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来源:财经国家周刊(ID:ENNWEEKLY)
|“守护和拓展我们国家的科技领空,如果我们这代人不担当,谁来担当?”
文 |《财经国家周刊》记者  李瑶
伴随一众芯片企业争相登陆科创板,芯片生产的基础性工具——国产光刻机,也被成功推上了科技圈的热搜榜。
先是“中科院发布5nm激光光刻技术”被误传为“可以不用购买荷兰光刻机巨头阿斯麦(ASML)的EUV高端光刻机,就可以生产芯片了”;后又有“95后大学生UP主造出光刻机”被迅速打假;继而又传出“两万人闭关两年,华为自研光刻机”的小道消息……
群情有如盛夏的阳光,炽热又激昂,任何有关国产光刻机的风吹草动,都被迅速放大、发酵。
但如果能冷静下来环顾思考,会发现,国民渴望光刻机的先进化,背后源自国产芯片不再被“卡脖子”的希望,但这种对国产光刻机的心态,总伴随着一种焦虑、焦躁甚至浮躁。
显然,在追赶先进目标下,这样的心态不可取。
人类半导体工业皇冠上的明珠
什么是光刻机?
简单来说,光刻机就是以光作为刀片,在晶圆上刻画芯片图纸的机器,是芯片生产加工最基础也最关键的一环。
整个光刻过程可以理解为,把设计好的芯片图案印在掩模上,再用激光穿过掩膜和物镜,把芯片的图案曝光在光刻胶涂层上。这有点类似于照相机底片曝光,但要更加精密。
如果让业内人士给光刻机下定义,恐怕离不开一句“人类半导体工业皇冠上的明珠”。一台光刻机由数万个部件组成,是一种集合了数学、光学、流体力学、高分子物理与化学、表面物理与化学、精密仪器、机械、自动化、软件、图像识别领域顶尖技术的产物。
在一台尖端光刻机上,你可以看到世界各国顶尖技术的荟萃:德国的蔡司镜头,日本的特殊复合材料,瑞典的工业精密机床,美国的先进控制软件、电源等。
光刻机的“起源”,要追溯到70多年前。
1947年,贝尔实验室发明了第一只点接触晶体管,光刻技术由此开始发展。1959年,世界上第一家晶体管计算机诞生,提出光刻工艺,仙童半导体公司研制出世界上第一个适用单结构硅晶片。
别看现在光刻机高大上,其实在1970年以前,光刻都算不上是多先进的高科技,大多半导体公司都可以自己设计工装和工具。甚至连日本的尼康和佳能,也在60年代末涌入这个领域,毕竟当时的光刻机并不比照相机复杂。
但此后10年间,光刻机逐渐从半导体公司的附属部门脱胎而出,形成真正的市场。尤其是1978年美国GCA公司推出真正现代意义上的自动化步进式光刻机(Stepper),正式开启了群雄争霸的光刻机大发展时代。
乘着国内大公司、大财阀都进入半导体行业的东风,尼康、佳能等公司开始与美国GCA、Ultratech、Eaton等公司一较高低。到1984年,尼康已经和GCA各占三成市场,平起平坐,Ultratech占约一成,Eaton、佳能、日立等剩余几家每家都不足5%的市占率。
此后,由于日本动态存储芯片发生大规模产能过剩,价格下跌近80%,美国半导体产业遭受巨大打击,GCA、Ultratech等一众光刻机厂商出现严重的财务危机,从此走上被边缘化的道路一去不复返。
反倒是远在欧洲的小公司阿斯麦,因为投资方飞利浦不怎么上心,公司体量小,损失不大,继续按照计划开发着新品。
再后来,美国开始反制风光了十数载的日本半导体产业,并在研究通过EUV(极紫外线)解决DUV(深紫外线)跨越不过的193nm波长困难时,将尼康死死阻截在荟萃各大科技巨头的“EUV LLC(极紫外线有限责任公司)”组织外,阿斯麦则靠着承诺在美国设研究中心、建厂、采购55%原材料,成功“捡漏”,体验了EUV光刻机的可行性被“大牛们”充分验证的全过程,为日后“飞升封神”打下关键基础。
