中國光刻機開發(fā)50年，為什么還落后國際7代以上？

7月，中科院網(wǎng)站刊登一則國產(chǎn)5nm光刻技術(shù)獲突破的新聞，隨后又被刪除。這則新聞介紹，中科院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所某研究員與國家納米中心某研究員合作，成功開發(fā)出一種新型5nm激光光刻加工方法。而這種光刻技術(shù)，使用了具有完全知識產(chǎn)權(quán)的激光直寫設(shè)備，可以1小時制備約5×105個納米狹縫電極，展示出規(guī)模量產(chǎn)的潛力。

消息一出，社交媒體上一片沸騰。但伴隨這條新聞被刪除，有人質(zhì)疑，有人失落。在最近兩年頻繁的芯片大事件中，“光刻機”登上了熱榜。光刻是芯片制造最核心、最難的環(huán)節(jié)，而且占到芯片成本的30%。中芯國際花了1.2億美元向荷蘭光刻機巨頭ASML訂購的中國首臺EUV光刻機，足足等了三年，也沒能迎娶進門。光刻機的水平直接決定了中國芯片制造的水平，它的突破無疑代表了中國芯片制造的水平。

圖/ASML官網(wǎng)

在國人的期盼下，今年以來，幾乎每兩個月都有中國光刻機獲突破的消息。但根據(jù)AI財經(jīng)社了解，這些突破有的是內(nèi)部驗收，不能解決當下產(chǎn)業(yè)問題，有的是被夸大的假新聞。要做到真的光刻機國產(chǎn)替代，前路漫漫。“除了臥薪嘗膽，加強研發(fā)，別無捷徑。”

嚴峻的當下

中科院突破5nm光刻技術(shù)的新聞，恰逢華為遭遇美國技術(shù)封鎖、艱難尋求出路的時刻。中科院此時在光刻機上的突破，讓國人看到了希望。于是，“打破封鎖了！中科院攻克5nm光刻機關(guān)鍵技術(shù)，華為迎來最大希望”的新聞在社交媒體上被大量轉(zhuǎn)發(fā)。

而針對新聞隨后被刪的情況，有人士分析，由于光刻機同行并沒有發(fā)聲，因此關(guān)于這個技術(shù)的真?zhèn)魏陀行裕€是要交給專業(yè)人士判斷。但現(xiàn)在將實驗室技術(shù)拿出來高調(diào)宣傳，可能是一種“放高炮、打雞血”的做法，解決不了實際的產(chǎn)業(yè)問題。

圖/上海微電子官網(wǎng)

無獨有偶，今年6月，“上海微電子2021年或2022年將交付28nm沉浸式光刻機”的消息也在網(wǎng)上引發(fā)沸騰，上海微電子大股東上海電氣的股票一度漲停。

上海微電子并未發(fā)布這一新聞。而一位行業(yè)人士對AI財經(jīng)社透露，據(jù)他了解，目前上海微電子僅有一臺尚沒有量產(chǎn)、能做到90nm制程的光刻機，使用的實際上是海外20年前的光源技術(shù)。而全球光刻機霸主ASML已經(jīng)沖向5nm和3nm制程。

幾位自稱是上海微電子的員工也在社交平臺上疾呼，科研不需要炒作，公司有國外合作廠商，此時高調(diào)無疑會給中國光刻機研發(fā)帶來更多麻煩。

也有行業(yè)人士對AI財經(jīng)社進一步分析，當年英特爾曾采用與上海微電子類似的技術(shù)實現(xiàn)了55nm制程，但如今上海微電子只能實現(xiàn)90nm制程，“說明它在技術(shù)上大概率遇到了問題，比如卡在了光學(xué)系統(tǒng)、激光器或者最難做的光學(xué)鏡頭上”。

實際上，在基礎(chǔ)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)積累都很薄弱的情況下，整個國產(chǎn)光刻機產(chǎn)業(yè)鏈仍很弱小。比如，最近準備沖刺科創(chuàng)板的“光刻機第一股”華卓精科，主要為上海微電子提供光刻機所需的雙工件臺。但招股書披露，公司在2017年、2018年形成小規(guī)模收入后，因為在研發(fā)上遇到問題，交付延期，導(dǎo)致2019年沒有任何收入。

業(yè)界認為，中國光刻機與全球老大ASML至少還有幾十年差距。而產(chǎn)業(yè)界的缺失攪動起了資本圈。一位投資人向AI財經(jīng)社透露，有某高校團隊出來做的光刻機，每年營收加政府補貼才1億元出頭，技術(shù)距離先進水平很遠，然而估值已到了80億元，比有些估值虛高的AI獨角獸還要高出很多倍。

