国产光刻机五十年：星星之火，可以燎原？_风闻
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！2021-01-29 16:00
“星星之火，可以燎原。现在虽只有一点小小的力量，但它的发展会是很快的。”
—— 《毛泽东选集》第一卷
撰文 | 陈辰
2001年2月27日，中科院院士、北大微电子研究院院长王阳元在中南海作了一场报告，分析我国发展微电子和集成电路产业的必要性、紧迫性、措施和建议。这次报告让与会者对半导体的战略地位有了进一步理解。
当时主持会议的国务院副总理在听取报告后，随即指出：集成电路是电子产品的“心脏”，是信息产业的核心基础，因此必须大力发展集成电路产业。无疑，这一结论给国内半导体产业发展带来了举足轻重的动力。
2002年，光刻机被正式列入“863重大科技攻关计划”。随后，在科技部和上海市政府牵头下，国内多家科技企业共同组建了上海微电子，以承担攻坚项目任务。其中重点研发的是100nm步进式扫描投影光刻机。
大任降于谁？时任上海电气总公司执行副总裁贺荣明挑起担子，任上海微电子总经理。公司刚成立不久，他就踌躇满志的带着技术团队去欧洲、美国等地开展技术合作。但没想到是，对方却几乎都把他当“国际骗子”。
在贺荣明提出“中国人也要做光刻机”时，外国专家的眼神里充满了诧异和不信任，而且多多少少带着对中国科技人员的不屑和蔑视，一名德国工程师甚至撂下一句狠话：“就是给你们全套图纸，你们也做不出来！”
自尊心受到此番刺激，贺荣明很不服气。在回国后很长一段时间内，他都是怀着赌气的心思带领团队奋斗。而这样的愤懑直到多年后，上海微电子设计并交付了第一台国产封装光刻机，给中国台湾客户时才得以消解。
“我们真的从来没想到中国人可以做出光刻机，作为中国人我为此感到自豪。”客户的肯定似乎引发了情感宣泄口，后来贺荣明在一次公司大会上说，“如果我们的存在和努力能够获得同行尊重，做什么都值了！”
时至今日，上海微电子已成为国内最先进的光刻机设备厂商，在封装光刻产品国内市场占有率达80%、全球市场占有率为40%。另外，其LED/MEMS/功率器件光刻机性能指标领先，而且LED光刻机市场占有率第一。
但在用于芯片制造的前道光刻机领域，上海微电子可量产的最先进设备仅处于90nm工艺制程节点。纵然其披露将于2021年交付28nm制程光刻机，也与荷兰企业阿斯麦（ASML）的5nm以下制程设备相差甚远。
显然，在光刻机的自主攻坚之路上，国内企业和科研机构等依然任重道远。而如果钩沉历史，国产光刻机的星星之火，有过旺盛，有过湮灭，有过重燃，最终走到了现在的模样。若展望将来，这把火是否还能燎原？
01 曙光
1952年，战争硝烟刚刚散去，中国便开启了一项科技事业：成立电子计算机科研小组，由中科院数学所所长华罗庚负责。随后十余年，国内陆续试制成功第一只晶体三极管、第一只锗晶体管和第一代硅平面晶体管。
时至1965年，北京、石家庄和上海等地相诞生第一块集成电路。这标志着中国开始用光刻技术制造芯片。而接着经历近十年停滞不前后，随着高考恢复及科研事业兴起，国人重新燃起了对半导体技术的追求与渴望。
同年，行业就传来捷报：中国第一台GK-3型半自动接触式光刻机诞生。但这种光刻机相对粗糙，只是将光罩直接压在硅片上、再用灯光照射。因此，其光罩易变形和造成污染、难以重复使用，与国际水平差距较大。
对比来看，美国早在五十年代已拥有接触式光刻机。这意味着中美技术相差达20年左右。1978年，美国GCA公司又推出真正意义的自动化步进式光刻机。而当年中科院1445所升级开发的GK-4，仍没有摆脱接触式。