每套系统售价上亿欧元的阿斯麦EUV光刻机
时至今日,纵览全球芯片厂商的光刻机订货单,当年的“小弟”阿斯麦已经成了行业里独占鳌头的“大哥”。以2019年为例,阿斯麦共出货229台光刻机,净销售额为118.2亿欧元,净利润为25.2亿欧元;尼康则出货46台,佳能出货84台。
并且,在阿斯麦出货的229台光刻机中,有26台是代表当今行业最高水准的EUV光刻机。EUV光刻机采用13.5nm波长的光源,是突破10nm芯片制程节点必不可少的工具,没有它,台积电、三星、英特尔的5nm芯片产线,都无法投产。
有人说,如果说光刻机是人类半导体工业皇冠上的明珠,那么阿斯麦就相当于握着最亮明珠的那个人。 
“给你们全套图纸,你们也做不出来”
中国光刻机崛起的故事,则要回到20年前。
2001年2月27日,中科院院士、北京大学微电子研究院院长王阳元作了一场关于“微电子科学技术和集成电路产业”的报告,分析我国发展微电子和集成电路产业的必要性、紧迫性、措施和建议。
当时主持会议的国务院领导在听取报告后,随即提出:集成电路是电子产品的“心脏”,是信息产业的基础,必须高度重视。
很快,光刻机成为“十五”期间微电子装备首要攻关项目;转年,光刻机被列入国家863重大科技攻关计划,在科技部和上海市政府共同推动下,承担攻坚项目任务的上海微电子装备有限公司(下称“上海微电子”),也正式成立。
公司刚成立不久,踌躇满志的总经理贺荣明就带着技术团队去欧洲、美国等地开展技术方面的合作。但当贺荣明提出“中国人也要做光刻机”时,外国专家的眼神里除了惊讶,还多多少少带着对中国科技人员的不屑和蔑视,甚至有一名欧洲的高级专家告诉他:“就是给你们全套图纸,你们也做不出来。”
这话刺激了贺荣明的自尊心,他很不服气。即使过去十数年,贺荣明回忆起那段时光都坦言,自己从国外回来后很长一段时间内,都是怀着赌气的心思带领团队奋斗。
但外国专家的话也并非全是虚言。
一台光刻机由数万个部件组成,对技术、精细度、速度的要求高到令人难以想象,温度、湿度、光线等都会影响到最终的成败,就连贺荣明也不得不承认:“相当于两架大飞机从起飞到降落,始终齐头并进。一架飞机上伸出一把刀,在另一架飞机的米粒上刻字,不可以出差错。”
这样的愤懑,直到多年后上海微电子在先进封装领域设计并交付了第一台国产光刻机给中国台湾客户时,才一得舒展消散。客户跟贺荣明说:“我们真的从来没想到中国人可以做出光刻机,作为中国人我为此感到自豪。”
大概是来自客户的肯定让贺荣明终于找到了情感的宣泄口,在后来的一次公司干部大会上,贺荣明总算直抒出了一句长期憋在胸口的话:“如果我们这群人的存在和努力,能够获得同行的尊重的话,我们做什么都值了!”
时至今日,上海微电子已成为国内最领先的光刻机设备厂商,封装光刻产品国内市场占有率高达80%,全球市场占有率达40%,LED/MEMS/功率器件光刻机性能指标领先,LED光刻机市场占有率第一。
但需要注意的是,光刻机分为前道光刻机和后道光刻机,前道光刻机用于芯片制造,后道光刻机则主要用于芯片封装。阿斯麦的光刻机就是前道光刻机。
当前,全球前道光刻机完全被阿斯麦、尼康、佳能垄断,上海微电子可量产的最领先的前道光刻机则处于90nm工艺制程节点。纵然上海微电子披露将于2021年交付28nm制程的前道光刻机,也仍与阿斯麦5nm制程光刻机相差甚远。
这个差距会导致什么结果呢?