就算有了光刻機，芯片制造涉及數(shù)百種設(shè)備，比如離子注入機、刻蝕機等，雖然目前北方華創(chuàng)、中微半導(dǎo)體等企業(yè)做到了突破，但這些設(shè)備中超過一半的零部件也依賴進口。一位設(shè)備企業(yè)高管對AI財經(jīng)社說，這樣算下來，“可能芯片制造100道工序里國內(nèi)能做10道”。

上述人士進一步介紹，某A股上市國產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備明星企業(yè)的技術(shù)水平被夸大，“連公司董事長自己都看不下去了”；某薄膜設(shè)備領(lǐng)軍企業(yè)，量產(chǎn)不足幾千臺，這個領(lǐng)域還是被卡脖子卡得厲害；檢測設(shè)備市場雖大，但精測設(shè)備剛剛起步，OCD設(shè)備差距還比較大。“總之，國產(chǎn)設(shè)備還有相當差距，企業(yè)也魚龍混雜，一些企業(yè)不是搞技術(shù)的，純粹折騰資本”。

起大早趕晚集

實際上，光刻并不是一種新工藝，早在1965年，中國就在用光刻技術(shù)制造芯片。如今光刻機的原理跟投影儀類似，以激光為刀，將設(shè)計好的電路圖投射到硅片之上，在指甲蓋大小的芯片上實現(xiàn)數(shù)百億個晶體管的集成。

上世紀70年代，國內(nèi)清華大學(xué)精密儀器系、中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所、中電科45所已經(jīng)開始投入研制光刻機。

在中國高考恢復(fù)的1977年，江蘇吳縣還專門舉行了一場光刻機技術(shù)座談會，這則幾百字的會議消息刊登在一張微微泛白的報紙上。雖然內(nèi)容簡短，參會代表們達成了共識：光刻設(shè)備和工藝極為重要，要提高光刻機技術(shù)，以在半導(dǎo)體設(shè)備上趕超世界先進水平。

同年，行業(yè)傳來捷報，中國第一臺GK—3型接觸式光刻機誕生。這種光刻機相對粗糙，就是光罩直接壓在硅片上，再用燈光照射，但光罩易變形，難以重復(fù)使用，還會造成污染。上世紀70年代初，美國、日本等國家已經(jīng)研制出了更先進的1:1投影光刻機和分步投影光刻機，但這些技術(shù)要求苛刻，當時國內(nèi)光刻工藝難以達到。

為了追趕世界先進水平，原機電部45所投入研制，終于在1985年研制出第一臺分步投影式光刻機。當時的電子部技術(shù)鑒定認為，這達到了1978年美國GCA公司推出的分步光刻機4800DSW的水平。表面上看，中國技術(shù)也就落后美國7年。但有行業(yè)人士指出，這些設(shè)備偏科研項目，沒有經(jīng)過產(chǎn)線驗證，并不代表真實水平。

在很長一段時間，國內(nèi)研究成果在論文發(fā)表、專家評審后即被束之高閣，導(dǎo)致光刻機技術(shù)也長期停留在“紙上談兵”的階段。

那一年，光刻機老大ASML剛成立一年，終于把辦公地點從母公司飛利浦大廈緊挨垃圾桶的木棚房搬到新廠房。ASML脫胎于飛利浦實驗室，早年想和美國光刻機企業(yè)GCA、P&E合作，但這些大佬都不理它，唯有一家叫ASM International 的荷蘭小公司主動要求合作。飛利浦猶豫了一年，勉強同意成立股權(quán)對半的合資公司，沒人能預(yù)料到，這個30人的小團隊會在日后改寫整個半導(dǎo)體行業(yè)。

然而，國產(chǎn)光刻機剛有一點起色，很快就被時代的大浪拍倒在了沙灘上。上世紀80年代開始，隨著改革開放的深入，越來越多的外國公司進入中國市場，當時國內(nèi)奉行“造不如買，買不如租”。各地政府大量引進國外的半導(dǎo)體設(shè)備和產(chǎn)線，國內(nèi)半導(dǎo)體技術(shù)自研陷入被動。

1984年中國還實行了“撥改貸”政策，原來靠國家撥款的企業(yè)，轉(zhuǎn)向銀行貸款，一些科研項目因貸不到款而停滯。

雪上加霜的是，1996年，以美國為首的西方國家簽署了《瓦森納協(xié)定》，對中國出口技術(shù)進行封鎖。為了開辟一條生路，國內(nèi)提出“以市場換技術(shù)”，大幅降低關(guān)稅，導(dǎo)致國內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)，包括光刻機受到了狂風暴雨般的沖擊。

