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(nèi)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(dǎo)體工業(yè)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(chǎn)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(nèi)能量產(chǎn)的是90納米工藝節(jié)點的光刻機，較國外落后了數(shù)個技術(shù)代。

整個芯片制造過程，可能需要數(shù)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(chǎn)環(huán)節(jié)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(shè)備究竟卡在哪？我們能否像當年攻關(guān)“兩彈一星”一樣實現(xiàn)光刻機的國產(chǎn)替代？

光刻機被“卡脖子”，卡在哪？

光刻技術(shù)的原理并不復(fù)雜。光源通過透鏡，將掩膜版上的芯片設(shè)計版圖投影到晶圓上。這有點像上學(xué)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(fā)生化學(xué)反應(yīng)溶解。這樣就在晶圓上顯現(xiàn)出芯片設(shè)計的“施工圖”，再經(jīng)過刻蝕、離子注入等一系列操作，形成具有導(dǎo)電性能的“樣板房”。

光刻技術(shù)早在1960年代就被發(fā)明出來，但直到1978年，美國GCA公司才推出現(xiàn)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(fā)展總體沿著步進式的路線不斷向前。根據(jù)光刻機選用光的種類、透鏡鏡頭數(shù)值孔徑的不同，光刻的精度在不斷提高。

國內(nèi)一位光刻技術(shù)領(lǐng)域的權(quán)威專家對《中國新聞周刊》解釋說，先進的光刻技術(shù)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(jù)阿斯麥官網(wǎng)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(shù)量到達160片。在其官網(wǎng)對于先進的光刻技術(shù)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(diào)整位置20000次。但過程中，不能產(chǎn)生絲毫振動，這對于生產(chǎn)出合格的芯片至關(guān)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(shù)權(quán)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(chǎn)的線寬要求是10納米，機器產(chǎn)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(shù)值孔徑。光刻機發(fā)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(fā)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(yīng)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(chǎn)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(nèi)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(fā)出了一套反射鏡面系統(tǒng)，并將光源置于真空中。這一系統(tǒng)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(nèi)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(fā)射到地球，光斑只能有1枚硬幣大小。

在前述光刻技術(shù)權(quán)威專家看來，高端光刻機目前難以實現(xiàn)替代，還在于制造企業(yè)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(yè)巨頭飛利浦的一個部門，后和荷蘭一家芯片行業(yè)設(shè)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(yè)界和學(xué)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(chuàng)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(fā)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(fā)出極紫外光刻機，2016年量產(chǎn)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(diào)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(yīng)商，形成“你中有我，我中有你”的格局。有評論稱，這樣的共生關(guān)系比結(jié)婚還糟糕，因為不能離婚。

如今因為一些外部大環(huán)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(xiàn)1990年代國內(nèi)芯片制造商更青睞國外光刻機，進而造成自主研發(fā)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(fā)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(fā)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(chǎn)品使用的“入場券”。這三家也占據(jù)了2021年阿斯麥極紫外光刻機業(yè)務(wù)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(fā)適用于兩納米節(jié)點工藝的新一代極紫外光刻機，預(yù)計2025年底送抵客戶工廠用于生產(chǎn)。ED796739-2273-4568-B58F-5E60EC171C49

“阿斯麥光刻機的國產(chǎn)替代還有用戶習(xí)慣的問題。如果用戶已經(jīng)習(xí)慣了原有光刻機，國產(chǎn)光刻機研制出來，用戶可能不大愿意用，替換門檻會很高?！鼻笆龉饪填I(lǐng)域?qū)＜艺f。清華大學(xué)集成電路學(xué)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(tǒng)等各方面是一個綜合協(xié)同的體系。制造時，成本、性能都要綜合考量。

國產(chǎn)替代該如何做？

中國光刻機的研發(fā)也從1960年代起步。1966年，中科院109廠與上海光學(xué)儀器廠協(xié)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(shè)備廠生產(chǎn)并向全國推廣。

1974年9月，國家計委在北京召開全國大規(guī)模集成電路及其基礎(chǔ)材料大會戰(zhàn)會議，要求在1974至1976年會戰(zhàn)期間，突破大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)、設(shè)備制造和基礎(chǔ)材料的技術(shù)關(guān)鍵。

