光刻机有着极高的技术及市场壁垒
光刻机的研发既关系到国家战略
又涉及市场的问题，需要全盘考虑
本刊记者/杜玮
2018年，国内芯片制造商中芯国际花费超过1亿美元订购一款极紫外光刻机，之后因为美方阻挠而不可得。这一“半导体工业皇冠上的明珠”的重要性由此凸显。极紫外光刻机（EUV）能完成7纳米以下先进工艺的雕刻，荷兰的阿斯麦公司是这一类型光刻机的全球独家生产商。没有先进光刻机，就意味着华为先进制程的手机芯片难以制造。而目前，国内能量产的是90纳米工艺节点的光刻机，较国外落后了数个技术代。
整个芯片制造过程，可能需要数十次光刻，光刻工艺成本约为整个芯片制造工艺的30%，耗时占整个芯片生产环节的 40%~50%。光刻机是芯片“出生”过程中必不可少的工具。
一直以来，让公众有疑问的是，这一“卡脖子”的设备究竟卡在哪？我们能否像当年攻关“两弹一星”一样实现光刻机的国产替代？
图/视觉中国
光刻机被“卡脖子”，卡在哪？
光刻技术的原理并不复杂。光源通过透镜，将掩膜版上的芯片设计版图投影到晶圆上。这有点像上学时，老师将幻灯片投影到幕布上。晶圆上涂抹着对光刻敏感的光刻胶，被光照到的部分，光刻胶会发生化学反应溶解。这样就在晶圆上显现出芯片设计的“施工图”，再经过刻蚀、离子注入等一系列操作，形成具有导电性能的“样板房”。
光刻技术早在1960年代就被发明出来，但直到1978年，美国GCA公司才推出现代意义的自动化步进式光刻机。所谓步进式，就是每次曝光时，不曝光整个晶圆，而是一部分一部分地曝光。在这过程中，晶圆台不断移动。此后，光刻机的发展总体沿着步进式的路线不断向前。根据光刻机选用光的种类、透镜镜头数值孔径的不同，光刻的精度在不断提高。
国内一位光刻技术领域的权威专家对《中国新闻周刊》解释说，先进的光刻技术之所以难以替代，一方面在于光刻的高精度，一方面是高速度。根据阿斯麦官网介绍，其最新一款胜任3纳米和5纳米制程的极紫外光刻机，每小时曝光的12英寸晶圆数量到达160片。在其官网对于先进的光刻技术这样写道：掩膜版和晶圆台要保持超高速同步行动，二者的运动方向相反。由于掩膜版上比晶圆片上图案要大，因此二者要分别以15g和5g的加速度施展“凌波微步”，这比喷气式飞机起飞时加速度还大。每次曝光，晶圆台以纳米级的精度移动，每秒检测和调整位置20000次。但过程中，不能产生丝毫振动，这对于生产出合格的芯片至关重要。阿斯麦最新款极紫外光刻机的“身价”不菲，售价达2亿美元。
前述光刻技术权威专家说，以阿斯麦最先进的极紫外光刻机为例，如果芯片生产的线宽要求是10纳米，机器产生的偏差要不超过10%，即1纳米，线宽要保证非常均匀。再者，芯片通常是一层层平面工艺堆叠而成，层与层间套刻、对准的偏差不能超过两个纳米。
按照计算光刻机分辨率的公式，想要提升光刻机的精准度，就要减小光的波长，提高镜头的数值孔径。光刻机发明至今，光源从波长436纳米的蓝光一路演进到不可见的极紫外光。阿斯麦极紫外光刻机光源波长为13.5纳米，仅相当于人类头发直径的万分之一，比上一代光刻机193纳米的波长减少了90%。后者正属于目前市面上应用最广的深紫外光刻机（DUV），这一类光刻机中国并没有被限制进口。
极紫外光由二氧化碳激光器每秒2次、不间断地轰击锡金属液滴而产生，因为只有5%的光子最终能抵达晶圆。锡金属液滴以每秒50000滴频率从机器内喷出。极紫外光极易被透镜吸收，连空气都不放过它。因此，阿斯麦开发出了一套反射镜面系统，并将光源置于真空中。这一系统对镜面平整度的要求极高，如果镜子有德国面积那么大，境内最高点的海拔不能超过1毫米。台积电曾描述过极紫外光刻机对于光照精准度的要求：一束激光从月球发射到地球，光斑只能有1枚硬币大小。
在前述光刻技术权威专家看来，高端光刻机目前难以实现替代，还在于制造企业筑造的坚固的市场壁垒。阿斯麦于1984年成立，原本只是电子行业巨头飞利浦的一个部门，后和荷兰一家芯片行业设备制造商合并而成，同年推出了一款步进式光刻机。那时候，全球光刻机市场的霸主们一开始是美国公司，日本的尼康、佳能后来双雄崛起，刚成立的阿斯麦还只是名“小弟”，市场份额大约只有10%。
