我國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)為何會(huì)被光刻機(jī)掐住了脖子？

眾所周知，航空發(fā)動(dòng)機(jī)和光刻機(jī)分別代表了人類科技發(fā)展的頂級(jí)水平，都可以算得上是工業(yè)皇冠上的奪目的明珠。目前，我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，那么，我國(guó)的光刻機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀如何？這種譽(yù)為新時(shí)代“兩彈一星”級(jí)別的“神器”我國(guó)能趕超歐美嗎？特別是最近某科技媒體稱，“是什么卡了我們的脖子—— 這些“細(xì)節(jié)”讓中國(guó)難望頂級(jí)光刻機(jī)項(xiàng)背”，筆者根據(jù)公開資料解析我國(guó)光刻機(jī)最新進(jìn)展。所謂光刻機(jī)，原理實(shí)際上跟照相機(jī)差不多，不過它的底片是涂滿光敏膠（也叫光刻膠）的硅片。各種電路圖案經(jīng)激光縮微投影曝光到光刻膠上，光刻膠的曝光部分與硅片進(jìn)行反應(yīng)，將其永久的刻在硅片上，這是芯片生產(chǎn)的最關(guān)鍵步驟。 由于光刻機(jī)在芯片最后的封裝，以及平板顯示器件生產(chǎn)都可以用到，所以這里的光刻機(jī)一般特指芯片生產(chǎn)的前道光刻機(jī)。

由于前道光刻機(jī)技術(shù)極端復(fù)雜，經(jīng)過多年競(jìng)爭(zhēng)，目前由原荷蘭飛利浦公司發(fā)展而來的ASML（阿斯麥）公司一家獨(dú)大，占據(jù)大部分市場(chǎng)份額，日本的兩家光刻機(jī)公司（尼康和佳能）茍延殘喘，基本上已退出光刻機(jī)市場(chǎng) ，就連科技最發(fā)達(dá)的美國(guó)目前也不能獨(dú)自完整生產(chǎn)出前道光刻機(jī) ，只要求掌握最關(guān)鍵技術(shù)，和擁有ASML（阿斯麥）公司關(guān)鍵控股權(quán)。一些言論認(rèn)為：“作為集成電路制造過程中最核心的設(shè)備，光刻機(jī)至關(guān)重要，芯片廠商想要提升工藝制程，沒有它萬萬不行，我國(guó)半導(dǎo)體工藝為啥提升不上去，光刻機(jī)被禁售是一個(gè)主要因素”。實(shí)際上，早在1971年，我國(guó)清華大學(xué)精儀系就成功研制出了“激光干涉定位自動(dòng)分步重復(fù)照相機(jī)”，也就是前道步進(jìn)光刻機(jī)原型。那時(shí)，現(xiàn)在的光刻機(jī)巨頭ASML還未創(chuàng)立，可以說跟歐美光刻技術(shù)處于同一水平，進(jìn)入80年代后，隨著國(guó)家放慢了對(duì)半導(dǎo)體工業(yè)支持的腳步，面對(duì)飛速發(fā)展的國(guó)際半導(dǎo)體行業(yè)，我國(guó)卻被遠(yuǎn)遠(yuǎn)甩在了后面。

進(jìn)入21世紀(jì)后，我國(guó)重新開展了前道光刻機(jī)的研發(fā)工作，并成立了專門的研發(fā)公司——上海微電子裝備有限公司（SMEE）。當(dāng)時(shí)國(guó)外公司傲慢的說，“即使把圖紙和元器件全部給你們，你們也裝配不出來”。上海微電子裝備有限公司進(jìn)行集成式創(chuàng)新，終于于2007年研制出了我國(guó)首臺(tái)90納米高端投影光刻機(jī)，成為世界上第四家掌握高端光刻機(jī)技術(shù)的公司。據(jù)公開資料披露，由于該樣機(jī)大量采用外國(guó)關(guān)鍵元器件進(jìn)行集成，在得知我國(guó)研制出光刻機(jī)后，外國(guó)公司默契的進(jìn)行了關(guān)鍵元器件禁運(yùn)，樣機(jī)成了擺設(shè)，無法投入商業(yè)化生產(chǎn)。公司不得不將產(chǎn)品開發(fā)投入到技術(shù)含量較低的后道封裝光刻機(jī)和平板顯示光刻機(jī)上來，并成功的占領(lǐng)了國(guó)內(nèi)封裝光刻機(jī)80%的市場(chǎng)，解決了公司生存危機(jī)，但我國(guó)芯片生產(chǎn)的關(guān)鍵難題并沒有解決。