举个最典型的例子,上海微电子这边刚传出28nm光刻机取得突破,那边阿斯麦就立刻降价甩货同代和上代光刻机,抢占中国市场,挤压上海微电子的市场空间。
或许有人会说,EUV光刻机并不是当前必需的。常被拿来佐证这一观点的案例是,中芯国际N+1、N+2代工艺都不会使用到EUV工艺,台积电也是在第三代7nm工艺才开始引入EUV。
但实际上,制程越小,工艺越高级,集成电路里的线宽越小,越需要更高级的光刻机。“尽管EUV技术对7nm制程不是必需的,但EUV技术的注入能提高良品率,效果好。”电子创新网CEO张国斌说。
业内流传比较广泛的一个说法是,就算所有进口光刻机瞬间停止工作,中国也不是没有芯片可用,但90nm光刻机造出来的芯片,也就相当于2004年奔腾四处理器的水平。
换句话说,奋战十几年,国产光刻机虽然取得不小进展,但目前仍落后领先水平一段距离,并且始终没能叩开高端市场大门。一日进不去高端领域,就要承受一日别人随便大手一挥甩来的巴掌。
为什么高端光刻机难买又难造
中国有句老话:工欲善其事,必先利其器。
为什么我们想要的那把芯片制造“利器”,这么多年了还是难买又难造呢?中国的基础是一开始就那么差吗?
这里就不得不提到一个半导体行业众所周知的历史因素——“瓦森纳协定”。西方国家对中国半导体技术及产品的出口,一般都遵循“N-2”的原则审批,就是比最先进技术落后两代的意思。如果再在审批过程中适当拖延一下,基本上中国能拿到的技术设备,都会比发达国家最先进的落后三代甚至更多。
举个例子,英特尔、三星等企业在2015年能买到阿斯麦10nm光刻机,而中芯国际当时只能买到阿斯麦在2010年生产的32nm光刻机。就算中芯国际能够通过与比利时微电子研究中心(IMEC)进行合作,买到二手的光刻机设备,但也必须等IMEC使用五年后才能拿到手。
五年的时间,对于半导体产业来说,足够迭代数次了。
除了无法买到最新的设备,“瓦森纳协定”还限制华裔工程师进入欧美等知名半导体公司的核心部门,以防技术泄露。但现有的高端光刻机正是许多国家共同合作的结果,涉及多个科学领域。可以说,承受着从生产设备到技术人才全方位压制的中国的半导体产业,造出高端光刻机的难度,不亚于当年造原子弹。
其实,中国的光刻机技术也并非从一开始就落后于人。
1952年,刚成立不久的新中国就开启了计算机事业,成立了电子计算机科研小组,由数学研究所所长华罗庚负责。随后十多年里,中国陆续试制成功第一只晶体三极管、第一只锗晶体管、第一代硅平面晶体管、第一块集成电路。
由于我国第一块集成电路诞生于1965年,所以业内认可度较高的说法是,我国利用光刻技术制造集成电路芯片的时间也差不多处于1965年前后。
1977年,我国最早的光刻机——GK-3型半自动光刻机诞生;1978年,1445所在GK-3的基础上开发了GK-4,把加工圆片直径从50毫米提高到75毫米,自动化程度有所提高。这时候,阿斯麦还没有出现。
到1985年,机电部45所研制出了分步投影式光刻机,被电子部技术鉴定认为,达到美国GCA公司1978年推出的4800DSW光刻机的水平。
如果稍作回顾,可以将整个中国大陆半导体产业发展的脉络总结为:50年代开了个好头,六七十年代一路向前,80年代上半场仅次于美国,甚至比肩日本,领先韩、台。
但转折也正巧就出现在80年代下半场。彼时恰逢日本半导体产能过剩,与美国半导体大打价格战,“造不如买”的思想开始在国内兴起,一大批企业抛弃独立自主、自力更生的方针,盲目引进开放,走上了以“贸工技”为指导的发展路线。
中国的集成电路当时在科研、教育、产业方面也出现了脱节——科研上追随国外制定的技术标准和技术体系;教育上,一切与金融贸易相关的专业成了热门,软件工程师变成了冷门职业;产业上,一些企业热衷于给外资企业搞组装,以大量廉价劳动力换取经济利益。
覆巢之下,安有完卵?中国的光刻机事业也受大环境影响,没能在高端光刻机领域留下姓名。
直到90年代末千禧年初,中国芯片产业出现海归创业和民企崛起,国产光刻机产业才再度觉醒。但这时候,国产光刻机与最先进技术的差距,已从当年的7年拉长到了20多年。
困难中已见微光
相比阿斯麦背靠欧美先进研究成果,手持英特尔、三星、台积电等股权投资交换来的巨额研发资金,顶着“瓦森纳协定”的国产光刻机产业,成长基石明显处在实打实的低洼劣势。