沒有市場、沒有資金，國產(chǎn)光刻機在上世紀90年代再未有更大進展。

但在我國技術(shù)停滯不前的這段時間里，日韓在半導(dǎo)體行業(yè)加大投資、奮起直追。其中，日本半導(dǎo)體公司尼康就把美國光刻機企業(yè)SVG、Ultratech打得七零八落，占據(jù)了全球30%的半導(dǎo)體市場。隨后日本國內(nèi)的日立、佳能等企業(yè)也開始展露頭角。

星星之火

2001年2月27日，中科院院士、北大微電子研究院院長王陽元教授在中南海作了關(guān)于《微電子科學(xué)技術(shù)和集成電路產(chǎn)業(yè)》的報告。上世紀70年代，王陽元曾主持研制成功我國第一塊1024位隨即存儲器，是國內(nèi)半導(dǎo)體行業(yè)的領(lǐng)軍人物之一。這次報告讓與會者對半導(dǎo)體的戰(zhàn)略地位有了進一步理解。

圖/來源網(wǎng)絡(luò)

時任國務(wù)院副總理李嵐清在報告結(jié)束后給出一個結(jié)論：集成電路是電子產(chǎn)品的“心臟”，沒有先進的集成電路產(chǎn)業(yè)就沒有先進的信息產(chǎn)業(yè)，因此，必須大力發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè)。這一結(jié)論無疑給中國芯片產(chǎn)業(yè)帶來新生。

同年，李嵐清主持工作會議，下發(fā)了鼓勵集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的文件。基于此，財政部、國家稅務(wù)總局推出相關(guān)稅收政策，產(chǎn)業(yè)和資本活躍起來。

2002年，光刻機也正式列入“863重大科技攻關(guān)計劃”。這一年，科技部和上海市政府共同牽頭，國內(nèi)多家企業(yè)共同組建了上海微電子，重點研發(fā)100nm步進掃描投影光刻機。

時任上海電氣總公司執(zhí)行副總裁的賀榮明肩負起這個任務(wù)，帶領(lǐng)團隊走上了艱難的光刻機自主研發(fā)之路。

1985年從同濟大學(xué)畢業(yè)的賀榮明，進入上海機電工業(yè)管理局從事國外技術(shù)的引進。在此后的工作中，他體會到了“真正的核心技術(shù)是買不來的”。

上海微電子剛成立時，賀榮明去歐洲談光刻機技術(shù)合作，對方都把他當成“國際騙子”。“那種看我的眼神，我覺得很刺眼。現(xiàn)在想來，或許那算不上歧視，而是一個西方工程師在聽說發(fā)展中國家也要搞光刻機時的正常反應(yīng)。”一位德國工程師甚至對他扔下一句狠話：“就是給你們?nèi)讏D紙，你們也做不出來！”

實現(xiàn)光刻機自主，的確像一個有點不切實際的夢。媒體今天經(jīng)常引用的一組數(shù)據(jù)是，“目前最先進的EUV光刻機，單臺設(shè)備超過十萬個零件，軟管加起來就有兩公里長。這么一臺龐大的設(shè)備，重量足足有180噸，單次發(fā)貨需要動用40個貨柜、20輛卡車以及3架貨機”。更不要說，研發(fā)涉及幾百家公司的技術(shù)。而上海微電子幾乎是一窮二白，要造出光刻機，難度無異于在沙漠上蓋起一棟摩天大樓。

光刻機霸主ASML也并不是憑一己之力崛起的。上世紀八九十年代，光刻機被光源卡在193nm長達20年。為了突破，英特爾說服了美國總統(tǒng)克林頓組織起一個EUV LLC聯(lián)盟，集合了當時科技界大牛摩托羅拉、IBM以及美國三大國家實驗室等。

當時正值美日科技爭霸，美國沒有讓日本企業(yè)加入，反而允許荷蘭ASML共享研究成果。為表誠意，ASML在美國建了研發(fā)中心，還保證55%的零部件均從美國采購并定期接受審查。這也是如今荷蘭公司ASML必須遵守美國規(guī)矩，不給中芯國際提供7nm EUV光刻機的根源。

異常艱苦的條件下，2007年，上海微電子曾研制出一臺90nm工藝的投影光刻機。但中科院微電子所官網(wǎng)一篇文章指出，由于這臺機器大部分關(guān)鍵元器件是外國的，西方默契地對上海微電子禁運，樣機成了擺設(shè)，無法投入商業(yè)化生產(chǎn)。

