光刻机可以被计划出来吗？

现在采用计划方式来研制EUV光刻机，难度与初创相比，已经不是一个数量级，有明确的理论支持，有现成的技术路线，有可触摸的真实机器，不需要在不同的技术中犹豫不决，也不需要担心资源支持

文 | 土人观芯

今天的主题来自于上周的四个新闻/事件，这个题目也许可以把这四个事情串起来。

事件一：华为Mate60搭载的麒麟9000s芯片被热炒。

无疑这是上周业界关注的焦点，在芯片来源等话题上众说纷纭。作为业内人士，根据目前的信息，我是可以做出一些判断，或者说用现有资讯完成答案的拼图，但是我不会讨论这个话题，留待官方做出正式的说明。

事件二：国产光刻机的突破。

技术群中传出类似的截图，据称明年国产EUV即将验收，如果成真，那将是历史性的突破。当然，2021年上海微电子的28nm工艺的DUV当时是否通过了验收，似乎还没有答案，现在难度更高的EUV也能造出来，希望是真的。

事件三：关于荷兰ASML的DUV禁售中国的声明。

今年的许可证没有问题，已经签约的DUV应该可以交付，但是明年的需要申请新的许可证，目前不确定。

事件四：电影《奥本海默》上映。

我看了，颇有感触。

综合了这四个事件，我想写点东西，试图客观探讨一下，采用类似曼哈顿工程的计划方式，是否可能搞出光刻机来？

每个人心里也许本来就有答案，这没有关系，看完再批判也不迟。

首先说出我的结论：光刻机可以被计划出来。

事实是，EUV光刻机也确实是计划出来的产物。

光刻机问世以后，光刻光源被卡在193nm无法进步长达20年，上世纪90年代末，科学家和产业界提出了各种超越193nm的方案，其中包括157nm F2激光，电子束投射(EPL)，离子投射(IPL)、EUV(13.5nm)和X光。

其中EUV LLC这个组织由英特尔和美国能源部牵头，集合了当时还如日中天的摩托罗拉以及AMD，以及享有盛誉的美国三大国家实验室：劳伦斯利弗莫尔实验室，劳伦斯伯克利实验室和桑迪亚国家实验室，投资两亿美元集合几百位顶级科学家，从理论上验证EUV可能存在的技术问题。ASML、英飞凌和Micron后来加入。

1997年-2003年，6年间EUV LLC的科学家发表了几百篇论文，验证了EUV光刻机的可行性。然后EUV LLC联盟解散。

ASML持之以恒地进行产品研发，2006年它推出原型，2007年建造了10000平米的超级无尘室，等着接待2010年诞生的第一台研发用样机：NXE3100。2012年，ASML请英特尔、三星和台积电入股自己，因为研发投入需要每年10亿欧元。

2015年，ASML可量产的EUV样机发布。虽然售价高达1.2亿美元一台，但还是收到大量的订单，至今都没有量产。这时候离最初的EUV LLC联盟成立开始预研，已经过去了十八年。

我们现在采用计划方式来研制EUV光刻机，难度与初创相比，已经不是一个数量级，有明确的理论支持，有现成的技术路线，有可触摸的真实机器，不需要在不同的技术中犹豫不决，也不需要担心资源支持（国家级无限资源支持），基于光刻机是一个明确的目标，我觉得我们造出来只是时间问题。

至于光刻机中，存在的种种难点，高NA镜头、多光罩、FinFET、Pitch-split、波段灵敏的光刻胶，包括工艺难度，我相信这只是工程问题，因为它们都是明确的目标，而看不见的地方才是最难的。

一个科研项目能否成功，需要很多因素，也需要认清计划本身存在的问题，实事求是的原则很重要。我大概想到的有以下四点：

一、计划水平

计划由谁来做，由谁来领导，这是非常关键的。而制定这个计划的人，选择哪些人来分工负责，通过什么制度来选择，也很关键。

从电影中，观众也许会思考一个问题：纳粹德国为什么没造出原子弹？

奥本海默是致力于一项真正具有历史意义的生死对决，他和同事们面对着以维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg）为首的德国科学家团队，两者之间的争分夺秒也决定着人类的命运。

直到二战时期，德国一直是科学技术方面的“超级大国”。当时世界上的科技文献中，超过一半以上是用德语发表的。具体到制造原子弹的拼抢之中，隔着大西洋两岸各为其主的科学家中，大部分人不是德国人就是德裔。

海森堡在相关专业领域毫无疑问的权威地位，奥本海默在物理学术上显然不如对手，但他却是一个优秀的工程领导者，如电影所描述，他通过分散在美国各地的五个关键部门，通过铁路连接到洛斯阿拉莫斯，让调动的所有资源都发挥了作用。在选择部门负责人的时候，他可以选择政见不同的人共事，也可以容纳一心想做氢弹的泰勒自由研究，还有让年仅二十几岁的费曼担当大任，都体现了其用人不拘一格的水平。