不过，在思潮拐点来临前，人心齐泰山移。1980年，清华大学研制出分布式投影光刻机，精度3微米；1981年，中科院半导体所研制出JK-1型半自动接近式光刻机；1982年，中科院109厂研制出KHA-75-1光刻机……
这些设备水平均不低，甚至接近国际主流水平。到了1985年，中电科45所研制出的分步式投影光刻机，被电子部技术鉴定为：达到GCA在1978年推出的4800DSW光刻机水平。这使中美光刻机技术差距缩短至7年。
但也有行业人士指出：这些设备偏科研项目，没有经过产线验证，并不能代表真实水平。另外，有一段时间，国内相关研究成果及论文，在通过专家评审后即被束之高阁，导致光刻机技术停留在“纸上谈兵”阶段。
不过，受此影响，且在市场化刚启动下攻克技术、制造出设备，就更能代表硬核实力。如果梳理国产光刻机早期发展脉络也可以发现：五十年代奠基，六七十年代一路向前，而八十年代前期仅次于美国，甚至比肩日本、领先韩台。
整体上，在二十余年间，老一辈革命者和建造者奉献自己的青春，造就了中国半导体产业的特殊荣光：从单晶制备、设备制造、集成电路制造的全产业链，自给自足性之强逐步达到了顶峰，且基本不依赖国外进口。
02 内忧
伴随着国门初开，中国半导体的盛景下也存有隐忧。1980年，无锡的江南无线电器材厂（742厂）引进日本东芝的电视机集成电路5微米全套产线后，迅速崛起成为国内产能最大、工序最全的现代化集成电路制造厂。
这意味着，中国第一次从国外引进集成电路技术产线获得了极大成功。此后，全国有33家单位不同程度地引进各种集成电路生产线设备，累计投资约13亿元。但由于面临多重困难，最终只有少数几条产线建成使用。
出现这种情况也有其特殊时代背景。1984年，十二届三中全会明确提出：进一步贯彻执行对内搞活经济、对外实行开放的方针。其中为搞活经济，“拨改贷”政策应运而生。此后，一些半导体项目因贷不到款而停滞。
但是，仍有极少部分重点项目一直在跟进研发。如中电科45所，分别在1985年和1994年别研制出g线1.5微米和0.8微米分步式投影光刻机；中科院光电所，于1991年研制出分辨率1微米同步辐射X-射线光刻机等等。
另外，在扩大对外开放环境下，“造不如买”的思潮迅速蔓延全国。于是，各地政府大量引进国外的半导体设备和产线；一大批企业抛弃独立自主、自力更生的方针，盲目引进开放，走上以“贸工技”为指导的发展路线。
比如1986年，国家制定改革开放以来首个发展集成电路的重大举措——531战略，即普及推广以742厂为基点的5微米技术，同时开发3微米、攻关1微米技术。但是，742厂后两种技术的设备和技术仍然全从国外引进。
此后，由于缺少支持和顶层设计等，国产集成电路的科研、教育及产业上出现脱节。在科研上，国内追随国外制定的技术标准和技术体系；在教育上，与金融贸易相关的专业都成了热门，软件工程师则变成冷门职业。
在产业上，一些半导体企业热衷于为外企做组装，以大量廉价劳动力来换取经济利益。而极少数坚持自主路线的企业，只能在买办和外资的挤压夹缝中生存。于是，中国原有的独立半导体科研和产业体系已然崩塌。
伴随着东亚尤其韩国半导体产业的突飞猛进，政府也意识到发展集成电路的重要和紧迫性。九十年代中期，中央领导更指示，“砸铁卖铁也要把半导体产业搞上去。”于是，横跨十年的908、909工程宣告启动。
但最终，两项工程的主体承担企业无锡华晶和上海华虹，要么失败要么收效甚微。而覆巢之下，安有完卵？没有市场、资金和人才等支撑，国产光刻机在整个九十年代再无更大建树，且与国际水平差距越拉越大。
03 外患
国内半导体产业的起伏跌宕，外部因素同样十分重要。八十年代初，在自动化步进式光刻机出现后，全球正式开启了群雄争霸的光刻机大发展时代。日本的尼康、佳能开始与美国GCA、Ultratech、Eaton等一较高下。