于是，2008年國家啟動了主攻裝備、材料和工藝等配套能力的“02專項”，扶持國內(nèi)光刻機產(chǎn)業(yè)鏈。除了上海微電子負責整機制造，還扶持了一批配套企業(yè)的研發(fā)：比如長春光電所、上海光電所和國科精密研究曝光光學(xué)系統(tǒng)，華卓精科承擔雙工件臺，南大光電研制光刻膠，啟爾機電負責突破DUV光刻機液浸系統(tǒng)等。

一位光刻機資深從業(yè)人士記得，2010年左右，曾有國產(chǎn)光刻機產(chǎn)業(yè)界的人來拜訪，提到國內(nèi)已幾十年沒人做過準分子激光器，而這是光刻機的核心部件。當時國內(nèi)連鏡頭的材料都做不出來，更別說做激光器了。“國內(nèi)產(chǎn)業(yè)就是在這樣薄弱的基礎(chǔ)上做出了光刻機，是個奇跡。”

如今，國產(chǎn)光刻機在艱難中已有了星星之火。12年的持續(xù)投入下，國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈在光源系統(tǒng)、曝光光學(xué)系統(tǒng)等方面取得突破。2016年，國科精密研發(fā)的國內(nèi)首套用于高端 IC 制造的 NA=0.75 投影光刻機物鏡系統(tǒng)、國望光學(xué)研發(fā)的首套90nm節(jié)點ArF投影光刻機曝光光學(xué)系統(tǒng)都已交付。

但總的來說，這些成績還不足以解決光刻機之痛。一位行業(yè)人士告訴AI財經(jīng)，在國家啟動的扶持芯片設(shè)備的02專項中，光刻機是花錢最多的項目，一投就是10多年， 但仍然沒有做出比上海微電子90nm光刻機更先進的產(chǎn)品。而在90nm之后，還有65nm、45nm、28nm、22nm、14nm、10nm、7nm足足7代工藝，才算與全球先進水平持平。

“之前花了10多年來趟路，也讓我們發(fā)現(xiàn)，原先的做法，部分需要調(diào)整。”行業(yè)人士稱，目前參與國內(nèi)光刻機研發(fā)的有高校、企業(yè)和研究所，力量分散，而選擇的技術(shù)路徑難度也過高。

從技術(shù)路徑來說，ASML主要生產(chǎn)兩類光刻機——193nm光源光刻機和EUV光刻機。193nm光源光刻機只能做到7nm制程，往下需要EUV光刻機。但EUV涉及的技術(shù)和零部件是全球化的，且2018年至今全球出貨量總計只有57臺。“在西方制定協(xié)議對我國進行技術(shù)封鎖的情況下，做科研可以，但在EUV這條路做商業(yè)化既困難又得不償失。”上述行業(yè)人士認為，“我們不妨先把193nm光源光刻機做好。”

同時，行業(yè)人士提出，當下更要補齊我國在光刻機領(lǐng)域人才的缺失。2000年初，大批留學(xué)的半導(dǎo)體人士懷揣家國情懷選擇回國發(fā)展，帶來了一個繁榮的產(chǎn)業(yè)開端，但可惜的是后期人才培育沒有跟上步伐。“總想著靠錢挖人，這并不能建起一個扎實的產(chǎn)業(yè)人才基礎(chǔ)。”

另一位資深人士指出，光刻機需要與產(chǎn)業(yè)緊密結(jié)合。中芯國際目前先進工藝采用的是ASML的光刻機，而非選擇與上海微電子共研，支持最新工藝的光刻機。而中芯國際則表達了生存和追趕目標下的不得已。但芯片制造卡脖子之痛，會讓產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)對國產(chǎn)設(shè)備比之前更為重視。

光刻機只是中國無芯之痛的一個縮影，背后折射出的是整個產(chǎn)業(yè)追趕的艱難。“在種種困難之下，除了臥薪嘗膽，加強研發(fā)，別無捷徑。”一位從業(yè)幾十年的行業(yè)人士說。

光刻機產(chǎn)業(yè)落后很大程度上是此前策略導(dǎo)致的，最近兩年芯片行業(yè)發(fā)生的事件是一記警鐘，更是一劑強心劑。當人們認清光刻機的重要性后，隨著策略的調(diào)整、資本的投入以及產(chǎn)業(yè)鏈更清晰的合作，國產(chǎn)光刻機將有希望一步步實現(xiàn)突圍。