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光刻機是國產芯片的“痛中痛”,中國何時可以摘取這顆明珠?
責編:李曉燕 發布時間:2020-06-03 15:06:44 瀏覽次數:

   5 月 22 日,據臺灣工商時報消息,臺積電正在想辦法協調高通、聯發科、AMD、英偉達等廠商的訂單,先挪部分給華為。

   據報道,“這些訂單按制程不同,交貨時間約 2.5 到 4 個月左右,預期在 9 月 14 日前完成出貨,可望維持華為 1 季的產品銷售,因此華為到今年底都不會發生斷貨危機。”

   卡喉嚨的,不一定是魚刺,還可以是芯片。芯片技術以納米計算,比魚刺小得多,威力卻高出幾百倍。

   時隔一年,美國再次打壓華為,也說明中國科技離全面趕超還有一定距離。

   以后,芯片代工廠給華為生產芯片,只要涉及美國技術和設備,就必須經美國同意。也正因此,美國一邊拉攏臺積電去建廠,一邊破壞臺積電代工華為芯片的條件。

   但即便如此,臺積電的設備和技術,但凡和美國沾上邊,就會受制于人。那么,是不是不涉及美國技術和設備,美國就管不著了?

   事實上,要想實現芯片技術的完全自主,光刻機技術,是中國目前亟需攻克的“攔路虎”之一。2020 年 3 月,羊城晚報報道,中國內地規模最大、技術最先進的集成電路芯片制造企業——中芯國際,從荷蘭 ASML 公司進口一臺大型光刻機,并順利通過深圳出口加工區場站兩道閘口進入廠區。

   順利進口并進入廠區,都可以成為新聞?光刻機是有多重要?

   華為云、阿里云 MVP,金融科技和物聯網專家馬超告訴 DeepTech,制造工藝和光刻機,是影響芯片制程的兩大因素。通俗點講,如果把芯片制造比作活字印刷術,制造工藝就好比油墨,光刻機則相當于印刷機。

   光刻機原理:“蘿卜雕花”

   光刻機的工作原理,可以理解為蘿卜雕花,只不過是在硅片上雕。

   具體工作時,硅片表面會覆蓋一層光刻膠,用紫外光等光線、透過掩模照射在硅片表面,光刻膠就會發生反應,此時在沒有光刻膠保護的硅片上進行雕刻,最后洗去光刻膠,就能實現半導體器件在硅片表面的構建。

   通俗點說,光刻機就是給蘿卜雕花的雕刻刀,只是原理比較復雜。正因為復雜,導致放眼全世界,能生產光刻機的廠商都寥寥無幾。

   目前,掌握全球領先光刻技術的正是荷蘭 ASML。當下,ASML 占據全球 80% 市場份額,并且只有 ASML 可以生產 7nm 及以下精度的光刻機。

   如 ASML 官網所言,它做的事情,就是給芯片制造商,提供在硅片上批量生產圖案的能力。

   ASML 之所以這么厲害,一方面是因為美國的加持,至于另一方面,馬超分析稱,ASML 背靠德國精密機械技術的制程。因此其光刻機水平成為世界第一,也就不足為奇。另外,ASML 也很舍得花大錢做投入。2019 年,ASML 的研發支出是 4.8 億歐元,其總銷售額 21 億歐元,光研發就占營收比的 22.8%。

   ASML 的產品,主要有兩種:DUV 光刻機和 EUV 光刻機。其中 EUV 最為厲害,其使用極紫外光技術,可以做 7nm 和 5nm 芯片,是當前最先進的光刻機;而 DUV 雖然可以做 7nm 芯片,但是性能略遜一籌。

 

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圖 | ASML EUV 光刻機(來源:ASML 官網)

 

   光刻機之難

   “ASML 的光刻機和氫彈哪一個更難搞?”知乎網友的這個問題,獲得高達 597 個回答。那么,光刻機到底有多難?

   業界形容光刻機是“半導體工業皇冠上的明珠”。一臺光刻機由上萬個部件組成,有人形容稱“這是一種集合了數學、光學、流體力學、高分子物理與化學、表面物理與化學、精密儀器、機械、自動化、軟件、圖像識別領域頂尖技術的產物。”

   美國一位工程師說:“光刻機的一個小零件,工程師就需要調整高達十年之久,就連尺寸的調整就要高達百萬次以上。”

   正因為技術難度大,ASML 即便投入大量研發費用,也未能實現完全自主,它仍要從美國、德國、日本等國家進口零部件。比如,其光刻機的鏡頭,是從德國蔡司公司購買而來,電源則購于美國。

   難,只是一方面,迭代過快也是一大痛點。當今電子工業,依然受摩爾定律影響,基本一年半就得迭代一次,這就導致芯片廠商排隊,也要買最新光刻機,不然就無法造出高端芯片。

   ASML 好比一家掌握著獨家秘方的私房菜館,別人不僅輕易學不到秘方,想吃他家菜還得斥巨資。也正因此,ASML 壟斷著 100% 的 7nm 以下光刻機市場,是的 100%。更嚴重的是,中國想買它還不一定敢賣。