1990年代，市场上的主流光刻机采用的还是193纳米波长。业界和学界都在探讨如何进一步减小光源波长，从而使光刻机的分辨率提高，但各种尝试都以失败告终。台积电的工程师林本坚2002年提出了一个创意，说起来再简单不过，即在透镜和光刻胶间加1毫米厚的水，利用光的折射原理，可将193纳米波长折射为134纳米。台积电选择与阿斯麦合作，共同研发出以此为原理的浸入式光刻机，令阿斯麦一举后来者居上。此后，阿斯麦又历时17年，投资超过60亿欧元研发出极紫外光刻机，2016年量产投入使用，彻底奠定了其“武林盟主”的地位。
阿斯麦极紫外光刻机由七大模块组成，每一模块由阿斯麦位于全球的60个工厂制造，之后再运往总部组装、调试。其总重达180吨，有一辆公交车大小，由10万多个零部件组成。整个机器拆下来装运，要20辆卡车，或三架满载的波音747飞机。其零部件来自全球近800家供应商，形成“你中有我，我中有你”的格局。有评论称，这样的共生关系比结婚还糟糕，因为不能离婚。
2013年，阿斯麦收购了位于美国圣地亚哥的光源制造商Cymer公司，以加速极紫外光刻发展。2016年，又以10亿欧元获取德国镜头制造商蔡司旗下子公司24.9%的股份。更早2012年，为了研发极紫外光刻机，英特尔、台积电、三星一起入股阿斯麦，注资超过64亿美元，用于获得最尖端产品使用的“入场券”。这三家也占据了2021年阿斯麦极紫外光刻机业务量的84%。这也是美国得以限制阿斯麦向中国出口先进光刻机的重要原因。目前，阿斯麦还在研发适用于两纳米节点工艺的新一代极紫外光刻机，预计2025年底送抵客户工厂用于生产。
“阿斯麦光刻机的国产替代还有用户习惯的问题。如果用户已经习惯了原有光刻机，国产光刻机研制出来，用户可能不大愿意用，替换门槛会很高。”前述光刻领域专家说。清华大学集成电路学院教授任天令对《中国新闻周刊》分析说，光刻机制造门槛很高，在于其从材料、器件到控制系统等各方面是一个综合协同的体系。制造时，成本、性能都要综合考量。
国产替代该如何做？
中国光刻机的研发也从1960年代起步。1966年，中科院109厂与上海光学仪器厂协作，研制成功中国首台65型接触式光刻机，由上海无线电专用设备厂生产并向全国推广。
1974年9月，国家计委在北京召开全国大规模集成电路及其基础材料大会战会议，要求在1974至1976年会战期间，突破大规模集成电路工艺技术、设备制造和基础材料的技术关键。
1977年，上海光学机械厂研制出我国第一代半自动接近式光刻机。到1985年，电子工业部45所经过6年努力，研发出步进式光刻机，较美国同类型产品晚了7年。1990年，中科院光电所的全自动步进式投影光刻机“亮相”，极限分辨率能达0.8微米。
前述光刻技术专家说，1990年代前，国内一直在持续研究，并追赶国外的光刻技术。虽然和国外的产品有差距，但差距不大。到1990年代，随着国门大开，国外更成熟产品的引进，再加上当时国内经济条件有限，很多关于光刻机的科研项目都逐渐停止。不光是光刻机，国内集成电路的发展和国外拉开差距，大体都始于上世纪90年代。
一直到2008年，国家科技重大专项“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”项目（又称02专项）开始实施，光刻机的研发才又被真正重新重视起来。
到目前为止，上海微电子装备有限公司研发的90纳米工艺节点光刻机已经投入使用，预计这一两年会提交首台28纳米节点的国产浸没式光刻机。但即便交付，这一产品还要经过验证，距离真正上生产线，还需要一到两年。2017年，长春光机所的“极紫外光刻关键技术研究”重大科技专项通过验收。去年2月，清华大学团队报告了“稳态微聚束”首个原理验证实验，这对于输出大功率、更短波长的极紫外光源提供一种新思路。
