中国为什么造不出一台最好的光刻机？
开篇先有奖竞猜一个问题：博通、高通、ADI、德州仪器、美光、阿斯麦几家公司，市值最高的是谁？
连续问了几位同事之后，博通、高通都出现在答案之列，但他们无一例外错过了正确答案：市值最高的是阿斯麦(ASML)。(具体原因，后文有答案）
市值均折合RMB计算
统计于2020年3月31日，来源：网络
阿斯麦占据超过全球70%的高端光刻机市场，最先进的EUV光刻机一台卖价高达上亿元(1.2亿美金），且供不应求，因为在高端光刻机市场全球仅阿斯麦一家。以目前最先进的7nm和5nm制程来说，只有阿斯麦的EUV光刻机才能达到。
光刻机的世界里不允许“退步”
首先我们先了解一下光刻机的作用原理。（技术达人可直接略过）
芯片的制造包括沉积、光刻胶涂覆、曝光、显影、蚀刻、移植、剥离等工序，其中曝光是微芯片生产中的关键工序，ASML正是处于半导体产业链中的曝光环节。
光刻机的作用原理有点像投影仪，首先由光刻设备投射的光源通过带有图案的掩模投射出来，经过透镜或镜子将图案聚焦在晶圆（类似于投影幕布）上。
不过投射之后形成的形状不是平面的而是立体的，通过蚀刻曝光或未受曝光的部分来形成沟槽，然后再进行沉积、蚀刻、掺杂，架构出不同材质的线路，生出基础轮廓。此工艺过程被一再重复，将数十亿计的MOSFET或其他晶体管建构在硅晶圆上，形成一般所称的集成电路。
芯片在生产过程中需要进行20-30次的光刻，耗时占到制造环节的50%左右，占芯片生产成本的1/3，光刻环节也决定着芯片的制程和性能水平。
细数光刻机发展的这么多年，入局者们基本围绕降低CD（曝光关键尺寸，可作为判断分辨率的依据）展开竞争。
CD=k1*(λ/NA)
CD值越小表明曝光形成的关键尺寸越小水平越高，各大厂商能做的也就是降低波长λ，提高镜头的数值孔径NA，降低综合因素k1。
在光刻机的历史上共经历三个时代，可以总结为：美国铺路，日本壮大，ASML独步称霸。
美国铺路（60-80年代）
代表企业：GCA、Perkin Elmer、Kasper
美国在20世纪50年代就已经拥有了接触式光刻机，60年代提出了投影式光刻概念，真正研制成功1:1投影式光刻机是在1973年（美国Perkin-Elmer公司，对，就是那个在新冠疫情期间频频出力的P&E），迅速占领市场。
1978年，GCA推出真正现代意义的自动化步进式光刻机(Stepper)，分辨率比投影式高5倍达到1微米，但产量低。受制于效率，P&E此后也领先过一段时间。
日本壮大（80年代-2004年）
代表企业：尼康、佳能
Stepper在80年代初期引领风潮，初期，尼康与GCE各占市场30%份额，两者并立并没有持续太久，尼康就独自为王，占领超过50%的份额，一直到ASML崛起为止；佳能则凭借对准器的优势也占领了一席之地。
顺便插一句，初代光刻机的命运就没那么好了：90年代左右，P&E后被SVG收购，GCA后被收购然后倒闭。
新生代ASML: 逆袭者（2004年-）
ASML诞生于1984年，脱胎于飞利浦实验室，以研究Stepper起家，早几年它想和P&E、GCA、IBM合作，但这些大佬都不理它。彼时，荷兰一家叫ASM International的小公司主动要求合作。飞利浦犹豫了一年，勉强同意成立股权对半的合资公司，这就是阿斯麦。
或许是ASML的天资表现得过于缓慢，对于这个亲生孩子飞利浦并没有投入太多感情，甚至连办公室都没提供，阿斯麦早期的31人团队勉强在飞利浦大厦旁边的简易屋里办公。
阿斯麦刚成立时的办公地是飞利浦大厦前的简易木棚房，就是图中紧挨垃圾桶的小房子。
图片来源/阿斯麦官网
在这个时期，市场主要被尼康垄断，ASML属于小步快跑的阶段，直到2000年台积电关键人物林本坚带着颠覆ASML发展的“浸入式光刻”设想与ASML合作。
回到之前提到的判断分辨率的公式：CD=k1*(λ/NA)，“浸入式光刻”改变的正是参数中的N，即折射率。
以往在透镜和晶圆中的介质是空气，N为1，而介质变为水时N是1.44，N越大，曝光关键尺寸越小，分辨能力越好水平越高。
彼时的尼康和佳能都执着于改变λ，包括光刻大厂ASML也投入约 7.5 亿美元做研发，但是，这个技术的进展在157纳米遇到严重卡关。而水介质的提出如果实现完全可以达到“四两拨千斤”的作用，后来证明确实有效。
林本坚的浸润式光刻，几乎被尼康、佳能、IBM等所有巨头封杀，因为这些巨头已经在上面投入甚多，尼康甚至向台积电施压，要求雪藏林本坚。
彼时不温不火的ASML选择了台积电成为其后来逆袭的关键。2004年，ASML和台积电共同研发出第一台浸润式微影机，优秀的性能和稳定的技术，让阿斯麦的产品全面碾压尼康，自此ASML一往无前。
