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        《電子技術應用》
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        中國光刻機往事

        2022-08-15
        來源:華商韜略

        國人普遍對光刻機唉聲嘆氣之時,全球光刻機龍頭ASML首席執行官彼得·溫寧克卻曾表示:

        “如果不將光刻機賣給中國,五年之內,他們必將掌握所有的EUV光刻技術,十五年之后,ASML公司或將失去行業話語權!”

        我們能做到嗎?

        【1】艱難開局

        1956年,周恩來總理收到了一份六百萬字的草案,在這份《十二年科學技術發展遠景規劃》中,中科院的學部委員們提出了57項重點發展任務。

        看著厚厚的資料,周總理向專家們請教:“這么多重點,國務院應該主要抓哪些?”

        最終,57項任務被凝結為四大緊急措施:計算技術、無線電電子學、自動學和遠距離操縱技術,以及半導體技術。

        新中國對半導體的重視的確不算晚。兩年后,美國德州儀器的基爾比、仙童半導體的諾伊斯,才幾乎同時做出人類史上的第一塊集成電路,打開了潘多拉魔盒。

        作為集成電路(芯片)制造的必備設備,光刻機從此走上歷史舞臺,走進發展快車道。中國光刻機的發展,也從此時開始。

        1961年,美國GCA公司制造出了第一臺接觸式光刻機。而一個廣為流傳的說法是,1966年,中科院下屬109廠就與上海光學儀器廠協作,研制成功了我國第一臺65型接觸式光刻機。

        早期的光刻機復雜程度和照相機差不多,技術難度不高,所以大家的差距也沒那么大。

        半導體市場的快速發展,推動著光刻機的需求和生長。日本的佳能、尼康,美國的GCA公司,以及接受軍方投資的Perkin Elmer公司,都開始進入這一領域,中國雖然相對落后,但在相當長時間內,也算是亦步亦趨地緊跟產業步伐。

        即便在動蕩年代,中國也依然在向光刻機產業發起沖鋒,雖然這個過程充滿艱辛。

        1971年,在江西鄱陽湖畔學習水稻種植的徐端頤,突然接到一個來自北京的電話,原本就是清華大學精密儀器系教師的他,要回京負責新一代光刻機的研發。

        清華大學為徐端頤配備了數百人的團隊,有技術超群的鉗工,有搞精密機械加工的,還有從其他單位調來的搞計算機控制的老師和技術工人。群賢畢至,卻沒有一個人搞過光刻機。

        組建這樣一個“草臺”班子,多少有些無奈。

        新中國剛成立沒多久,美國、英國、日本等17個國家,搞了個國際巴黎統籌委員會(簡稱巴統),旨在限制成員國向社會主義國家出口戰略物資和高技術,列入禁運清單的有軍事武器裝備、尖端技術產品,中國也在封禁之列。

        隨著半導體的蓬勃發展,光刻機也被巴統列為尖端產品,對華實行禁運。而國內很少有從事光刻機的專業人才,只能從相關學科中調兵遣將。

        底子薄、基礎差,還有“巴統”這樣的鐐銬,落后在所難免。

        1973年,美國PerkinElmer公司推出首臺掃描投影光刻機,這種光刻機精度高,又改變了把光掩模壓在光刻膠上的技術路線,芯片生產的良率從10%一夜之間提升到70%。但國內仍停留在接觸式光刻機時代。

        落后就要挨打,深深地刻在一代人的印記里,得到消息的中國決心奮起直追。

        1977年,在江蘇吳縣(今蘇州吳中區),專門開了一場光刻機技術座談會,與會的67名代表指出:光刻設備和工藝極為重要,要提高光刻機技術,讓中國半導體設備趕超世界先進水平。

