今天能否像研制“兩彈一星”那樣攻克光刻機？

杜瑋

圖/視覺中國

2018年，國內芯片制造商中芯國際花費超過1億美元訂購一款極紫外光刻機，之后因為美方阻撓而不可得。這一“半導體工業皇冠上的明珠”的重要性由此凸顯。極紫外光刻機（EUV）能完成7納米以下先進工藝的雕刻，荷蘭的阿斯麥公司是這一類型光刻機的全球獨家生產商。沒有先進光刻機，就意味著華為先進制程的手機芯片難以制造。而目前，國內能量產的是90納米工藝節點的光刻機，較國外落后了數個技術代。

整個芯片制造過程，可能需要數十次光刻，光刻工藝成本約為整個芯片制造工藝的30%，耗時占整個芯片生產環節的 40%～50%。光刻機是芯片“出生”過程中必不可少的工具。

一直以來，讓公眾有疑問的是，這一“卡脖子”的設備究竟卡在哪？我們能否像當年攻關“兩彈一星”一樣實現光刻機的國產替代？

光刻機被“卡脖子”，卡在哪？

光刻技術的原理并不復雜。光源通過透鏡，將掩膜版上的芯片設計版圖投影到晶圓上。這有點像上學時，老師將幻燈片投影到幕布上。晶圓上涂抹著對光刻敏感的光刻膠，被光照到的部分，光刻膠會發生化學反應溶解。這樣就在晶圓上顯現出芯片設計的“施工圖”，再經過刻蝕、離子注入等一系列操作，形成具有導電性能的“樣板房”。

光刻技術早在1960年代就被發明出來，但直到1978年，美國GCA公司才推出現代意義的自動化步進式光刻機。所謂步進式，就是每次曝光時，不曝光整個晶圓，而是一部分一部分地曝光。在這過程中，晶圓臺不斷移動。此后，光刻機的發展總體沿著步進式的路線不斷向前。根據光刻機選用光的種類、透鏡鏡頭數值孔徑的不同，光刻的精度在不斷提高。

國內一位光刻技術領域的權威專家對《中國新聞周刊》解釋說，先進的光刻技術之所以難以替代，一方面在于光刻的高精度，一方面是高速度。根據阿斯麥官網介紹，其最新一款勝任3納米和5納米制程的極紫外光刻機，每小時曝光的12英寸晶圓數量到達160片。在其官網對于先進的光刻技術這樣寫道：掩膜版和晶圓臺要保持超高速同步行動，二者的運動方向相反。由于掩膜版上比晶圓片上圖案要大，因此二者要分別以15g和5g的加速度施展“凌波微步”，這比噴氣式飛機起飛時加速度還大。每次曝光，晶圓臺以納米級的精度移動，每秒檢測和調整位置20000次。但過程中，不能產生絲毫振動，這對于生產出合格的芯片至關重要。阿斯麥最新款極紫外光刻機的“身價”不菲，售價達2億美元。

前述光刻技術權威專家說，以阿斯麥最先進的極紫外光刻機為例，如果芯片生產的線寬要求是10納米，機器產生的偏差要不超過10%，即1納米，線寬要保證非常均勻。再者，芯片通常是一層層平面工藝堆疊而成，層與層間套刻、對準的偏差不能超過兩個納米。

按照計算光刻機分辨率的公式，想要提升光刻機的精準度，就要減小光的波長，提高鏡頭的數值孔徑。光刻機發明至今，光源從波長436納米的藍光一路演進到不可見的極紫外光。阿斯麥極紫外光刻機光源波長為13.5納米，僅相當于人類頭發直徑的萬分之一，比上一代光刻機193納米的波長減少了90%。后者正屬于目前市面上應用最廣的深紫外光刻機（DUV），這一類光刻機中國并沒有被限制進口。

極紫外光由二氧化碳激光器每秒2次、不間斷地轟擊錫金屬液滴而產生，因為只有5%的光子最終能抵達晶圓。錫金屬液滴以每秒50000滴頻率從機器內噴出。極紫外光極易被透鏡吸收，連空氣都不放過它。因此，阿斯麥開發出了一套反射鏡面系統，并將光源置于真空中。這一系統對鏡面平整度的要求極高，如果鏡子有德國面積那么大，境內最高點的海拔不能超過1毫米。臺積電曾描述過極紫外光刻機對于光照精準度的要求：一束激光從月球發射到地球，光斑只能有1枚硬幣大小。

在前述光刻技術權威專家看來，高端光刻機目前難以實現替代，還在于制造企業筑造的堅固的市場壁壘。阿斯麥于1984年成立，原本只是電子行業巨頭飛利浦的一個部門，后和荷蘭一家芯片行業設備制造商合并而成，同年推出了一款步進式光刻機。那時候，全球光刻機市場的霸主們一開始是美國公司，日本的尼康、佳能后來雙雄崛起，剛成立的阿斯麥還只是名“小弟”，市場份額大約只有10%。

