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光刻机是国产芯片的“痛中痛”,中国何时可以摘取这颗明珠?
责编:李晓燕 发布时间:2020-06-03 15:06:44 浏览次数:次

   5 月 22 日,据台湾工商时报消息,台积电正在想办法协调高通、联发科、AMD、英伟达等厂商的订单,先挪部分给华为。

   据报道,“这些订单按制程不同,交货时间约 2.5 到 4 个月左右,预期在 9 月 14 日前完成出货,可望维持华为 1 季的产品销售,因此华为到今年底都不会发生断货危机。”

   卡喉咙的,不一定是鱼刺,还可以是芯片。芯片技术以纳米计算,比鱼刺小得多,威力却高出几百倍。

   时隔一年,美国再次打压华为,也说明中国科技离全面赶超还有一定距离。

   以后,芯片代工厂给华为生产芯片,只要涉及美国技术和设备,就必须经美国同意。也正因此,美国一边拉拢台积电去建厂,一边破坏台积电代工华为芯片的条件。

   但即便如此,台积电的设备和技术,但凡和美国沾上边,就会受制于人。那么,是不是不涉及美国技术和设备,美国就管不着了?

   事实上,要想实现芯片技术的完全自主,光刻机技术,是中国目前亟需攻克的“拦路虎”之一。2020 年 3 月,羊城晚报报道,中国内地规模最大、技术最先进的集成电路芯片制造企业——中芯国际,从荷兰 ASML 公司进口一台大型光刻机,并顺利通过深圳出口加工区场站两道闸口进入厂区。

   顺利进口并进入厂区,都可以成为新闻?光刻机是有多重要?

   华为云、阿里云 MVP,金融科技和物联网专家马超告诉 DeepTech,制造工艺和光刻机,是影响芯片制程的两大因素。通俗点讲,如果把芯片制造比作活字印刷术,制造工艺就好比油墨,光刻机则相当于印刷机。

   光刻机原理:“萝卜雕花”

   光刻机的工作原理,可以理解为萝卜雕花,只不过是在硅片上雕。

   具体工作时,硅片表面会覆盖一层光刻胶,用紫外光等光线、透过掩模照射在硅片表面,光刻胶就会发生反应,此时在没有光刻胶保护的硅片上进行雕刻,最后洗去光刻胶,就能实现半导体器件在硅片表面的构建。

   通俗点说,光刻机就是给萝卜雕花的雕刻刀,只是原理比较复杂。正因为复杂,导致放眼全世界,能生产光刻机的厂商都寥寥无几。

   目前,掌握全球领先光刻技术的正是荷兰 ASML。当下,ASML 占据全球 80% 市场份额,并且只有 ASML 可以生产 7nm 及以下精度的光刻机。

   如 ASML 官网所言,它做的事情,就是给芯片制造商,提供在硅片上批量生产图案的能力。

   ASML 之所以这么厉害,一方面是因为美国的加持,至于另一方面,马超分析称,ASML 背靠德国精密机械技术的制程。因此其光刻机水平成为世界第一,也就不足为奇。另外,ASML 也很舍得花大钱做投入。2019 年,ASML 的研发支出是 4.8 亿欧元,其总销售额 21 亿欧元,光研发就占营收比的 22.8%。

   ASML 的产品,主要有两种:DUV 光刻机和 EUV 光刻机。其中 EUV 最为厉害,其使用极紫外光技术,可以做 7nm 和 5nm 芯片,是当前最先进的光刻机;而 DUV 虽然可以做 7nm 芯片,但是性能略逊一筹。

 

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图 | ASML EUV 光刻机(来源:ASML 官网)

 

   光刻机之难

   “ASML 的光刻机和氢弹哪一个更难搞?”知乎网友的这个问题,获得高达 597 个回答。那么,光刻机到底有多难?

   业界形容光刻机是“半导体工业皇冠上的明珠”。一台光刻机由上万个部件组成,有人形容称“这是一种集合了数学、光学、流体力学、高分子物理与化学、表面物理与化学、精密仪器、机械、自动化、软件、图像识别领域顶尖技术的产物。”

   美国一位工程师说:“光刻机的一个小零件,工程师就需要调整高达十年之久,就连尺寸的调整就要高达百万次以上。”

   正因为技术难度大,ASML 即便投入大量研发费用,也未能实现完全自主,它仍要从美国、德国、日本等国家进口零部件。比如,其光刻机的镜头,是从德国蔡司公司购买而来,电源则购于美国。

   难,只是一方面,迭代过快也是一大痛点。当今电子工业,依然受摩尔定律影响,基本一年半就得迭代一次,这就导致芯片厂商排队,也要买最新光刻机,不然就无法造出高端芯片。

   ASML 好比一家掌握着独家秘方的私房菜馆,别人不仅轻易学不到秘方,想吃他家菜还得斥巨资。也正因此,ASML 垄断着 100% 的 7nm 以下光刻机市场,是的 100%。更严重的是,中国想买它还不一定敢卖。