        人的潛力,在中國第一代光刻機從業者身上發揮到極致。

        沒有資料,只能靠自己摸索,徐端頤和團隊成員邊干邊學,沒日沒夜地加班攻關,終于在1980年造出了國內第一臺投影光刻機。

        1985年,中科院45所在光刻機領域取得了重大進展,研制出分步投影式光刻機,被認定達到了1978年美國GCA公司推出的光刻機水準。當時,日后的光刻機巨頭ASML公司才剛剛誕生。

        國產光刻機有一個好的起點,但尷尬的是,因為當時國內半導體產業整體太薄弱。國產光刻機雖然研發出來,卻沒有很好的下游應用市場,無法真正走上市場和商業化的道路,只能停留在實驗室研究階段。

        此后的二三十年,這種現實愈演愈烈,中國光刻機對外的差距,也越來越大。

        【2】蹉跎歲月

        1977年7月,鄧小平邀請30位科技界代表在人民大會堂召開座談會。

        在那場座談會上,中國半導體靈魂人物王守武說得很直接:

        “全國共有600多家半導體生產工廠,一年生產的集成電路總量,只等于日本一家大型工廠月產量的十分之一?!?/p>

        王守武的一句話,將中國半導體產業的家底抖了個干凈。

        在20世紀60年代后期,中國一度采用群眾運動的方式搞半導體。當時,報紙上甚至出現了如此報道:街道老太太在弄堂里架一臺擴散爐,也能做出半導體。

        蠻干硬上,產業發展違背科學規律,國內的芯片產業基本處于分散的手工式生產。在同一個時期,日本則依靠“產、官、學”相互協作體系,成為全球半導體市場的有力競爭者,其光刻機技術也取得長足的進步。

        1984年,尼康推出量產型自動化步進式光刻機,憑借良好的性能,一如太平洋戰爭初期那般,印刻著“Made in Japan”的光刻機,把美國廠商打得節節敗退。尼康甚至從美國廠商GCA手里奪下了IBM、英特爾、AMD等一系列大客戶。

        一消一漲之間,中國與世界先進水平的差距,被拉得更大了。這種差距感染了規劃工作者,中國半導體行業由此開始了急進式的追趕之路。

        從1986年到1995年,國家部委先后組織了半導體領域的“三大戰役”:531戰略、908工程、909工程。規劃工作者希望通過市場化和運動式的集中攻關并行,換取半導體技術的進步和產業跨越的發展。

        但國內如火如荼的造芯運動,卻沒有成為國產光刻機的幸運時刻。

        改革開放,讓美、日光刻機廠商緊盯著中國市場,再加上國產光刻機性能本就落后,國內好不容易起來的半導體企業和光刻機市場需求,卻成了送給外資的禮物。

        為迅速搶占中國光刻機市場,國際廠商除了常規競爭,可謂是千方百計。一些企業甚至還推出特別福利:買光刻機,送出國游。

        國門剛開,中國的廠長經理們總想出去看一看、玩一玩,順便學些先進經驗回來。再加上對方的產品的確優秀,所以國內企業普遍就選擇了國外光刻機。

        許多原本購買徐端頤團隊投影光刻機的公司,紛紛取消了訂單。

        本身就落后,且沒有什么市場的國產光刻機,此時處境更加尷尬。產品賣不出去,從市場上找不到錢的同時,連生存也被釜底抽薪:

