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中国光刻机开发50年为何还落后国际7代以上?

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发表于 2020-8-19 00:19:39 | 显示全部楼层 |阅读模式

中国光刻机开发50年,为什么还落后国际7代以上?


  7月,中科院网站刊登一则国产5nm光刻技术获突破的新闻,随后又被删除。这则新闻介绍,中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所某研究员与国家纳米中心某研究员合作,成功开发出一种新型5nm激光光刻加工方法。而这种光刻技术,使用了具有完全知识产权的激光直写设备,可以1小时制备约5×105个纳米狭缝电极,展示出规模量产的潜力。

  消息一出,社交媒体上一片沸腾。但伴随这条新闻被删除,有人质疑,有人失落。在最近两年频繁的芯片大事件中,“光刻机”登上了热榜。光刻是芯片制造最核心、最难的环节,而且占到芯片成本的30%。中芯国际花了1.2亿美元向荷兰光刻机巨头ASML订购的中国首台EUV光刻机,足足等了三年,也没能迎娶进门。光刻机的水平直接决定了中国芯片制造的水平,它的突破无疑代表了中国芯片制造的水平。

  

中国光刻机开发50年为何还落后国际7代以上

中国光刻机开发50年为何还落后国际7代以上

  图/ASML官网

  在国人的期盼下,今年以来,几乎每两个月都有中国光刻机获突破的消息。但根据AI财经社了解,这些突破有的是内部验收,不能解决当下产业问题,有的是被夸大的假新闻。要做到真的光刻机国产替代,前路漫漫。“除了卧薪尝胆,加强研发,别无捷径。”

  严峻的当下

  中科院突破5nm光刻技术的新闻,恰逢华为(专题)遭遇美国技术封锁、艰难寻求出路的时刻。中科院此时在光刻机上的突破,让国人看到了希望。于是,“打破封锁了!中科院攻克5nm光刻机关键技术,华为迎来最大希望”的新闻在社交媒体上被大量转发。

  而针对新闻随后被删的情况,有人士分析,由于光刻机同行并没有发声,因此关于这个技术的真伪和有效性,还是要交给专业人士判断。但现在将实验室技术拿出来高调宣传,可能是一种“放高炮、打鸡血”的做法,解决不了实际的产业问题。

  

中国光刻机开发50年为何还落后国际7代以上

中国光刻机开发50年为何还落后国际7代以上

  图/上海微电子官网

  无独有偶,今年6月,“上海微电子2021年或2022年将交付28nm沉浸式光刻机”的消息也在网上引发沸腾,上海微电子大股东上海电气的股票一度涨停。

  上海微电子并未发布这一新闻。而一位行业人士对AI财经社透露,据他了解,目前上海微电子仅有一台尚没有量产、能做到90nm制程的光刻机,使用的实际上是海外20年前的光源技术。而全球光刻机霸主ASML已经冲向5nm和3nm制程。

  几位自称是上海微电子的员工也在社交平台上疾呼,科研不需要炒作,公司有国外合作厂商,此时高调无疑会给中国光刻机研发带来更多麻烦。

  也有行业人士对AI财经社进一步分析,当年英特尔曾采用与上海微电子类似的技术实现了55nm制程,但如今上海微电子只能实现90nm制程,“说明它在技术上大概率遇到了问题,比如卡在了光学系统、激光器或者最难做的光学镜头上”。

  实际上,在基础研发和产业积累都很薄弱的情况下,整个国产光刻机产业链仍很弱小。比如,最近准备冲刺科创板的“光刻机第一股”华卓精科,主要为上海微电子提供光刻机所需的双工件台。但招股书披露,公司在2017年、2018年形成小规模收入后,因为在研发上遇到问题,交付延期,导致2019年没有任何收入。

  业界认为,中国光刻机与全球老大ASML至少还有几十年差距。而产业界的缺失搅动起了资本圈。一位投资人向AI财经社透露,有某高校团队出来做的光刻机,每年营收加政府补贴才1亿元出头,技术距离先进水平很远,然而估值已到了80亿元,比有些估值虚高的AI独角兽还要高出很多倍。

  就算有了光刻机,芯片制造涉及数百种设备,比如离子注入机、刻蚀机等,虽然目前北方华创、中微半导体等企业做到了突破,但这些设备中超过一半的零部件也依赖进口。一位设备企业高管对AI财经社说,这样算下来,“可能芯片制造100道工序里国内能做10道”。

  上述人士进一步介绍,某A股上市国产半导体设备明星企业的技术水平被夸大,“连公司董事长自己都看不下去了”;某薄膜设备领军企业,量产不足几千台,这个领域还是被卡脖子卡得厉害;检测设备市场虽大,但精测设备刚刚起步,OCD设备差距还比较大。“总之,国产设备还有相当差距,企业也鱼龙混杂,一些企业不是搞技术的,纯粹折腾资本”。