1990年代，市場上的主流光刻機采用的還是193納米波長。業界和學界都在探討如何進一步減小光源波長，從而使光刻機的分辨率提高，但各種嘗試都以失敗告終。臺積電的工程師林本堅2002年提出了一個創意，說起來再簡單不過，即在透鏡和光刻膠間加1毫米厚的水，利用光的折射原理，可將193納米波長折射為134納米。臺積電選擇與阿斯麥合作，共同研發出以此為原理的浸入式光刻機，令阿斯麥一舉后來者居上。此后，阿斯麥又歷時17年，投資超過60億歐元研發出極紫外光刻機，2016年量產投入使用，徹底奠定了其“武林盟主”的地位。

阿斯麥極紫外光刻機由七大模塊組成，每一模塊由阿斯麥位于全球的60個工廠制造，之后再運往總部組裝、調試。其總重達180噸，有一輛公交車大小，由10萬多個零部件組成。整個機器拆下來裝運，要20輛卡車，或三架滿載的波音747飛機。其零部件來自全球近800家供應商，形成“你中有我，我中有你”的格局。有評論稱，這樣的共生關系比結婚還糟糕，因為不能離婚。

如今因為一些外部大環境問題，光刻機被“卡脖子”，但如果未來有一天放開，還可能會再度出現1990年代國內芯片制造商更青睞國外光刻機，進而造成自主研發停滯的情景。

2013年，阿斯麥收購了位于美國圣地亞哥的光源制造商Cymer公司，以加速極紫外光刻發展。2016年，又以10億歐元獲取德國鏡頭制造商蔡司旗下子公司24.9%的股份。更早2012年，為了研發極紫外光刻機，英特爾、臺積電、三星一起入股阿斯麥，注資超過64億美元，用于獲得最尖端產品使用的“入場券”。這三家也占據了2021年阿斯麥極紫外光刻機業務量的84%。這也是美國得以限制阿斯麥向中國出口先進光刻機的重要原因。目前，阿斯麥還在研發適用于兩納米節點工藝的新一代極紫外光刻機，預計2025年底送抵客戶工廠用于生產。ED796739-2273-4568-B58F-5E60EC171C49

“阿斯麥光刻機的國產替代還有用戶習慣的問題。如果用戶已經習慣了原有光刻機，國產光刻機研制出來，用戶可能不大愿意用，替換門檻會很高。”前述光刻領域專家說。清華大學集成電路學院教授任天令對《中國新聞周刊》分析說，光刻機制造門檻很高，在于其從材料、器件到控制系統等各方面是一個綜合協同的體系。制造時，成本、性能都要綜合考量。

國產替代該如何做？

中國光刻機的研發也從1960年代起步。1966年，中科院109廠與上海光學儀器廠協作，研制成功中國首臺65型接觸式光刻機，由上海無線電專用設備廠生產并向全國推廣。

1974年9月，國家計委在北京召開全國大規模集成電路及其基礎材料大會戰會議，要求在1974至1976年會戰期間，突破大規模集成電路工藝技術、設備制造和基礎材料的技術關鍵。

1977年，上海光學機械廠研制出我國第一代半自動接近式光刻機。到1985年，電子工業部45所經過6年努力，研發出步進式光刻機，較美國同類型產品晚了7年。1990年，中科院光電所的全自動步進式投影光刻機“亮相”，極限分辨率能達0.8微米。

前述光刻技術專家說，1990年代前，國內一直在持續研究，并追趕國外的光刻技術。雖然和國外的產品有差距，但差距不大。到1990年代，隨著國門大開，國外更成熟產品的引進，再加上當時國內經濟條件有限，很多關于光刻機的科研項目都逐漸停止。不光是光刻機，國內集成電路的發展和國外拉開差距，大體都始于上世紀90年代。

一直到2008年，國家科技重大專項“極大規模集成電路制造裝備及成套工藝”項目（又稱02專項）開始實施，光刻機的研發才又被真正重新重視起來。

到目前為止，上海微電子裝備有限公司研發的90納米工藝節點光刻機已經投入使用，預計這一兩年會提交首臺28納米節點的國產浸沒式光刻機。但即便交付，這一產品還要經過驗證，距離真正上生產線，還需要一到兩年。2017年，長春光機所的“極紫外光刻關鍵技術研究”重大科技專項通過驗收。去年2月，清華大學團隊報告了“穩態微聚束”首個原理驗證實驗，這對于輸出大功率、更短波長的極紫外光源提供一種新思路。