1984年，尼康已经和GCA平起平坐，各占全球三成市场，Ultratech占约一成，剩余几家每家都不足5%的市占率。也是这一年，阿斯麦成立。后来，由于日本动态存储芯片出现大规模产能过剩，价格大幅下跌近80%。
自此，美国半导体产业遭受巨大打击，包括GCA、Ultratech等一众光刻机厂商出现严重财务危机，从而在被边缘化的道路一去不复返。于是美国政府开始反制。倒是阿斯麦因为公司体量小，损失不大，继续开发新品。
而这时在国内持续扩大对外开放下，一方面，半导体企业纷纷转向在国际光刻机厂商之间“精挑细选”。另一方面，908、909等大型工程也分别选择与美、日企业合作。这导致国内光刻机产业受到严重冲击与挤压。
此外，国际政治环境变化也带来极大挑战。早在“巴黎统筹协会”框架下，西方就一直对社会主义国家实施高技术禁运，其中包括对光刻机限制性出口。而随着冷战结束、“巴统”解散，中国便成为被针对的主要矛头。
1996年7月，在美国主导下，33个西方国家签署了《关于常规武器和两用物品及技术出口控制的瓦森纳协定》。要知道，“巴统”曾只有17个成员国，而《瓦森纳协定》现已拥有42个成员国。俄罗斯也成了其中一员。
在这一框架下，西方国家对中国半导体技术及光刻机等设备出口，一般都遵循“N-2”的原则审批，即比最先进技术落后两代。如果再在审批过程中适当拖延一下，基本上中国能拿到的设备技术就落后三代甚至更多。
即便是已出口的光刻机也有保留条款，包括禁止给国内自主芯片做代工，不得生产用于军事科研和国防领域的芯片。此外，《瓦森纳协定》还限制华裔工程师进入欧美知名半导体公司的核心部门，以防技术泄露。
同样重要是的，虽然《瓦森纳协定》允许成员国在自愿基础上对各自的技术出口实施控制，但实际成员国在重要技术出口决策上都受到美国的影响。比如美国就曾干预阻断西方国家对华出口光刻机、雷达系统等。
在外部发展空间日益逼仄下，为了开辟一条生路，国内曾提出“以市场换技术”，大幅降低关税。但这却导致国内集成电路产业，包括光刻机受到狂风暴雨般的冲击。此后，国内光刻机市场成为欧美日企业的天下。
04 觉醒
1999年，北约入侵科索沃时，美国的电子信息战瘫痪了南联盟几乎所有网络通讯系统。这让中国政府为之一震。当时的信产部、科技部多次召开紧急会议讨论：一旦与美国闹掰，国家信息安全将面临怎样的威胁？
基于国家信息安全及产业发展考虑，2000年6月，国务院印发《鼓励软件产业和集成电路产业发展的若干政策》，即18号文件。在政策补助和庞大市场等刺激下，中国整个半导体产业出现海归创业和自主发展热潮。
紧接着，2002年，光刻机被列入“863重大科技攻关计划”。其中，上海微电子是攻关项目主体承担企业，而中电科45所原分布式投影光刻机研发团队整体迁至上海参与“助攻”。自此，国产光刻机事业才再度觉醒。
但这时的光刻机对技术、精度、速度要求已高到难以想象，逐步成为一种集合数学、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、图像识别等领域顶尖技术的产物。
另外，温度、湿度、光线等都会影响到最终的研制成败。连贺荣明也不得不承认：“其难度相当于两架大飞机从起飞到降落，始终齐头并进。一架飞机上伸出一把刀，在另一架飞机的米粒上刻字，不可以出差错。”
因此，上海微电子要造出光刻机，无异于在沙漠上盖起一栋摩天大楼。没有人才团队，没有技术积累，没有配套的供应链。一切几乎都从零开始，而且西方国家的限制很多。但是，“世上无难事，只要肯登攀。”
2002年，在上海张江高科技园区张东路1525号，一片农田开始“换新颜”。在其中一方鱼塘旁，上海微电子开工建设，落地扎根。而贺荣明带着几位满怀梦想的“战友”来到张江，开启了研制国产光刻机的艰难之路。