但矮人一截,反倒让成长路上达成的突破,一点一滴都让人振奋。
为了加快国产光刻机的攻关,2008年,国家层面专门成立了“极大规模集成电路制造装备与成套工艺专项”(简称02专项),以建立自主的高端光刻技术和产业发展能力作为重大、核心的战略目标。
光刻机产业链可以拆分为两大部分,一是光刻机核心组件,包括光源、镜头、双工件台、浸液系统等关键子系统;二是光刻配套设施,包括光刻胶、光掩膜版、涂胶显影设备等。
因此,02专项也组织了多个部门参与,分别负责不同的子项,并已逐渐取得可喜的成就:
2017年6月21日,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所(现北京国望光学)牵头研发的“极紫外光刻关键技术”通过验收;
清华大学和北京华卓精科负责双工件台系统,2019年完成研发和试产基地建设,是世界第二个掌握该项技术的(第一个为阿斯麦的Twinscan技术);
浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室和浙江启尔机电负责沉浸式光刻机的浸液系统,目前水平排名世界第三,前两名分别为阿斯麦、尼康;
中科院光电研究院负责准分子激光光源系统,由北京科益虹源负责产业转化,研究成果国产40W 4kHz ArF光源已经交付,是继美国Cymer公司(已于2013年被阿斯麦收购)、日本Gigaphoton 公司之后的全球第三;
2018年11月29日,中科院研制的“超分辨光刻装备”通过验收。光刻分辨力达到22nm,结合双重曝光技术后,未来还可用于制造10nm级别的芯片;
上海微电子将在2021年交付的28nm光刻机,则是由上海微电子负责光刻机设计和总体集成,北京科益虹源提供光源系统,北京国望光学提供物镜系统,国科精密提供曝光光学系统,华卓精科提供双工作台,浙江启尔机电提供浸没系统。
……
“如今在我们超洁净度的厂房里,一台台占地几十平方米的光刻机,就像一个个思想的巨人矗立在那里。”贺荣明时常隔着玻璃,凝视这些由几万个超精密零件和数百万代码组成的复杂系统,似乎能看到困难中闪烁着的象征希望的微光。
借鉴不能盲目
路行至此,国产光刻机下一步又该如何走?
如果总结阿斯麦的成功,无外乎特殊的时代环境、强决断力的领导者、持续加大研发投入的定力、整合产业链资源的魄力等几个关键因素。但就当前国产光刻机发展而言,仅从一家巨头企业身上吸取经验并不足够。
英国一位经济学家曾指出,政府与企业长期而富有战略性的引导和投入,是突破性创新的绝对先决条件。贺荣明也多次表示认同这一观点,在光刻机领域,国家的战略投入和引导政府与企业的风险共担,始终是我国企业最大的支柱。
就这个意义而言,要想规划国产光刻机的发展图景,不妨放眼全球半导体关键发展节点,从中寻找那些政府与企业共同引导和投入的、可参照的经验。
上世纪80年代中期,美国半导体产业遭遇滑坡,后又迅速回归、实现复兴,其中力挽狂澜的一个关键,在于美国半导体制造技术联盟(Sematech, Semiconductor Manufacturing Technology)的成立与发展。
这个Sematech联盟由半导体公司National Semiconductor的CEO Charlie Sporck倡议发起,集合了占美国当时半导体产业产值80%的14家企业之力,如英特尔、IBM、惠普、美光、摩托罗拉等,意在通过未来中短期半导体制造相关技术进行研发和产业化,从而重建美国半导体产业的国际竞争力。
群雄共聚的局面当然不好控制。成立之初,由于成员公司之间存在竞争关系,相互提防,Sematech出现过短暂混乱。注意到这个问题后,美国政府很快派美国国防部高级研究项目局(DARPA)进驻,代表美国政府,参与到该组织的管理与运行中。
也正是在政府和产业力量的共同配合下,美国半导体产业链才在最短时间内得到梳理,重塑上下左右关系,在促进成员间合作、避免竞争的同时,提高了整个产业链的韧性。
这一经验能直接照搬到国产光刻机发展上吗?当然不能。中国面对的是不同的产业状况,借鉴可以,但不能盲目。