  起大早赶晚集

  实际上,光刻并不是一种新工艺,早在1965年,中国就在用光刻技术制造芯片。如今光刻机的原理跟投影仪类似,以激光为刀,将设计好的电路图投射到硅片之上,在指甲盖大小的芯片上实现数百亿个晶体管的集成。

  上世纪70年代,国内清华大学精密仪器系、中国科学院光电技术研究所、中电科45所已经开始投入研制光刻机。

  在中国高考恢复的1977年,江苏吴县还专门举行了一场光刻机技术座谈会,这则几百字的会议消息刊登在一张微微泛白的报纸上。虽然内容简短,参会代表们达成了共识:光刻设备和工艺极为重要,要提高光刻机技术,以在半导体设备上赶超世界先进水平。

  

中国光刻机开发50年为何还落后国际7代以上

中国光刻机开发50年为何还落后国际7代以上

  同年,行业传来捷报,中国第一台GK—3型接触式光刻机诞生。这种光刻机相对粗糙,就是光罩直接压在硅片上,再用灯光照射,但光罩易变形,难以重复使用,还会造成污染。上世纪70年代初,美国、日本等国家已经研制出了更先进的1:1投影光刻机和分步投影光刻机,但这些技术要求苛刻,当时国内光刻工艺难以达到。

  为了追赶世界先进水平,原机电部45所投入研制,终于在1985年研制出第一台分步投影式光刻机。当时的电子部技术鉴定认为,这达到了1978年美国GCA公司推出的分步光刻机4800DSW的水平。表面上看,中国技术也就落后美国7年。但有行业人士指出,这些设备偏科研项目,没有经过产线验证,并不代表真实水平。

  在很长一段时间,国内研究成果在论文发表、专家评审后即被束之高阁,导致光刻机技术也长期停留在“纸上谈兵”的阶段。

  那一年,光刻机老大ASML刚成立一年,终于把办公地点从母公司飞利浦大厦紧挨垃圾桶的木棚房搬到新厂房。ASML脱胎于飞利浦实验室,早年想和美国光刻机企业GCA、P&E合作,但这些大佬都不理它,唯有一家叫ASM International 的荷兰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,没人能预料到,这个30人的小团队会在日后改写整个半导体行业。

  然而,国产光刻机刚有一点起色,很快就被时代的大浪拍倒在了沙滩上。上世纪80年代开始,随着改革开放的深入,越来越多的外国公司进入中国市场,当时国内奉行“造不如买,买不如租”。各地政府大量引进国外的半导体设备和产线,国内半导体技术自研陷入被动。

  1984年中国还实行了“拨改贷”政策,原来靠国家拨款的企业,转向银行贷款,一些科研项目因贷不到款而停滞。

  雪上加霜的是,1996年,以美国为首的西方国家签署了《瓦森纳协定》,对中国出口技术进行封锁。为了开辟一条生路,国内提出“以市场换技术”,大幅降低关税,导致国内集成电路产业,包括光刻机受到了狂风暴雨般的冲击。

  没有市场、没有资金,国产光刻机在上世纪90年代再未有更大进展。

  但在我国技术停滞不前的这段时间里,日韩在半导体行业加大投资、奋起直追。其中,日本半导体公司尼康就把美国光刻机企业SVG、Ultratech打得七零八落,占据了全球30%的半导体市场。随后日本国内的日立、佳能等企业也开始展露头角。

  星星之火

  2001年2月27日,中科院院士、北大微电子研究院院长王阳元教授在中南海作了关于《微电子科学技术和集成电路产业》的报告。上世纪70年代,王阳元曾主持研制成功我国第一块1024位随即存储器,是国内半导体行业的领军人物之一。这次报告让与会者对半导体的战略地位有了进一步理解。

  时任国务院副总理李岚清在报告结束后给出一个结论:集成电路是电子产品的“心脏”,没有先进的集成电路产业就没有先进的信息产业,因此,必须大力发展集成电路产业。这一结论无疑给中国芯片产业带来新生。

  同年,李岚清主持工作会议,下发了鼓励集成电路产业发展的文件。基于此,财政部、国家税务总局推出相关税收政策,产业和资本活跃起来。

  2002年,光刻机也正式列入“863重大科技攻关计划”。这一年,科技部和上海市政府共同牵头,国内多家企业共同组建了上海微电子,重点研发100nm步进扫描投影光刻机。

  时任上海电气总公司执行副总裁的贺荣明肩负起这个任务,带领团队走上了艰难的光刻机自主研发之路。

  1985年从同济大学毕业的贺荣明,进入上海机电工业管理局从事国外技术的引进。在此后的工作中,他体会到了“真正的核心技术是买不来的”。

  上海微电子刚成立时,贺荣明去欧洲谈光刻机技术合作,对方都把他当成“国际骗子”。“那种看我的眼神,我觉得很刺眼。现在想来,或许那算不上歧视,而是一个西方工程师在听说发展中国家也要搞光刻机时的正常反应。”一位德国工程师甚至对他扔下一句狠话:“就是给你们全套图纸,你们也做不出来!”