“除了出差，每天早上7点出门，晚上10点回家，周六保证不休息，周日休息不保证。这就是我十几年生活的全部。”贺荣明在接受《解放日报》采访时说，“我讲不出你们要听的精彩故事，只不过十几年干了一件事。”
当记者提问，“如果你干几年就离开，会不会发展得比现在好？”他回答道：通常赛马的双目边都有块“板”，这样马的视觉广角小一点，就更专心往前跑。“历史赋予我们研发中国光刻机的任务，也就不该再想别的了。”
虽然公司得到政府资金支持，但贺荣明认为，企业如果不具备在市场竞争中“自我造血”能力，是不会长久的。于是他在攻坚100nm前道光刻机时，抽调部分人员研制封装光刻机。后来，事实证明他这次“赌”对了。
05 破局
就在上海微电子成立时，国际光刻机技术取得了重大突破。此前，光刻光源已被卡在193nm无法进步长达20年。各国科学家和产业界一直在探讨解决方案。最终，2002年，台积电提出的浸入式193nm方案获得成功。
此后，阿斯麦抓住机会与台积电合作，在一年的时间内就开发出了样机，并在之后推出浸入式光刻机XT:1700i。这台设备比之前最先进的干法光刻机分辨率提高了30%，可用于45nm量产，助推阿斯麦加速走向霸主。
而同期中国刚刚启动193nm ArF光刻机项目，即落后了国际水平20多年。于是，上海微电子开启艰苦追赶，并在2007年宣布突破365nm光波长的DUV（深紫外）光刻技术，研制出90nm工艺的分布式投影光刻机。
于是，2008年，国家成立了“极大规模集成电路制造装备与成套工艺专项”（02专项），主攻高端装光机技术，以及材料和工艺等产业配套能力。根据02专项，国产光刻机研发工作采用类似“Out House”研发模式。
此后，除了整机制造，国家扶持了一批配套企业的研发，如长春光电所、上海光电所和国科精密研究曝光光学系统，北京华卓精科承担双工件台，南大光电研制光刻胶，启尔机电负责突破DUV光刻机液浸系统等。
在持续的投入攻坚下，光刻机产业链环节开始取得突破。2016年，国科精密研发的国内首套用于高端IC制造的NA=0.75投影光刻机物镜系统，国望光学研发的首套90nm节点ArF投影光刻机曝光光学系统都已交付。
同年，上海微电子SSX600系列三款步进扫描投影光刻机实现量产，其中SSA600/20光刻机分辨率达到了90nm。但是，这也意味着上海微电子用了九年时间才实现90nm光刻机量产，而且仍没有做出更先进的产品。
具体而言，90nm制程的光刻机一般用于电源管理芯片、MCU等非核心芯片的生产，并不能满足智能手机处理器等产品的需求。目前，大陆芯片代工龙头中芯国际14nm晶圆代工产线上，即采用阿斯麦的DUV光刻机。
不过，虽然国产光刻机还没走出困境，但细枝末节处已见微光。2016年，华卓精科成功研制出两套双工作台样机，并通过02专项验收。自此，华卓精科打破了阿斯麦的垄断，成为世界第二家掌握这项技术的企业。
06 燎原？
相比阿斯麦背靠欧美先进研究成果，手持英特尔、三星和台积电等股权投资换来的巨额研发资金等，顶着《瓦森纳协定》的国产光刻机产业，成长基石明显处在低洼劣势。那么国产光刻机的星星之火，还能燎原吗？
在光刻机的复杂产业链上，可分为两大部分，一是光刻机核心组件，包括光源、镜头、双工件台、浸液、曝光光学等关键子系统；二是光刻配套设施，包括光刻胶、光掩膜版、涂胶显影、光刻气体和缺陷检测等。
2018年11月，中科院研制的“超分辨光刻装备”通过验收。其光刻分辨力达22nm，结合双重曝光技术后，未来还可用于制造10nm级芯片；2019年，清华大学和华卓精科的双工件台系统完成研发和试产基地建设。
曝光系统和双工件台关键系统的成功，成为国产光刻机产业链燎原的起点星火。目前，浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室和启尔机电研发的浸液系统，水平排名世界第三。而前两名分别是阿斯麦和尼康。
