光刻机技术创新
光刻機技術(shù)創(chuàng)新
光刻機是芯片制造的關(guān)鍵工藝，光刻機的生產(chǎn)技術(shù)由荷蘭ASML 、日本的尼康和佳能公司壟斷。在“缺芯”之勢蔓延、美國推動半導體產(chǎn)業(yè)鏈回流的背景下，國產(chǎn)光刻機的真實水平是什么樣的？
光刻機的全球產(chǎn)業(yè)鏈格局
光刻技術(shù)是使微電子和納米電子器件在過去半個世紀中不斷微縮的基礎(chǔ)技術(shù)之一，光刻制造是晶圓制造最關(guān)鍵、最復雜和時間占比最高的環(huán)節(jié)。
全球光刻機已由荷蘭ASML、日本尼康和佳能公司完全壟斷。據(jù)芯思想研究院（ChipInsights）數(shù)據(jù)，2020年上述三家公司半導體用光刻機出貨413臺，較2019年的359臺增加54臺，漲幅為15%。其中，ASML公司出貨258臺，占比62.47%；尼康公司出貨31臺，占比7.51%；佳能公司出貨122臺，占比29.54%。
據(jù)估算，光刻機約占晶圓制造設(shè)備投資額的23%，再加上光刻工藝步驟中的光刻膠、光刻氣體、光罩（光掩膜版）、涂膠顯影設(shè)備等諸多配套設(shè)施和材料投資，整個光刻工藝占芯片成本的30%左右。
區(qū)別于晶圓制造其他工藝，光刻機組件及配套設(shè)施復雜，形成了自身的產(chǎn)業(yè)鏈。光刻機的制造研發(fā)不是某一個企業(yè)能夠單獨完成的，光刻作為晶圓制造過程中最復雜、最重要的步驟，主要體現(xiàn)在光刻產(chǎn)業(yè)鏈高端復雜，需要很多頂尖的企業(yè)相互配合才可以完成。
ASML光刻機/資料圖
光刻產(chǎn)業(yè)鏈主要體現(xiàn)為兩點：一是作為光刻核心設(shè)備的光刻機組件復雜，包括光源、鏡頭、激光器、工作臺等在內(nèi)的組件技術(shù)，往往只被全球少數(shù)幾家公司掌握；二是與光刻機配套的光刻膠、光刻氣體、光罩（光掩膜版）等半導體材料和涂膠顯影設(shè)備，同樣擁有較高的科技含量。
伴隨著工藝與設(shè)備的雙重突破，光刻設(shè)備成為推動摩爾定律的核心設(shè)備。光刻機已經(jīng)歷經(jīng)五代發(fā)展。隨著制程精度提升，光刻機復雜程度提高，ASML（阿斯麥爾）公司貫通光刻產(chǎn)業(yè)鏈，完全壟斷了10納米以下的工藝。
以ASML的EUV（極紫外）光刻機為例，7納米制程的EUV光刻機內(nèi)部共有10萬個零件，90%的關(guān)鍵設(shè)備來自外國而非荷蘭本國。ASML作為整機公司，實質(zhì)上只負責光刻機設(shè)計與各模塊集成，需要全而精的上游產(chǎn)業(yè)鏈作為堅實的支撐。縱觀ASML的5 000多個供應商，其中與產(chǎn)品相關(guān)的供應商提供直接用于生產(chǎn)光刻系統(tǒng)的材料、設(shè)備、零部件和工具，包括790家供應商，采購和運營支出占ASML總開支的66%。
在10納米節(jié)點以下，ASML穩(wěn)穩(wěn)占據(jù)100%的市場，佳能和尼康等同業(yè)競爭對手已無力追趕。如果芯片制造商想要生產(chǎn)10納米節(jié)點以下的芯片，必須得有ASML供應的EUV光刻機及相應的支持服務。
歐洲微電子研究中心（IMEC）宣布了3納米及以下光刻工藝的技術(shù)細節(jié)，ASML公司已經(jīng)明確了3納米、2納米、1.5納米、1納米甚至1納米以下的芯片制程技術(shù)路線圖。日本、美國等國的許多半導體公司出于成本考慮，已經(jīng)停止了光刻工藝小型化的研究。IMEC和ASML的合作或?qū)⑦M一步推動超精細芯片制程的研發(fā)，延續(xù)“摩爾定律”。
美日推動半導體產(chǎn)業(yè)鏈回流，應對缺芯困境
受疫情和芯片供應短缺影響，美國、日本希望推動半導體產(chǎn)業(yè)鏈回流，改變半導體制造“空心化”的局面，擬加大對半導體行業(yè)的投資，包括對半導體生產(chǎn)設(shè)備進行投資、吸引先進半導體制造商前往建廠。半導體廠商展開新一輪的并購增強自身實力。作為先進芯片制造中必不可缺的設(shè)備，光刻機的需求勢必保持長期的增長。
2020年，受新冠肺炎疫情影響，美國國防部認識到國防產(chǎn)業(yè)供應鏈的脆弱，開始制定一項“微電子回流戰(zhàn)略”，旨在通過公私合作等方式，將微電子制造、組裝和測試產(chǎn)業(yè)從亞洲轉(zhuǎn)移至美國，解除對微電子產(chǎn)品供應鏈安全的擔憂。
2020年5月，美國白宮與英特爾、臺積電進行談判，成功說服這兩家公司在美國本土新建芯片制造廠。