        在20世紀80年代初,我國實行“撥改貸”的政策,將政府對國有企業的財政撥款,改為企業向銀行貸款,導致國家對電子工業投入的減少。

        既贏不了市場,也沒了國家經費支持,國產光刻機因此站到懸崖邊,許多光刻機項目紛紛下馬。

        芯片產業日新月異,光刻機亦是如此。當步伐停下后,曾經尚可奮力一爭的國產光刻機,與國際同行的差距因此被迅速拉大,甚至幾乎處于停滯狀態。

        曾經編寫過《光刻掩模版的制造》武漢無線電元件三廠,一度還賣起了副食品。徐端頤團隊也退出了光刻機的研究,轉向光盤技術領域,還拿到了國家發明二等獎。

        【3】從頭再來

        2002年,荷蘭南部的邊境小鎮費爾德霍芬,來了一批西裝革履的中國人,他們身上背著一項沉重的使命——研發剛被列入“863重大科技攻關計劃”的新型光刻機。

        帶隊的人,名叫賀榮明,他掌舵的上海微電子公司,由科技部和上海市政府牽頭成立,承擔著攻堅光刻機技術的重任。

        1999年,北約入侵科索沃時,美國的電子信息戰癱瘓了南聯盟幾乎所有網絡通訊系統,讓人們看到了一場信息戰的威力??萍疾慷啻握匍_緊急會議討論:一旦和美國鬧掰,國家信息安全將面臨怎樣的威脅?

        在缺芯少魂的擔憂下,中國喊出了“砸鍋賣鐵也要研制芯片”的口號。在政策的鼓勵下,中國半導體產業出現了海歸創業和自主發展的熱潮,國產光刻機再度覺醒。

        賀榮明考察ASML的那一年,國際上的光刻機技術迎來重大突破。臺機電聯合ASML成功研發出的新一代光刻機,將芯片制程推進到45nm。ASML憑此脫穎而出,在日后擊敗尼康,成為新一代光刻機霸主。

        賀榮明的目標很明確,想和光刻機巨頭ASML公司合作,最不濟也能學到點東西,但對方壓根沒把這群來自中國的客人放在眼里。

        ASML公司一位德國工程師直接將光刻機的圖紙拿給他們看,并撂下一句狠話:“就算給你們全套圖紙,你們也做不出來光刻機”。

        賀榮明很是生氣,但外國專家的話不無道理,光刻機制造難度太高了,對精度、速度要求已高到難以想象——相當于兩架大飛機從起飛到降落,始終齊頭并進,一架飛機上伸出一把刀,在另一架飛機的米粒上刻字,不可以出差錯。

        巴統雖然解體了,但以美國為首的西方國家又搞出了瓦森納協定。

        在瓦森納協議下,西方國家對中國半導體技術及光刻機等設備出口,一般都遵循“N-2”的原則審批,即比最先進技術落后兩代。如果再在審批過程中適當拖延一下,中國能拿到的,只怕落后三代不止。

        在中國必須掌握集成電路的主動權的戰略重視下,國產光刻機還是艱難地重新起步——曾經研發出投影光刻機的45所,被調至上海微電子,他們的任務是100nm以下光刻機的研究。

        2007年,上海微電子宣布研制出90nm工藝的分布式投影光刻機。由于這臺機器大部分元器件是國外的,西方國家立即實行了禁運。辛苦研制的光刻機,遲遲無法量產又成為了擺設。