今年3月，任天令团队制备出一种具有垂直结构的、世界上最小栅极长度的晶体管。以往，晶体管源级和漏级水平排列，中间是沟道，栅极依附其上。任天令团队的创新在于将沟道纵向铺设，也就是说，源级和漏级之间搭建出一个“台阶”。“台阶”内部设置水平放置的超薄单原子石墨烯层，厚度为0.34纳米。这可以减少晶体管尺寸受制于源、漏间水平间距的影响，为制备更小尺寸的晶体管奠定基础。一些自媒体甚至认为，制造这样极小栅极的晶体管，可以避开光刻工艺。任天令对《中国新闻周刊》解释说，晶体管的尺寸有两个维度，一类是以栅极为代表的特征尺寸，一种是晶体管的整体尺寸。目前，他们的成果缩减了前者，但要想进一步缩小晶体管的整体尺寸，仍要靠光刻机。而研究成果从实验室走向产业化，还要考虑成品率、成本等一系列工业化过程中的实际问题。
2021年3月17日，上海，2021中国国际半导体展会上的晶圆展品。图/视觉中国
实业界探讨的另一种替代方案，则是芯片堆叠。也就是说，用多个最强大脑一齐思考，以达到以多对一，实现同等芯片性能的效果。今年5月，华为公布了两项芯片堆叠相关专利。一项是“一种多芯片堆叠封装及制作方法”，用来解决多芯片的应力集中问题，从而进行更多层芯片堆叠；另一项用于将多个副芯片键合在同一主芯片堆叠单元上。更早在2012年，华为便已对芯片堆叠技术的专利公开，用以提高芯片堆叠封装结构的散热效率。今年3月，华为举行的2021年报发布会上，轮值董事长郭平回应说，“在先进工艺不可获得的情况下，单点技术不可获得的情况下，我们寻找系统的突破。通信产品采用多核的结构，为芯片注入新的生命力。”
在前述光刻技术专家看来，芯片堆叠在一定程度上可以实现晶体管密度的等效增加，但从性能角度讲，很多时候达不到同等效果。再者，假设两个14纳米制程的芯片堆叠可以达到7纳米芯片的同等效能，这么做的前提是国内能够生产出14纳米制程的芯片。而且，国内有堆叠技术，国外同样有，如果国外将先进制程的芯片堆叠，技术依然会领先。
关于能否像当初举国体制“两弹一星”攻关一样，做出光刻机。该专家分析说，理论上是可以实现的。但要注意的是，“两弹一星”和光刻机是两种不同类型的科研成果。前者“国外也不会卖给我们”，可以不计成本攻关，一定要做出来，相当于镇国神器，不涉及市场的问题。而后者，是面向市场的民用产品，讲求稳定性。这就好比国产大飞机和战斗机的区别，对二者的要求和二者面临的现实环境是不一样的。从全球分工和市场角度来讲，集纳了全球供应商研制而成的高端光刻机本来就是一个高度集中的领域，这一市场很难容得下第二家公司。当年，阿斯麦在浸入式光刻机一战成名后，曾经的“大哥”尼康就丧失了先机，再到之后研发极紫外光刻机，由于前途未卜且投资巨大，尼康直接放弃，退出了战场。
任天令说，对于光刻机的研发，坚持是最重要的，如果过程中，因为各种原因影响了我们的坚持，最终的产出就会受到波及。
前述光刻技术专家分析说，从每个企业的角度来讲，光刻机研发周期长，涉及全球供应链，企业在自主研发时是没有底气的。再者，虽然中国可以自产90纳米工艺光刻机，但实际上，很多企业只买了一两台试用或作为备用，“并没有达到我们当初的设想”，即实现大规模的国产替代。在他看来，如今因为一些外部大环境问题，光刻机被“卡脖子”，但如果未来有一天放开，还可能会再度出现1990年代国内芯片制造商更青睐国外光刻机，进而造成自主研发停滞的情景。“国家更多考虑的是战略层面，如果未来限制放开，国产光刻机品牌能否活得下去？”因此，光刻机的研发既关系到国家战略，又涉及市场的问题，需要全盘考虑。
该专家分析说，现在集举国之力的攻关，与几十年前也不可同日而语。当年，没有文章、科研经费的考核，没有太多诱惑，科研工作者可以静下心来研究；如今，如何利用国家的体制和行政优势，将最尖端人才聚拢在一起，科研经费如何分配，蛋糕谁来切，怎么切，这需要新型举国体制的支撑。从光刻机自主攻关，实现国产替代来讲，一方面，不能只追求简单的技术替代，要在研发过程中有所创新；另一方面，也要想办法融入到全球的供应链中，想方设法和阿斯麦这样的企业形成良性的互动和双赢。
而随着芯片制程的不断演进，投资一家晶圆厂的花费也越来越高，据机构预测，一座5纳米的晶圆厂投资额高达160亿美元，阿斯麦未来的一代极紫外光刻机售价要3亿美元。成本高企，使得摩尔定律也越来越难以走下去。这也是未来业界需要考量的问题。
责任编辑：张玉