  实现光刻机自主,的确像一个有点不切实际的梦。媒体今天经常引用的一组数据是,“目前最先进的EUV光刻机,单台设备超过十万个零件,软管加起来就有两公里长。这么一台庞大的设备,重量足足有180吨,单次发货需要动用40个货柜、20辆卡车以及3架货机”。更不要说,研发涉及几百家公司的技术。而上海微电子几乎是一穷二白,要造出光刻机,难度无异于在沙漠上盖起一栋摩天大楼。

  光刻机霸主ASML也并不是凭一己之力崛起的。上世纪八九十年代,光刻机被光源卡在193nm长达20年。为了突破,英特尔说服了美国总统克林顿组织起一个EUV LLC联盟,集合了当时科技界大牛摩托罗拉、IBM以及美国三大国家实验室等。

  当时正值美日科技争霸,美国没有让日本企业加入,反而允许荷兰ASML共享研究成果。为表诚意,ASML在美国建了研发中心,还保证55%的零部件均从美国采购并定期接受审查。这也是如今荷兰公司ASML必须遵守美国规矩,不给中芯国际提供7nm EUV光刻机的根源。

  异常艰苦的条件下,2007年,上海微电子曾研制出一台90nm工艺的投影光刻机。但中科院微电子所官网一篇文章指出,由于这台机器大部分关键元器件是外国的,西方默契地对上海微电子禁运,样机成了摆设,无法投入商业化生产。

  于是,2008年国家启动了主攻装备、材料和工艺等配套能力的“02专项”,扶持国内光刻机产业链。除了上海微电子负责整机制造,还扶持了一批配套企业的研发:比如长春光电所、上海光电所和国科精密研究曝光光学系统,华卓精科承担双工件台,南大光电研制光刻胶,启尔机电负责突破DUV光刻机液浸系统等。

  一位光刻机资深从业人士记得,2010年左右,曾有国产光刻机产业界的人来拜访,提到国内已几十年没人做过准分子激光器,而这是光刻机的核心部件。当时国内连镜头的材料都做不出来,更别说做激光器了。“国内产业就是在这样薄弱的基础上做出了光刻机,是个奇迹。”

  如今,国产光刻机在艰难中已有了星星之火。12年的持续投入下,国内产业链在光源系统、曝光光学系统等方面取得突破。2016年,国科精密研发的国内首套用于高端 IC 制造的 NA=0.75 投影光刻机物镜系统、国望光学研发的首套90nm节点ArF投影光刻机曝光光学系统都已交付。

  但总的来说,这些成绩还不足以解决光刻机之痛。一位行业人士告诉AI财经,在国家启动的扶持芯片设备的02专项中,光刻机是花钱最多的项目,一投就是10多年, 但仍然没有做出比上海微电子90nm光刻机更先进的产品。而在90nm之后,还有65nm、45nm、28nm、22nm、14nm、10nm、7nm足足7代工艺,才算与全球先进水平持平。

  “之前花了10多年来趟路,也让我们发现,原先的做法,部分需要调整。”行业人士称,目前参与国内光刻机研发的有高校、企业和研究所,力量分散,而选择的技术路径难度也过高。

  从技术路径来说,ASML主要生产两类光刻机——193nm光源光刻机和EUV光刻机。193nm光源光刻机只能做到7nm制程,往下需要EUV光刻机。但EUV涉及的技术和零部件是全球化的,且2018年至今全球出货量总计只有57台。“在西方制定协议对我国进行技术封锁的情况下,做科研可以,但在EUV这条路做商业化既困难又得不偿失。”上述行业人士认为,“我们不妨先把193nm光源光刻机做好。”

  同时,行业人士提出,当下更要补齐我国在光刻机领域人才的缺失。2000年初,大批留学的半导体人士怀揣家国情怀选择回国发展,带来了一个繁荣的产业开端,但可惜的是后期人才培育没有跟上步伐。“总想着靠钱挖人,这并不能建起一个扎实的产业人才基础。”

  另一位资深人士指出,光刻机需要与产业紧密结合。中芯国际目前先进工艺采用的是ASML的光刻机,而非选择与上海微电子共研,支持最新工艺的光刻机。而中芯国际则表达了生存和追赶目标下的不得已。但芯片制造卡脖子之痛,会让产业链企业对国产设备比之前更为重视。

  光刻机只是中国无芯之痛的一个缩影,背后折射出的是整个产业追赶的艰难。“在种种困难之下,除了卧薪尝胆,加强研发,别无捷径。”一位从业几十年的行业人士说。

  光刻机产业落后很大程度上是此前策略导致的,最近两年芯片行业发生的事件是一记警钟,更是一剂强心剂。当人们认清光刻机的重要性后,随着策略的调整、资本的投入以及产业链更清晰的合作,国产光刻机将有希望一步步实现突围。

来源:AI财经社

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