此外，中科院光电研究院负责的准分子激光光源系统，由北京科益虹源负责产业转化，研究成果40W 4kHz ArF光源已经交付。这项成果继美国Cymer（已被阿斯麦收购）、日本Gigaphoton公司后，位列全球第三。
“如今在我们超洁净度的厂房里，一台台占地几十平方米的光刻机，就像一个个思想的巨人矗立在那里。”贺荣明时常隔着玻璃，凝视这那些由几万个超精密零件和数百万代码组成的复杂系统，似乎能从中看到光量。
为了使整个研制过程处于良好受控状态，贺荣明一边努力学习并借鉴世界上大型复杂工程项目的管理案例，一边将创新视为企业的生命和永恒的“发动机”。而他的梦想是：让国际同行增加对中国科技工作者的尊重。
目前，我国经济社会运转高度依赖进口半导体，对外依存度达八成。预计2020年芯片进口额将继续逾3000亿美元，并仍远超排名第二的原油进口额。而一旦国产光刻机突破28nm以下技术，将产生极大“燎原”之势。
07 前路
在设备类别上，光刻机分为前道和后道光刻机，前道光刻机用于芯片制造，后道光刻机则主要用于芯片封装。目前，全球前道光刻机市场完全被阿斯麦、尼康和佳能垄断，而上海微电子是后道光刻机领域的霸主。
而在前道光刻机领域，即便上海微电子披露将于2021年交付28nm制程设备，也仍与阿斯麦5nm制程的光刻机，足足存在22nm、14nm、10nm、7nm四代差距。但上海微电子的DUV光刻机水平，仍然有望追平阿斯麦。
在工艺技术上，光刻机可分为无掩模和有掩模光刻机，前者技术壁垒相对较低，一般用于高分辨率掩模版、集成电路原型验证芯片等特定芯片领域。而技术壁垒较高的有掩模光刻机，多用于先进制程的前道工艺中。
如果再细分，无掩模光刻机又可分为电子束直写光刻机、离子束直写光刻机、激光直写光刻机。而有掩模光刻机可分为接触/接近式光刻机，及投影式光刻机。此外，有掩模光刻机还可按照光刻光源的代际进行划分。
目前，上海微电子正在研发的193nm光波长ArF（氟化氩）浸没式光刻机属于第四代光刻机，可用于45-22nm制程芯片生产。而第五代的EUV光刻机采用13.5nm波长的光源，是突破7nm芯片制程节点必备的工具。
另据方正证券2020年发布的一份研报，在02专项光刻机项目二期中，设定于2020年12月验收193nm光波长ArF浸没式DUV光刻机。而这台设备直接对标的就是，阿斯麦现阶段最强DUV光刻机TWINSCAN NXT：2000i。
虽然在短时间内，上海微电子可能无法实现193nm光波长ArF浸没式DUV光刻机的量产，但这一技术突破的战略意义毋庸置疑。要知道，理论上来说，193nm光波长ArF浸没式DUV光刻机可以用于7nm制程芯片的生产。
至于将来更长远的发展，曾有专家说过，EUV光刻机并不是必需的。而常被拿来佐证这一观点的案例是，中芯国际N+1、N+2代工艺都不会使用到EUV工艺，而台积电也是在第三代7nm工艺才开始引入EUV光刻机。
08 挑战
凡事预则立，不预则废。当前，国产前道光刻机产业的发展仍面临不少问题与挑战。首先，在组织方面，参与国内光刻机研发的有高校、企业和研究所，力量相对分散，产、学、研各界整体存在“各自为政”的情况。
虽然02专项在梳理，但仍有待设立一个由政府和企业共同管及运行的联盟组织，来统一规划、推动整个国产光刻机产业的发展。多位业内人士也认为，建立一个产业联盟，多方吸纳、分层引导的思路或许更可取。
其次，光刻机需要与产业紧密结合。国内半导体企业目前大部分采用阿斯麦的光刻机，而非选择与上海微电子共研，支持最新工艺的光刻机。但芯片制造的卡脖子之痛，会让产业链企业对国产设备比之前更为重视。