        2008年,國家又成立“極大規模集成電路制造裝備與成套工藝專項”(02專項)。吸取了前車之鑒后,除了強攻整機制造,還扶持了一批配套產業鏈企業。

        比如,中科院微電子所與科益虹源合作研究光源系統、清華大學與華卓精科的開發雙工作臺系統、浙江大學與啟爾機電共同研制浸沒系統等。

        持續的攻關下,光刻機產業開始取得突破。2016年,上海微電子終于實現了90nm光刻機的量產。

        同年,清華大學團隊和華卓精科成功研發出光刻機雙工作臺系統樣機,成為繼ASML之后第二個掌握光刻機雙工作臺系統的企業。

        然而,就在形勢不斷向好時,美國揮舞著大棒來了。

        2019年5月,美國突然宣布對華為制裁,并且很快將制裁范圍從芯片擴展到更多領域,其中最重要的一個就是,限制國際領先光刻機對華銷售。

        【4】持續突破

        2019年6月3日,一架波音C-32A飛機降落在荷蘭首都阿姆斯特丹,專機里坐著的是時任美國國務卿蓬佩奧,美國政壇二號人物。

        他此行目的之一,是要阻止一樁中荷企業間的交易:一年前,中芯國際花費1.5億美元,向荷蘭ASML公司購買了一臺EUV光刻機。

        小于5納米的芯片晶圓,只能用EUV光刻機生產。有了這臺光刻機,中芯國際將有望在芯片制程上繼續追趕,縮短差距。

        向來崇尚市場經濟、自由貿易的美國政府,此次索性自打自臉,向荷蘭施壓,并獲得了成功,包括中芯國際在內的中國芯片制造企業,也因此被卡住了脖子。

        2021年11月9日,第三屆進出口博覽會上,全球光刻機龍頭ASML副總裁、中國區總裁沈波對媒體表示:公司對向中國出口光刻機持開放態度。

        這下可捅了馬蜂窩。因為美國正竭力要求其對華禁售產品,并且步步緊逼,不但要禁售先進制程的EUV光刻機,還要禁售成熟制程的DUV光刻機。

        目前,雙方的博弈還在繼續中。

        美國在繼續施壓,但已經禁了EUV的ASML,顯然不愿意再禁DUV,其CEO彼得·溫寧克就表示,“中國是非常重要的全球市場供應方,世界‘不能忽視這種現實’?!?/p>

        話說得很委婉,但意思很明確,“一旦向中國斷供光刻機,全球的半導體市場都會有影響?!?/p>

        與之對應,2022年第一季度,ASML共交付62臺光刻機,其中有21臺DUV都是銷往了中國大陸。

        ASML傾向于支持中國的態度,并非完全來自國際友誼,也更包括其自身的巨大利益。因為今天的中國,是任何一個全球化企業不堪承受失去之痛的市場。

        2021年,我國集成電路產量3594億塊,出口的集成電路為3107億塊,同比增長了19.6%。谷歌前CEO施密特甚至稱,到了2025年,中國大陸或將成為全球最大芯片產地。

        ASML因此擔心:“如果不將光刻機賣給中國,五年之內,我們必將掌握所有的EUV光刻技術,十五年之后,ASML公司或將失去行業話語權!”

        但歸根到底,核心技術還是得掌握在自己手上。就在美國持續加碼打壓的同時,中國光刻機也迎來了史無前例的再次奮起追趕。

        2019年10月,國家大基金二期注冊成立,注冊資本2041.5億,其投資方向之一就是光刻機等核心設備及關鍵零部件。

        2020年8月4日,國務院印發了《新時期促進集成電路產業和軟件產業高質量發展若干政策》,對進口掩模版等制造光刻機所需要的原材料,實施免征關稅。

        2021年2月,全國集成電路標準化技術委員會成立,包括華為、小米、中芯國際、上海微電子、北大、清華等90家單位,基本涵蓋了我國集成電路產業鏈主要的企業、科研院所、高校。大家抱團取暖,進一步促進產業上下游對接。

        國產光刻機產業也迎來突破。上海微電子披露:有望在2022年交付第一臺28nm工藝國產光刻機。盡管這和7nm、5nm仍隔著數代距離,但是差距已經大大縮小。

        回想新中國成立之初,一沒資金、二沒產業基礎,三沒人才儲備,國產光刻機愣是做到了緊跟世界先進水平。

        當下,國家政策持續發力,相關企業也在奮力突圍。更為關鍵的是,產業環境也今非昔比,國內光刻機的科研基礎、資金實力、產業上下游,都已達到世界級。集中力量實現再次成功突破,已經到達了臨界點。

        在光刻機之前,中國被卡脖子的行業其實有很多,比如面板產業,一度這是日韓企業的天下。沒有技術,處于產業鏈下游的中國廠商不得不耗巨資采購。

        在以京東方為代表的面板企業努力下,現在,中國已成為全球最大的面板產地。數據顯示,2022上半年中國大陸面板廠商以8400萬片出貨量以及67%市場占有率,雄冠全球。

        參照面板行業,乃至于更多中國產業突圍的歷史,ASML“或將失去行業話語權”的擔心,不是沒有可能。




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