1977年，上海光學(xué)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(yè)部45所經(jīng)過6年努力，研發(fā)出步進式光刻機，較美國同類型產(chǎn)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(shù)專家說，1990年代前，國內(nèi)一直在持續(xù)研究，并追趕國外的光刻技術(shù)。雖然和國外的產(chǎn)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(chǎn)品的引進，再加上當時國內(nèi)經(jīng)濟條件有限，很多關(guān)于光刻機的科研項目都逐漸停止。不光是光刻機，國內(nèi)集成電路的發(fā)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(guī)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(fā)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(fā)的90納米工藝節(jié)點光刻機已經(jīng)投入使用，預(yù)計這一兩年會提交首臺28納米節(jié)點的國產(chǎn)浸沒式光刻機。但即便交付，這一產(chǎn)品還要經(jīng)過驗證，距離真正上生產(chǎn)線，還需要一到兩年。2017年，長春光機所的“極紫外光刻關(guān)鍵技術(shù)研究”重大科技專項通過驗收。去年2月，清華大學(xué)團隊報告了“穩(wěn)態(tài)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(jié)構(gòu)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(chuàng)新在于將溝道縱向鋪設(shè)，也就是說，源級和漏級之間搭建出一個“臺階”。“臺階”內(nèi)部設(shè)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(chǔ)。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(chǎn)業(yè)化，還要考慮成品率、成本等一系列工業(yè)化過程中的實際問題。

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

實業(yè)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(xiàn)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(guān)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(yīng)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(shù)的專利公開，用以提高芯片堆疊封裝結(jié)構(gòu)的散熱效率。今年3月，華為舉行的2021年報發(fā)布會上，輪值董事長郭平回應(yīng)說，“在先進工藝不可獲得的情況下，單點技術(shù)不可獲得的情況下，我們尋找系統(tǒng)的突破。通信產(chǎn)品采用多核的結(jié)構(gòu)，為芯片注入新的生命力。”

在前述光刻技術(shù)專家看來，芯片堆疊在一定程度上可以實現(xiàn)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(shè)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(nèi)能夠生產(chǎn)出14納米制程的芯片。而且，國內(nèi)有堆疊技術(shù)，國外同樣有，如果國外將先進制程的芯片堆疊，技術(shù)依然會領(lǐng)先。

關(guān)于能否像當初舉國體制“兩彈一星”攻關(guān)一樣，做出光刻機。該專家分析說，理論上是可以實現(xiàn)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(guān)，一定要做出來，相當于鎮(zhèn)國神器，不涉及市場的問題。而后者，是面向市場的民用產(chǎn)品，講求穩(wěn)定性。這就好比國產(chǎn)大飛機和戰(zhàn)斗機的區(qū)別，對二者的要求和二者面臨的現(xiàn)實環(huán)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(yīng)商研制而成的高端光刻機本來就是一個高度集中的領(lǐng)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(zhàn)成名后，曾經(jīng)的“大哥”尼康就喪失了先機，再到之后研發(fā)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(zhàn)場。

任天令說，對于光刻機的研發(fā)，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(chǎn)出就會受到波及。

前述光刻技術(shù)專家分析說，從每個企業(yè)的角度來講，光刻機研發(fā)周期長，涉及全球供應(yīng)鏈，企業(yè)在自主研發(fā)時是沒有底氣的。再者，雖然中國可以自產(chǎn)90納米工藝光刻機，但實際上，很多企業(yè)只買了一兩臺試用或作為備用，“并沒有達到我們當初的設(shè)想”，即實現(xiàn)大規(guī)模的國產(chǎn)替代。在他看來，如今因為一些外部大環(huán)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(xiàn)1990年代國內(nèi)芯片制造商更青睞國外光刻機，進而造成自主研發(fā)停滯的情景?！皣腋嗫紤]的是戰(zhàn)略層面，如果未來限制放開，國產(chǎn)光刻機品牌能否活得下去？”因此，光刻機的研發(fā)既關(guān)系到國家戰(zhàn)略，又涉及市場的問題，需要全盤考慮。

該專家分析說，現(xiàn)在集舉國之力的攻關(guān)，與幾十年前也不可同日而語。當年，沒有文章、科研經(jīng)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(yōu)勢，將最尖端人才聚攏在一起，科研經(jīng)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(guān)，實現(xiàn)國產(chǎn)替代來講，一方面，不能只追求簡單的技術(shù)替代，要在研發(fā)過程中有所創(chuàng)新;另一方面，也要想辦法融入到全球的供應(yīng)鏈中，想方設(shè)法和阿斯麥這樣的企業(yè)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(jù)機構(gòu)預(yù)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(yè)界需要考量的問題。ED796739-2273-4568-B58F-5E60EC171C49