海森堡的团队虽然早就掌握了核裂变的机理，但他们没有能够准确计算出为了催生出可控核裂变之链式反应所需的浓缩核材料“临界质量”。由于希特勒的反犹政策，导致优秀的犹太科学家几乎都被清除出局，另外德国科学家在在二战中期以后所处的环境和可调配的资源远不如美国，导致了最后项目的失败。

值得一提的是，我国原子弹项目的成功，可能也跟钱学森的工程规划能力紧密相关。

另一个可以类比的项目，是美苏冷战时期的登月计划。

1956年苏联就已经制定了登月计划，而美国1962年才开始启动阿波罗登月计划，最后在1969年美国成功登陆月球，而苏联的N1火箭一共发射4次，4次全部失败，直接导致苏联的深空探测计划的终结。

苏联登月失败的重要原因，是1966年科罗廖夫的突然离世，其继任者米申是一名优秀的工程师，但是显然缺乏科罗廖夫在组织领导方面的才能和政治头脑。导致故障的原因有很多，据参与该项目的工程师回忆用于发射N1的拜科努尔基地不支持水运。为了通过铁路运送火箭，箭体各级都被拆散再重新组装。结果，许多潜在问题都不能及时发现并排除，并且由于缺乏资金的支持N1从未经过严格的出厂测试，甚至N1每次爆炸都在一二级分离之前。

回到光刻机的项目话题上，长春光机所的物镜和EUV光源，哈工大激光干涉仪，卓源精工的双工作台，据说进展都还可以，但是谁拖了项目后腿？有什么机制可以让不能胜任的单位退出？能否让类似华为这样的卓越民营企业加入？这需要考验制定计划的领导水平。

二、资源错配

国家级的计划，资源几乎是无限的，这也导致一个可能的后果，即该计划的产物，往往是不经济的。我称之为“资源的魔咒”。

原子弹不用过多考虑其经济性，考虑性价比，原子弹是有就可以，重点是由0到1的突破。

光刻机要应用到商用市场，芯片要考虑经济性，要考虑售后，考虑良率，考虑交货周期，等等。

民营公司考虑的是有限资源下的市场竞争，考虑的维度比国家科研院所可要多多了。

科研院所的考核指标，成果是论文、样机，项目验收通过后，似乎就大功告成了，而从样机到产品，其实还有很多鸿沟要跨越，但在这个阶段已经没有科研经费来支持，而需要市场力量来推动。

ASML EUV光刻机从原型机到正式产品发布历时九年，期间历经坎坷，多次融资续命。

这里也有一个有趣的比较案例，即NASA和SpaceX。

过去几十年，美国的航天事业是由国家拨款NASA完成的，其主导的航天飞机项目虽然完成了多次成功发射，却经历了两次重大爆炸事故。在设计之初，美国以为航天飞机每次发射成本只有5400万美元而已，但是在实际的使用过程中，航天飞机的准备、发射成本平均为7.75亿美元，从第一架航天飞机执行飞行任务到最后一架航天飞机退役，整个航天飞机计划的投入高达1137亿美元。即使美国财大气粗，也没法承受这么高的成本，发射频率从计划中的每年24次下降到5次。

民营公司SpaceX进入市场后，迅速降低了火箭发射成本。根据目前的发射价格，SpaceX猎鹰9号 Block 5型号的成本大约是每公斤3000~3400美元。更夸张的是，猎鹰重型火箭每公斤仅1400美元，比Vanguard（NASA的第一个火箭系列）便宜700倍，比退役的航天飞机Space Shuttle便宜44倍。

NASA在2010年评估了SpaceX的猎鹰9号火箭的总开发成本：从2002-2009年总计约3.9亿美元。按照NASA自己的评估，如果猎鹰9号由NASA开发，成本预计需要17亿~40亿美元。

重型火箭也是一样。当年为阿波罗计划开发的土星五号火箭，如果换算成现在的价格，开发成本大概是600亿美元。NASA最新的重型火箭，经过延期和多次发射前故障，终于在2022年发射成功的SLS（太空发射系统）的成本超过212亿美元。相比之下，SpaceX的猎鹰重型火箭，已经成功完成4次商业发射，其根据CNBC的报道，它的开发成本在5-7亿美元之间。

9月1日，SpaceX打出今年第60发猎鹰系列火箭，一箭22星，这是SpaceX总计第215次成功回收火箭，以及第190次重复使用一级火箭。目前SpaceX已累计发射5027颗星链卫星。同一时间段内世界上除SpaceX以外的发射供应商合计进行了53次轨道发射。

马斯克表示，SpaceX 的目标是在 2023 年完成 100 次发射任务，而该公司已经在 2022 年刷新了之前创下的纪录，以后还将继续创造纪录。

SpaceX这家民营公司把发射火箭这件以往神圣神秘的事情迅速白菜化，把包括美国以内的所有其他国家政府都甩在了后面，发射星链卫星更变成家常便饭，在这个领域做出了碾压式的性价比优势，值得深思。