   想买买不到

   1996 年 7 月,美国召集 33 个国家,在奥地利签署《瓦森纳协定》(简称“瓦协” Wassenaar Arrangement),坊间称这份协定为“来自华盛顿的敌意”,因为协定的主要目的,在于美国要限制他的小伙伴们,把先进技术出口给其他国家。

   前文提到中芯国际向 ASML 购买光刻机,就曾遭遇不顺。美国国务卿蓬佩奥,为阻止 ASML 出售光刻机给中方,甚至亲自飞到荷兰游说。这导致中芯国际明明已经付款,但是 ASML 却迟迟没有发货。

   对此,马超告诉 DeepTech:“商品价格是由供需关系决定的,全球只有 ASML 一家高制程光刻机供应商,可谓别无分号,因此价格决定权不在买家手中。而且光刻机本身的技术含量和研发成本也异常高昂,如果中国能用 10 亿美元直接买到一台 EUV,我相信华为肯定会毫不犹豫地下单。”

   那么,为什么中国非要买,不可以自己造吗?

   这得从多年前说起,中国最初的方案,是采购外国芯片。对此,马超表示,当时采购外国芯片,应该说是一个正确选择。

   2003 年的 “汉芯事件”(上海交通大学微电子学院院长陈进教授发明的“汉芯一号” 芯片造假,借助“汉芯一号”,陈进又申请数十个科研项目,并骗取高达上亿元的科研基金),也让国人意识到基础领域不单要有资金,更需要时间积累。

   21 世纪初,中国的芯片技术,比外国落后 30 年至 40 年,如果完全靠自主研发,那么现在繁荣的数字经济、互联网 + 等景象,就不会如此迅速地诞生在中国。

   那么,当前中国的光刻机是怎样的现状?

   中国光刻机现状

   就在美国再次打压华为的前一天,5 月 14 日,无锡高新区管委会与 ASML 公司正式签署战略合作协议,后者将在原有基础上,整合并提升资源,以加速光刻设备技术服务(无锡)基地的扩建。

   事实上,早在 2006 年,ASML 就在无锡建立了光刻设备技术服务基地。如今,ASML(无锡)基地是中国规模最大的光刻设备技术服务基地。

 

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图 | ASML 光刻设备技术服务(无锡)基地项目签约仪式现场(来源:科技日报)

 

   ASML 全球副总裁、中国区总裁沈波就此次扩建表示:“光刻设备服务基地升级将强化我们和客户的协作,快速回应客户需求,不断提升对客户服务的水准。”

   这或可以理解为,该基地的签约,正是为了避免明明中芯国际已经付款下单,但却因为众所周知的原因收不到货的覆辙。与此同时,国产光刻机制造商,也在快步追赶。

   2019 年 4 月,武汉光电国家研究中心甘棕松团队,采用二束激光,在自研的光刻胶上,突破光束衍射极限的限制,并使用远场光学的办法,光刻出最小 9nm 线宽的线段。最终该光刻机样机,一举实现材料、软件和零部件的三大国产化。

 

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图 | 武汉光电国家研究中心研制的“9nm 光刻机”

 

   2020 年初,中科院对外宣称已经攻克了 2nm 工艺的难题,相关研究成果已经发布到国际微电子器件领域的期刊当中。

   5 月 19 日,上海微电子装备(集团)股份有限公司称,其自研的高亮度 LED 步进投影光刻机,是中国首台面向 6 英寸以下中小基底先进光刻应用领域的光刻机产品,已从 1200 多个申报项目中成功突围,入选“上海设计 100+”。

 

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图 | SMEE 的高亮度 LED 步进投影光刻机

 

   有进步,当然值得开心,但也必须意识到,这离国际先进水平仍有一定距离。

   认清现实

   2018 年中兴事件之前,“全面赶超”“新中国四大发明”等,一度让中国人很是骄傲。

   近年来,在社交媒体上,一直都有来自欧美的博主,夸赞中国的手机支付有多普遍、高铁有多快。有位来自美国的抖音博主“巴哥 bar”,拍过一则视频:他从华为手机店买手机后,把手里的苹果手机摔地上。

   不排除部分外国博主,有取悦中国粉丝的倾向。但是,也侧面印证近些年中国在科技方面的进步。进步的确有,但远远未达到发达国家水平。对于成绩的赞美,当然有必要,但也不应躺在功劳簿上洋洋自得。

   2018 年,“中兴事件”发生后不久,前科技日报总编辑刘亚东作过一场《除了那些核心技术,我们还缺什么》的演讲,其中就提到中国在光刻机上,仍需要进步。他还表示:“明明是在别人的地基上盖了房子,非说自己有完全、永久产权。如果只是鼓舞士气也就罢了,可麻烦的是,发出这些论调的人忽悠了领导,忽悠了公众,甚至忽悠了自己,这就成了问题。”

   马超也对 DeepTech 说,“我们光刻机方面就是比国外落后了 20 年,因此对于国内的光刻企业还要给予耐心,不能急功近利。”

   中国速度固然令人惊叹,但速度和质量齐头并进,才能走得扎扎实实。

                                                                                                                                          (来源:DeepTech深科技)