Sematech为人称道的一个特性在于,它是一个具备公司属性的联盟组织,由懂技术、懂管理、有产业背景和人脉、有企业家开拓精神的CEO统管,最大限度保证着产、学、研的高效链接。
中国虽然也有02专项这样的项目在梳理、塑造国产光刻机产业链,但产、学、研各界整体仍处于“各自为政”的情况,有待设立一个像Sematech这样由政府和企业共同参与管理与运行的联盟组织,统一规划、引领整个国产光刻机产业的发展进程。
但在具体的领军人物选择、政府在联盟中的角色分寸拿捏、行业规范的制定、监管介入等细节方面,需要结合中国具体现状进行调整实施。
其次,由于美国绝大部分企业都对基础研究、应用研究不抱有太大兴趣,政府给予Sematech的资金补贴,主要都用在了中短期技术开发上。
考虑到企业真正感兴趣的是能带来实际利润的创新产品,只有企业感兴趣,技术创新才有动力,所以Sematech此举有其合理性。
但我们必须清醒地认识到,美国政府之所以能放任企业对基础研究不感兴趣、关注能迅速产生创新价值的中长期技术开发,底气在于美国基础科学领域的智力及人才储备足够扎实。而现阶段,中国这部分底气并不足。
多位业内人士认为,在鼓励国产光刻机产业加大技术研发时,多方吸纳、分层引导的思路或许更可取。
比如,建立一个类似Sematech的产业联盟,吸纳龙头企业和有想法、有潜力的中小企业一同加入,鼓励营收稳定的大企业持续前沿技术研发投入,引导中小企业做中短期技术开发。
这样一来可以帮助中小企业增加快速造血能力,二来可以促使中小企业在联盟氛围中感知、接触到最新的技术趋势和产业信号,并逐渐确立自己在产业链中合适的发展位置,三来更有助于加快整个产业链上下游的建立、成熟与稳固。
需要注意的是,支持真正的技术开发,既是政府补贴的初衷,也是补贴的底线。哪怕是中短期技术,也一定要有创新的技术开发,而不能只支持产品生产。
因为没有技术开发的产品,哪怕这个产品属于一个听起来很新兴的行业,也只是在支持扩大低端产能,局限于低端重复过剩。
守护科技领空
金钱可以买来图纸,但买不来核心技术;市场可以换来投资,但永远换不来创新能力。而技术和创新能力,本质还来源于人才。
问渠哪得清如许,为有源头活水来。除了留住已有人才,源源不断地培养新的人才储备,更是老生常谈的重中之重。
同时需要时刻注意的是,应该站在全球系统的视野来制定正确的发展策略。面对相对薄弱的工业条件和人才储备,动不动就鼓吹“完全国产化”的思想,并不可取。
且不说,光刻机零部件之多、技术来源之复杂,短期内完全国产化很难实现。就算死磕全部国产化到阿斯麦现在的5nm水平,黄花菜都凉了,阿斯麦也一骑绝尘了。更何况,在全球化的今天,供应链国际化已经是不可阻挡的发展趋势。
比起“别人不让买就全部自己造”,“让别人不能不卖给我们”或许是更为实际有效的解决办法。比起一味强调“完全国产化”,倒不如放眼长远,加大专利技术积累,密切国际合作关系,让别人对你的专利范围避无可避。
在一次工作汇报上,贺荣明做了一个特别分享。期间他提到,经过无数次的技术交锋,他们发现,很多国外的公司在中国领空上申请的专利保护范围非常之大,为此上海微电子展开了一场非常艰苦的专利领空保卫战,用自己的专利对很多在中国申请专利保护范围过大的专利进行阻击,将后者的保护范围缩小一半,从而为自己的专利技术布局赢得创新空间。
创新就是作战,专利是没有硝烟的战场。高端技术领域的国际合作,往往都是打出来的,乞求式的合作无力又无用。只有通过技术攻关,使自己足以成为竞争对手,通过不断的交锋,双方才能产生合作意向,姿态也更平等。
在摩尔定律的驱动下,国际光刻机的技术发展飞速,在国产光刻机努力追赶未来的道路上,动不动就鼓吹“突破技术封锁”的论调,不仅容易滋长盲目自信、引发外部更强压制,对我国科技领空的发展,更是没有任何益处。
2017年,在上海市科创争先锋先进事迹报告会上,头发微白的贺荣明作为“科创先锋人物”上台发言。
他说:“我深深感到和体会到在未来的世界当中一个国家的大小,其实已经不是由疆土的面积来衡量了,而是由科技领空的大小来决定。守护和拓展我们国家的科技领空,如果我们这代人不担当,谁来担当?”
国产光刻机大崛起到来前,道阻且长。
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