另外，光刻机产业技术的创新能力，本质还在于人才。以上海微电子为例，公司研发人员较长期只有数百人，2019年初达到1150名，但仅为阿斯麦的1/6。因此，源源不断地增强新的储备人才，同样十分重要。
随着全球化的演变，供应链国际化仍是不可阻挡的发展趋势。比如在阿斯麦EUV光刻机的超10万个零件中，就有90％的关键设备并非来自荷兰。但是在西方的技术限制下，中国一直很难获得世界先进水平的设备供应。
当前，国际贸易环境似乎正变得更加严峻。2018年，中芯国际花费约1.2亿美元，向阿斯麦订购了一台EUV光刻机。但在美国千方百计阻挠下，目前这台光刻机还未成功交付。由此，自主攻关光刻技术已变得意义非凡。
不过，一味强调“完全国产化”，倒不如放眼长远，站在全球系统的视野来制定正确发展策略，在加大技术和专利积累同时，密切国内外合作关系。国产光刻机的发展路径，应不局限于国内，而是全球化的“国产化”。
而在国产光刻机努力追赶的路上，动不动就鼓吹“突破技术封锁”论调，不仅容易滋长盲目自信、引发外部恐慌或更强压制，对国内科技领空的发展也没什么益处。因此，对外强调产业链的合作与共赢是重要方向。
在国际竞争中，光刻机技术创新与发展是一场多维较量。有一次工作汇报，贺荣明做了一个特别的分享。期间，他提到曾用自有专利对很多在中国申请专利保护范围过大的专利进行阻击，将其保护范围缩小一半。
此外，贺荣明还说：“我深深感到和体会到在未来的世界中，一个国家的大小已经不是由疆土的面积来衡量了，而是由科技领空的大小来决定。守护和拓展我们国家的科技领空，如果我们这代人不担当，谁来担当？”
09 尾声
浮沉五十载，国产光刻机大崛起到来前，道阻且长。如果梳理发展轨迹，它便类似一个“N”字形。其中前二十年，科研人员将20年的差距缩短到7年；中间十五年，将7年差距重新送回20年。而近十五年又在大力追赶。
在最初时期，中国科研人员有强烈的忧患意识。他们在研发初期，就将半导体供应链本土化渠道、成品率、可靠性和稳定性等多种因素拟定在整体项目方案中。但伴随中美建交及改革开放推进，情形开始发生变化。
加大对外开放也引发了思潮震荡。在产业政策、顶层设计变化及与外界交流增多等情况下，许多企业为短期或生存利益受到“造不如买”思想侵蚀。但这条路显然会使科技强国越强、弱国越弱，是中国当前不可取的。
进入新世纪，整个中国半导体幡然醒来。此后历经9年，上海微电子突破90nm光刻机技术，然后用9年实现量产；足足历时近20年，其193nm光波长ArF浸没式光刻机才将突破。而同样时间内，阿斯麦已登顶世界之巅。
英国一位经济学家曾指出，政府与企业长期而富有战略性的引导和投入，是突破性创新的绝对先决条件。是的，在光刻机领域，需要国家的战略投入，及引导政府、科研与企业等协同发展。因为这是一场民族图腾。
如今，贺荣明的头发已全然花白，但他仍在引导公司向“两弹一星”团队学习自力更生、大力协同，并经常对员工们表示：如今国家对自主创新的支持力度史无前例，一定要珍惜这个时代。那为什么要珍惜这个时代？
不难发现，光刻机产业背后的逻辑是：其可以制造手机、电脑、电视、导弹和航天飞机等等设备芯片，因而涉及国计民生，以及科技、军事和社会经济方方面面发展。而在一个人民国家，必然会大力支持这项事业。
当前，资金到位、产业链聚集，围绕着一家大陆有且仅有的光刻机未来巨头，双工作台、光学、光源、物镜及浸没系统等产业链的各环节都被撬动起来。一个暂时落后却也能够基本自足的产业链，已在慢慢长成。
有人把上海微电子比作全村希望，也有人将国内光刻机产业链当成星星之火。但在一起，才能汇聚成一团星火，才能旺盛，才能燎原。而经历五十载跌宕洗练，以及国际形势风云变化，这星火的斗志已不容稍减！
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