2021年9月，美國商務部召開半導體高峰會，以提高芯片“供應鏈透明度”為由，要求臺積電、三星等半導體企業(yè)在45天內(nèi)交出被視為商業(yè)機密的庫存量、訂單、銷售紀錄等數(shù)據(jù)。
2021年2月，美國總統(tǒng)拜登簽署一項行政命令，要求美國政府對半導體芯片、電動汽車大容量電池、稀土礦產(chǎn)和藥品四種關(guān)鍵產(chǎn)品的供應鏈進行為期100天的審查。
2021年4月，美國拜登政府公布了一項2萬億美元的基礎(chǔ)設(shè)施投資計劃，涉及芯片供應鏈的投資規(guī)模達到500億美元。
2021年4月，美國白宮召開線上峰會以商討如何應對芯片短缺的困境，與會者包括三星、英特爾、臺積電和谷歌等公司。拜登稱，加強美國半導體產(chǎn)業(yè)和供應鏈韌性是美國兩黨的共識，已有23名參議員和42名眾議員來信支持美國的《為芯片生產(chǎn)創(chuàng)造有益的激勵措施法案》（CHIPS），以應對中國等其他國家的快速發(fā)展，消除美國在研發(fā)和制造方面的局限性。
芯片短缺的現(xiàn)狀雖與美國供應鏈對亞洲的依賴不直接相關(guān)，掀起了一輪有關(guān)芯片制造回流美國的廣泛討論，贏得美國國會內(nèi)部對于深度投資美國本土半導體制造環(huán)節(jié)的有力支持。
2020年4月，日本政府召開經(jīng)濟增長戰(zhàn)略會議，針對全球半導體供應不足問題，討論國內(nèi)投資支持措施，確保國內(nèi)穩(wěn)定供應。日本擁有全球最多的半導體工廠，但生產(chǎn)的一大半都是用途廣泛的產(chǎn)品，沒有附加價值高的尖端半導體制造能力。政府對逾六成國內(nèi)半導體需求依賴進口的現(xiàn)狀表示擔憂。
日本官房長官加藤勝信表示，“將促進研發(fā)和投資，力圖構(gòu)筑切實的供應體制”。4月，美日兩國首腦召開會議，確認建立分散型供應鏈的重要性，討論了構(gòu)建生產(chǎn)基地不偏重于地緣政治風險高的中國臺灣和與美國對立加深的中國大陸等特定地區(qū)的體制。
首臺國產(chǎn)28納米工藝浸沒式光刻機有望交付
國際半導體產(chǎn)業(yè)協(xié)會（SEMI）公布的數(shù)據(jù)顯示，2020年全球半導體生產(chǎn)設(shè)備的銷售達到了712億美元，較2019年的598億美元增加114億美元，同比增長19%。中國大陸市場的設(shè)備銷售額比上年增長39％，達到187.2億美元。由5G的普及和新冠肺炎疫情導致的居家辦公需求，半導體代工企業(yè)的投資旺盛。
中國在光刻機方面的技術(shù)積累和人才儲備相對不足，雖無法制造高端光刻機，但可以制造一些低、中端的光刻機。
2008年起，中國開始重視光刻機的研發(fā)。為推動中國集成電路制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，國家決定實施科技重大專項“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”）。在該項目下，中國研究團隊一路攻堅克難，國產(chǎn)首套90納米高端光刻機已經(jīng)研制成功。
2019年4月，武漢光電國家研究中心甘棕松團隊通過2束激光，在自研的光刻膠上，突破光束衍射極限的限制，使用遠場光學的辦法，光刻出最小9納米線寬的線段。該成果一舉實現(xiàn)光刻機材料、軟件和零部件的三大國產(chǎn)化。
2020年6月，上海微電子設(shè)備有限公司透露，將在2021—2022年交付首臺國產(chǎn)28納米工藝浸沒式光刻機。這意味著國產(chǎn)光刻機工藝從以前的90納米一舉突破到28納米。
雖然國產(chǎn)28納米光刻機與已面世的5納米頂尖制程存在較大差距，但常見的射頻芯片、藍牙芯片、功放芯片、路由器上的芯片、各種電器的驅(qū)動芯片等非核心邏輯芯片，仍采用28~90納米工藝。
在光刻工藝進入28納米以下制程后的較長一段時間里，16納米和14納米制程的成本一度高于28納米，與摩爾定律的運行規(guī)律相反，使得28納米制程工藝極具性價比。在實際應用中，28納米光刻機不僅能生產(chǎn)28納米芯片，更有望通過多重曝光的方式生產(chǎn)14納米、10納米、7納米芯片。盡管中國自主光刻機與外國先進水平仍有不小代差，但未來可期。
2020年7月，中國科學院上海光機所在計算光刻技術(shù)研究中取得進展。關(guān)鍵圖形篩選技術(shù)是決定光源掩膜優(yōu)化技術(shù)（SMO——主要計算光刻技術(shù)之一）速度與效果的關(guān)鍵技術(shù)。