赢者通吃
光刻机制造为什么这么难？
光刻机的世界只存在赢者通吃。
因为对于大多数厂商来说，一款新产品从投入到使用通常会耗费两三年 ，时间就是金钱，厂商们通常会优先选择先进的成熟的产品。除此之外，长周期投入以及高技术壁垒等都是很多新入局者难以逾越的高山。
总结下来，主要有以下几点：
技术上壁垒高
ASML总裁Peter Wennink也在媒体上方言：高端的EUV光刻机永远不可能（被中国）模仿。
“因为我们是系统集成商，我们将数百家公司的技术整合在一起，为客户服务。这种机器有80000个零件，其中许多零件非常复杂。以蔡司公司为例，为我们生产镜头，各种反光镜和其他光学部件，世界上没有一家公司能模仿他们。此外，我们的机器完全装有传感器，一旦检测到有异常情况发生，Veldhoven总部就会响起警报。”
长周期投入
光刻机是典型到极致的高风险、高投入的赛道，前期的投入很高收益很慢，有时候身体要贴钱投入。从下图可以看出，从ASML的研发投入基本达到15%以上，有时候全年负增长也是常态。
据一位在ASML工作的知乎作者@俗不可耐透露：“ASML的EUV光刻机才真正开始盈利”，而ASML在这项技术上投入的时间是27年。
试问有多少企业可以做到。
更换供应商成本太高
买到一台机器和用好机器是两码事。
ASML极紫外（EUV）光刻机每台售价达到1.2亿美元，重达180吨，零件超过10万个，运输时能装满40个集装箱，安装调试时间超过一年。除此之外，磨合与提高良率都需要时间堆砌，只要没有大的技术变革，厂商们不可能轻易放弃ASML当其他厂商的小白鼠的。
台积电（占据全球晶圆代工的大半壁江山）、三星、英特尔、格罗方德包括国内的中芯国际都是ASML的客户，其中三星、英特尔、格罗方德还是ASML的股东，三大巨头转投其他家的可能不大。
光刻机之所以重要，在于它是实现摩尔定律的基础。
摩尔定律指出：集成电路上能被集成的晶体管数目，将会以每18个月翻一番的速度稳定增长。
可以把晶圆的整体构造想象成在微观世界构建大楼，如果想让整个建筑有更多的小房间可以容下晶体管，这就要求房屋的整体框架要精细再精细。反映到光刻机上就意味着它投射到晶圆上的尺寸越小。
EUV光刻机代表了大厂在先进制程方面的领先性，目前只有荷兰ASML一家能够提供可供量产用的EUV光刻机。各大Foundry厂和IDM厂在7nm以下的最高端工艺上都会采用EUV光刻机，客户以英特尔、台积电、三星、SK海力士为主。
ASML在2019年出售了26台极紫外线(EUV)光刻设备，大概一半供给了台积电。
中国利用光刻技术制造集成电路芯片的时间，大致应当是在1965年前后。资料能查到的最早的光刻机是1445所在1974年开始研制，至1977年研制成功的GK-3型半自动光刻机，那是一台接触式光刻机。
1990年3月，中科院光电所研制的IOE1010G直接分步重复投影光刻机样机通过评议，工作分辨率1.25微米，主要技术指标接受美国GCA8000型的水平，相当于国外80年代中期水平。
从以往的资料显示，我国在光刻机研究方面并没有停止脚步，真正的发展一般认为是在2002年上海微电子装备(SMEE)成立以后，目前上海微电子已量产的光刻机中性能最好的是90nm光刻机。除此之外，国内光刻机厂商还有中电科集团四十五研究所、合肥芯硕半导体等。
上海微电子装备(SMEE)
作为国内光刻设备的龙头企业，由于起步较晚且技术积累薄弱，目前最先进的光刻设备也只能提供最高90mn的工艺技术。单从指标上看，基本也和ASML的低端产品PAS5500系列属于同一档次。
合肥芯硕半导体有限公司
合肥芯硕半导体有限公司成立于2006年4月，是国内首家半导体直写光刻设备制造商。该公司自主研发的ATD4000，已经实现最高200nm的量产。
下滑查看公司介绍
近期国产光刻机迎来好消息：上海微电子公司打破封锁，研发出22nm光刻机，这也是我国在光刻机领域的先进水平，虽在进步但离国外先进技术差距还很大。
当前来看，中芯国际两年前预定的EUV光刻机由于各种因素还未到货，受制于技术进步，受制于客观因素，是无可选择之事。另一方面以上海微电子为代表的科研工作者还在披荆斩棘继续前进。
筚路蓝缕，还要继续走吗？
套用著名的马洛里式回答：当然，因为路就在那里。
参考资料：
【1】揭秘半导体行业的幕后大佬--ASML，摩尔新闻，2019
【2】40年前中国就能造光刻机？真是“开局一张图......”，飞扬南石
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