今年3月，任天令團隊制備出一種具有垂直結構的、世界上最小柵極長度的晶體管。以往，晶體管源級和漏級水平排列，中間是溝道，柵極依附其上。任天令團隊的創新在于將溝道縱向鋪設，也就是說，源級和漏級之間搭建出一個“臺階”。“臺階”內部設置水平放置的超薄單原子石墨烯層，厚度為0.34納米。這可以減少晶體管尺寸受制于源、漏間水平間距的影響，為制備更小尺寸的晶體管奠定基礎。一些自媒體甚至認為，制造這樣極小柵極的晶體管，可以避開光刻工藝。任天令對《中國新聞周刊》解釋說，晶體管的尺寸有兩個維度，一類是以柵極為代表的特征尺寸，一種是晶體管的整體尺寸。目前，他們的成果縮減了前者，但要想進一步縮小晶體管的整體尺寸，仍要靠光刻機。而研究成果從實驗室走向產業化，還要考慮成品率、成本等一系列工業化過程中的實際問題。

2021年3月17日，上海，2021中國國際半導體展會上的晶圓展品。圖/視覺中國

實業界探討的另一種替代方案，則是芯片堆疊。也就是說，用多個最強大腦一齊思考，以達到以多對一，實現同等芯片性能的效果。今年5月，華為公布了兩項芯片堆疊相關專利。一項是“一種多芯片堆疊封裝及制作方法”，用來解決多芯片的應力集中問題，從而進行更多層芯片堆疊;另一項用于將多個副芯片鍵合在同一主芯片堆疊單元上。更早在2012年，華為便已對芯片堆疊技術的專利公開，用以提高芯片堆疊封裝結構的散熱效率。今年3月，華為舉行的2021年報發布會上，輪值董事長郭平回應說，“在先進工藝不可獲得的情況下，單點技術不可獲得的情況下，我們尋找系統的突破。通信產品采用多核的結構，為芯片注入新的生命力。”

在前述光刻技術專家看來，芯片堆疊在一定程度上可以實現晶體管密度的等效增加，但從性能角度講，很多時候達不到同等效果。再者，假設兩個14納米制程的芯片堆疊可以達到7納米芯片的同等效能，這么做的前提是國內能夠生產出14納米制程的芯片。而且，國內有堆疊技術，國外同樣有，如果國外將先進制程的芯片堆疊，技術依然會領先。

關于能否像當初舉國體制“兩彈一星”攻關一樣，做出光刻機。該專家分析說，理論上是可以實現的。但要注意的是，“兩彈一星”和光刻機是兩種不同類型的科研成果。前者 “國外也不會賣給我們”，可以不計成本攻關，一定要做出來，相當于鎮國神器，不涉及市場的問題。而后者，是面向市場的民用產品，講求穩定性。這就好比國產大飛機和戰斗機的區別，對二者的要求和二者面臨的現實環境是不一樣的。從全球分工和市場角度來講，集納了全球供應商研制而成的高端光刻機本來就是一個高度集中的領域，這一市場很難容得下第二家公司。當年，阿斯麥在浸入式光刻機一戰成名后，曾經的“大哥”尼康就喪失了先機，再到之后研發極紫外光刻機，由于前途未卜且投資巨大，尼康直接放棄，退出了戰場。

任天令說，對于光刻機的研發，堅持是最重要的，如果過程中，因為各種原因影響了我們的堅持，最終的產出就會受到波及。

前述光刻技術專家分析說，從每個企業的角度來講，光刻機研發周期長，涉及全球供應鏈，企業在自主研發時是沒有底氣的。再者，雖然中國可以自產90納米工藝光刻機，但實際上，很多企業只買了一兩臺試用或作為備用，“并沒有達到我們當初的設想”，即實現大規模的國產替代。在他看來，如今因為一些外部大環境問題，光刻機被“卡脖子”，但如果未來有一天放開，還可能會再度出現1990年代國內芯片制造商更青睞國外光刻機，進而造成自主研發停滯的情景。“國家更多考慮的是戰略層面，如果未來限制放開，國產光刻機品牌能否活得下去？”因此，光刻機的研發既關系到國家戰略，又涉及市場的問題，需要全盤考慮。

該專家分析說，現在集舉國之力的攻關，與幾十年前也不可同日而語。當年，沒有文章、科研經費的考核，沒有太多誘惑，科研工作者可以靜下心來研究;如今，如何利用國家的體制和行政優勢，將最尖端人才聚攏在一起，科研經費如何分配，蛋糕誰來切，怎么切，這需要新型舉國體制的支撐。從光刻機自主攻關，實現國產替代來講，一方面，不能只追求簡單的技術替代，要在研發過程中有所創新;另一方面，也要想辦法融入到全球的供應鏈中，想方設法和阿斯麥這樣的企業形成良性的互動和雙贏。

而隨著芯片制程的不斷演進，投資一家晶圓廠的花費也越來越高，據機構預測，一座5納米的晶圓廠投資額高達160億美元，阿斯麥未來的一代極紫外光刻機售價要3億美元。成本高企，使得摩爾定律也越來越難以走下去。這也是未來業界需要考量的問題。ED796739-2273-4568-B58F-5E60EC171C49