三、应对变化

有句俗话，计划赶不上变化。变化正是计划的大敌。

我国的科研计划，脱胎自建国以来的N个五年计划，因此在科研项目的申请上，传统也是以五年一个单位。一般项目周期是五年，最长十年。

有些项目实际上一两年就可以完成，但基于项目申请周期，也需要按计划继续进行。也有的项目也许十年都不够，到时候没有完成只能算失败。

软件、硬件、芯片设计的项目周期是很灵活的。在商业竞争中，要求公司发掘一切潜能，让项目尽快完成，且能按照市场节奏迅速调整。很多突发情况是无法提前计划的，比如竞争对手的进度、新技术的获取，都有很多意外发生，这更需要计划制定者审时度势，随时调整计划。

体制内科研院所，往往与市场脱节，或因为行政官僚的风气，掣肘的事情太多，每个人的能动性被锁住，无法发挥最佳的工程效率。

印象比较深的案例，是中途岛海战，美日海军双方都拼尽了全力，体现了很高的战术水平，最后美军除了赢在了情报能力上，作战人员的能动性也起到了关键作用，美军飞行员通过落单的日本潜艇寻路发现了其航母编队，当即发动了攻势。而日本舰队指挥官南云忠一在关键时刻，要求战机鱼雷换炸弹，然后炸弹换鱼雷的操作，前后两波命令耽误了一个多小时的时间，令所有人都感到惊诧不已，也成为此役日本四艘航母被击沉的重要原因。

四、重视迭代

从零到一，是突破，但从一到无穷大，是更需要耐心和智慧的工作。

在半导体领域，能造出芯片不难，难的是如何造出有竞争力的芯片。很多新建的晶圆厂通线数年仍难以量产，有的虽然勉强可以量产，但是良率始终无法爬坡式的提升。

很多朋友可能会问，有了现成的光刻机，芯片的良率提升还这么难吗？

举个简单的例子，当初ASML最先进的光刻机，台积电、三星、Intel都能买到，但为什么台积电能够遥遥领先，而Intel当年却在7nm工艺落后了两年之久，迟迟无法量产。

以14nm制程的FinFET为例，该工艺涉及到上千个工艺步骤，加入每个步骤的良率为99.9%，那么100个工序良率相乘后为90%，1000个工序良率相乘后为36.8%。

EUV光刻机，需要的零件超过45万个。一旦调试好之后，这台EUV光刻机一年可以稳定运行超过98%的时间，每年停机检修工作只需要7天左右，每一个部件正常工作时间至少要达到3万小时以上。

我们如果要对整个EUV进行国产替代，每个部件的可靠性都需要迭代改善。例如其中的光学镜片系统，这类EUV所用镜头的制造流程并不复杂，主要分为铣磨、抛光、成型和镀膜四个步骤。但由于对镜面精度和反射率的要求极高，所以制造难度要远远超过常规的镜片，所以市面上也只有蔡司能有这样的实力。如果将单个EUV反射镜的镜面大小与德国国土面积等效的话，那么其中最大的偏差也只有0.1毫米大小。

我们可以通过项目验收一台国产光刻机原型，也确实可以生产出相应的芯片，只是成本质量需要提升，但是要达到商业竞争能力和性价比，必须不停地迭代优化版本。

传统的科研计划缺乏动力来支持这类迭代工作，原因是项目验收意味着经费报销，迭代则需要申请更多的科研经费，而国家资源毕竟也是有限的，每笔开销都需要名目。

让我记忆深刻的，是十年前的手机操作系统，当时中国移动推出了基于OMS的OPhone手机操作系统，由联想在安卓基础上自主研发。包括联想移动、三星、LG、摩托罗拉等20多家手机厂商都陆续推出OPhone手机，曾一度让人看好。

2011年Q1，OPhone OS v2.5成功面市，相当于Android 2.2 (Froyo)。但是之后，Android在苹果的激烈竞争下迅速升级版本，使得OPhone再也无法赶上其研发节奏，以至于被拖垮，成为一个著名的典型案例。

另一个被拖垮的运营商OS，是联通2011年推出的沃Phone。按照百度百科的介绍，沃Phone操作系统是完全基于Linux内核的原生操作系统，而不是Android操作系统。联通沃Phone的研发被列入“国家重大专项课题”。按照联通的计划，沃Phone计划“每年发布两个版本”。2014年，沃Phone被同洲电子回购，无声无息地消失在公众视野中。

ASML的浸入式光刻成功翻越了157nm大关，直接做到半周期65nm。加上后来不断改进的高NA镜头、多光罩、FinFET、Pitch-split、波段灵敏的光刻胶等技术，浸入式193nm光刻机一直做到今天的7nm、5nm、3nm、2nm，经历了无数次的优化迭代。

尼康和佳能的光刻机不努力吗？日本人同样在痛苦地迭代升级，该做的都做了，只不过市场上只有一个王者。

还是期待国产光刻机能够尽快出来，先从零到一，打破荷兰人的垄断，再有市场化的公司能够从一到无穷大，将光刻机向经济性、性价比和高质量的目标努力。

计划本身没有什么问题，问题是如何理解计划、优化计划和超越计划，更重要的是执行计划的人。

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