局新变化》，作者/莫大康；
《EUV光刻技术的难点分析》，作者/Mark LaPedus;
《向商业化迈进的极紫外（EUV）光刻技术》，作者/EPE编辑部。
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