中科院上海光機所信息光學與光電技術(shù)實驗室提出了一種SMO關(guān)鍵圖形篩選技術(shù)，聯(lián)合中科院微電子所研究團隊，利用國際主流商用計算光刻軟件進行了仿真驗證，結(jié)果表明該技術(shù)優(yōu)于國際同類技術(shù)水平。
避免閉門造車式創(chuàng)新：全面發(fā)力實現(xiàn)國產(chǎn)光刻機和半導體的突破
當前，全球半導體產(chǎn)業(yè)正在發(fā)生以5G、物聯(lián)網(wǎng)為標志的第三次大轉(zhuǎn)移，為中國半導體產(chǎn)業(yè)崛起提供了機遇。產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移疊加安全需求，半導體國產(chǎn)化趨勢明確。
中國電子行業(yè)仍大規(guī)模依賴美國技術(shù)，尤其是中上游對外依賴度高，半導體材料與設(shè)備國產(chǎn)化率平均不足20%。尤其是芯片、射頻器件和FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）等核心元器件，面臨著美國的大規(guī)模壟斷。
隨著摩爾定律逐漸無以為繼，通過快速技術(shù)升級提升半導體供應能力的路線難以走通，全球?qū)Π雽w的需求，隨著人工智能、5G等新一代技術(shù)加速部署，以及數(shù)據(jù)中心的擴張快速增長，半導體行業(yè)供需關(guān)系出現(xiàn)倒掛，未來半導體產(chǎn)業(yè)的地位越發(fā)關(guān)鍵，對半導體的投資將迎來黃金時刻。
此外，技術(shù)更迭的速度逐步加快，在對半導體加大投資的過程中，須對產(chǎn)業(yè)前景做好預判，防止出現(xiàn)半導體行業(yè)成果出現(xiàn)后賽道被拋棄的局面。
發(fā)揮體制優(yōu)勢，建立協(xié)同的投資和發(fā)展模式。中國擁有“集中力量辦大事”的體制優(yōu)勢，在市場經(jīng)濟條件下，應發(fā)揮社會資本的重要作用，堅持國家資本和社會資本雙管齊下投資產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
相對于國家資本而言，社會資本對行業(yè)具有天然的親和性，更貼近行業(yè)現(xiàn)狀，對動向的洞悉更敏銳，更容易實現(xiàn)技術(shù)突破。利用國家大基金等資本的帶動作用，引導社會資本深入半導體產(chǎn)業(yè)，布局先進技術(shù)，更能推動產(chǎn)業(yè)整體進步。
對于光刻機等技術(shù)要求高、研發(fā)投入大的領(lǐng)域，可以由國家推動，仿照荷蘭ASML公司構(gòu)建產(chǎn)業(yè)同盟。以最先進的半導體技術(shù)為目標，以實用為導向，拉攏最優(yōu)質(zhì)、對技術(shù)應用最了解的客戶，與世界領(lǐng)先的供應商合作，通過利益共同體的模式帶動產(chǎn)業(yè)發(fā)展。這就要求中國在專注核心技術(shù)的前提下堅持全球范圍內(nèi)的開放合作，通過對整個產(chǎn)業(yè)鏈的開放合作降低技術(shù)研發(fā)和應用成本，促進技術(shù)快速迭代升級。
堅持人才托舉。中國半導體人才培養(yǎng)應堅持以人為本，參照世界半導體行業(yè)發(fā)達地區(qū)的人才從業(yè)模式，創(chuàng)造最適合、最能吸引人才的工作和生活環(huán)境，對中國籍、華裔和外國人才一視同仁，向歐洲、日本等國家和地區(qū)的人才敞開國門，鼓勵國內(nèi)外人才以各種形式投身中國半導體行業(yè)建設(shè)，發(fā)揮人才的溢出效應。
對人才引進不能只是刻板地引入，更要嘗試“外放”式人才引進，只要人才為我所用，可通過海外研究基地等模式挖掘人才，將國內(nèi)人才送至海外基地培養(yǎng)，堅持引進與培養(yǎng)“兩條腿走路”。
避免閉門造車式創(chuàng)新。日本尼康公司在與荷蘭ASML公司的競爭中失敗的一個重要原因，尼康堅持自產(chǎn)自研的發(fā)展模式；不論是光刻機中的零件，還是關(guān)鍵技術(shù)，尼康都希望通過自主研發(fā)獲得完全掌控。ASML則背靠荷蘭飛利浦，以歐洲精密機床和儀器為基礎(chǔ)，以美國先進技術(shù)為核心，與臺積電等制造公司緊密合作，堅持互利共贏、開放合作的發(fā)展模式。
在半導體這個對技術(shù)要求苛刻、資金需求巨大的行業(yè)內(nèi)，閉門造車式創(chuàng)新不僅成本過重，后繼乏力，更難以形成正向的產(chǎn)業(yè)循環(huán)，中國應引以為戒。
參考鏈接：
https://www.sohu.com/a/505500389_115479
總結(jié)