   想買買不到

   1996 年 7 月,美國召集 33 個國家,在奧地利簽署《瓦森納協定》(簡稱“瓦協” Wassenaar Arrangement),坊間稱這份協定為“來自華盛頓的敵意”,因為協定的主要目的,在于美國要限制他的小伙伴們,把先進技術出口給其他國家。

   前文提到中芯國際向 ASML 購買光刻機,就曾遭遇不順。美國國務卿蓬佩奧,為阻止 ASML 出售光刻機給中方,甚至親自飛到荷蘭游說。這導致中芯國際明明已經付款,但是 ASML 卻遲遲沒有發貨。

   對此,馬超告訴 DeepTech:“商品價格是由供需關系決定的,全球只有 ASML 一家高制程光刻機供應商,可謂別無分號,因此價格決定權不在買家手中。而且光刻機本身的技術含量和研發成本也異常高昂,如果中國能用 10 億美元直接買到一臺 EUV,我相信華為肯定會毫不猶豫地下單。”

   那么,為什么中國非要買,不可以自己造嗎?

   這得從多年前說起,中國最初的方案,是采購外國芯片。對此,馬超表示,當時采購外國芯片,應該說是一個正確選擇。

   2003 年的 “漢芯事件”(上海交通大學微電子學院院長陳進教授發明的“漢芯一號” 芯片造假,借助“漢芯一號”,陳進又申請數十個科研項目,并騙取高達上億元的科研基金),也讓國人意識到基礎領域不單要有資金,更需要時間積累。

   21 世紀初,中國的芯片技術,比外國落后 30 年至 40 年,如果完全靠自主研發,那么現在繁榮的數字經濟、互聯網 + 等景象,就不會如此迅速地誕生在中國。

   那么,當前中國的光刻機是怎樣的現狀?

   中國光刻機現狀

   就在美國再次打壓華為的前一天,5 月 14 日,無錫高新區管委會與 ASML 公司正式簽署戰略合作協議,后者將在原有基礎上,整合并提升資源,以加速光刻設備技術服務(無錫)基地的擴建。

   事實上,早在 2006 年,ASML 就在無錫建立了光刻設備技術服務基地。如今,ASML(無錫)基地是中國規模最大的光刻設備技術服務基地。

 

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圖 | ASML 光刻設備技術服務(無錫)基地項目簽約儀式現場(來源:科技日報)

 

   ASML 全球副總裁、中國區總裁沈波就此次擴建表示:“光刻設備服務基地升級將強化我們和客戶的協作,快速回應客戶需求,不斷提升對客戶服務的水準。”

   這或可以理解為,該基地的簽約,正是為了避免明明中芯國際已經付款下單,但卻因為眾所周知的原因收不到貨的覆轍。與此同時,國產光刻機制造商,也在快步追趕。

   2019 年 4 月,武漢光電國家研究中心甘棕松團隊,采用二束激光,在自研的光刻膠上,突破光束衍射極限的限制,并使用遠場光學的辦法,光刻出最小 9nm 線寬的線段。最終該光刻機樣機,一舉實現材料、軟件和零部件的三大國產化。

 

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圖 | 武漢光電國家研究中心研制的“9nm 光刻機”

 

   2020 年初,中科院對外宣稱已經攻克了 2nm 工藝的難題,相關研究成果已經發布到國際微電子器件領域的期刊當中。

   5 月 19 日,上海微電子裝備(集團)股份有限公司稱,其自研的高亮度 LED 步進投影光刻機,是中國首臺面向 6 英寸以下中小基底先進光刻應用領域的光刻機產品,已從 1200 多個申報項目中成功突圍,入選“上海設計 100+”。

 

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圖 | SMEE 的高亮度 LED 步進投影光刻機

 

   有進步,當然值得開心,但也必須意識到,這離國際先進水平仍有一定距離。

   認清現實

   2018 年中興事件之前,“全面趕超”“新中國四大發明”等,一度讓中國人很是驕傲。

   近年來,在社交媒體上,一直都有來自歐美的博主,夸贊中國的手機支付有多普遍、高鐵有多快。有位來自美國的抖音博主“巴哥 bar”,拍過一則視頻:他從華為手機店買手機后,把手里的蘋果手機摔地上。

   不排除部分外國博主,有取悅中國粉絲的傾向。但是,也側面印證近些年中國在科技方面的進步。進步的確有,但遠遠未達到發達國家水平。對于成績的贊美,當然有必要,但也不應躺在功勞簿上洋洋自得。

   2018 年,“中興事件”發生后不久,前科技日報總編輯劉亞東作過一場《除了那些核心技術,我們還缺什么》的演講,其中就提到中國在光刻機上,仍需要進步。他還表示:“明明是在別人的地基上蓋了房子,非說自己有完全、永久產權。如果只是鼓舞士氣也就罷了,可麻煩的是,發出這些論調的人忽悠了領導,忽悠了公眾,甚至忽悠了自己,這就成了問題。”

   馬超也對 DeepTech 說,“我們光刻機方面就是比國外落后了 20 年,因此對于國內的光刻企業還要給予耐心,不能急功近利。”

   中國速度固然令人驚嘆,但速度和質量齊頭并進,才能走得扎扎實實。

                                                                                                                                          (來源:DeepTech深科技)

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