面對(duì)如此困難的局面，我國(guó)并沒有泄氣，認(rèn)真梳理了前道光刻機(jī)的關(guān)鍵核心技術(shù)，決定開展全國(guó)科技大協(xié)作，投巨資和精兵強(qiáng)將攻下這一科研難關(guān)。第一道難關(guān)是光刻機(jī)的曝光光學(xué)系統(tǒng)，由數(shù)十塊鍋底大的鏡片串聯(lián)組成，其光學(xué)零件精度控制在幾個(gè)納米以內(nèi)，ASML公司的鏡頭組由老牌光學(xué)儀器公司德國(guó)蔡司獨(dú)家生產(chǎn)。該項(xiàng)技術(shù)由生產(chǎn)遙感衛(wèi)星鏡頭的長(zhǎng)春光機(jī)所和國(guó)防科技大學(xué)光學(xué)精密工程創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)等聯(lián)合攻關(guān)，已獲得多項(xiàng)突破性成果。成功研制了含有非球面光學(xué)元件的投影光刻曝光光學(xué)系統(tǒng)，并在上海微電子90nm光刻機(jī)整機(jī)上獲得了滿足光刻工藝要求的85nm極限曝光分辨率的成果，并全面掌握了浸沒式28nm光刻機(jī)以及更高水平的光刻機(jī)曝光光學(xué)系統(tǒng)，已批量生產(chǎn)110nm節(jié)點(diǎn)KrF曝光光學(xué)系統(tǒng)，值得一提的是，更短波長(zhǎng)的極紫外EUV投影光刻機(jī)曝光光學(xué)系統(tǒng)也成功突破，獲得EUV 投影光刻32 nm 線寬的光刻膠曝光圖形。

第二道難關(guān)是光刻機(jī)的激光光源，據(jù)非官方消息稱，上海微電子的光刻機(jī)光源就因?yàn)闆]有國(guó)產(chǎn)化，被西方公司卡脖子導(dǎo)致無法商用。光刻用準(zhǔn)分子激光器光源需要窄線寬、大能量和高脈沖頻率，這些參數(shù)互相矛盾，研制難度極大，目前經(jīng)兼并組合后，全世界只有一家日本公司獨(dú)立生產(chǎn)光源，其余皆被ASML公司收購(gòu)。我科學(xué)院光電研究院等承擔(dān)光刻機(jī)中的ArF準(zhǔn)分子激光光源研發(fā)任務(wù)后，經(jīng)9年努力，已完成國(guó)內(nèi)首臺(tái) “65納米 ArF 步進(jìn)掃描雙工件臺(tái)光刻機(jī)曝光光源”制造任務(wù)和 “45納米以下浸沒式曝光光源研制與小批量產(chǎn)品生產(chǎn)能力建設(shè)”任務(wù)。以及20-40瓦 90納米光刻機(jī) ArF曝光光源批量化生產(chǎn)任務(wù)。第三道難關(guān)是光刻機(jī)工件臺(tái)，為將設(shè)計(jì)圖形制作到硅片上，并能在2~3平方厘米的方寸之地集成數(shù)十億只晶體管， 光刻機(jī)工件臺(tái)在高速運(yùn)動(dòng)下需達(dá)到2nm（相當(dāng)于頭發(fā)絲直徑的三萬分之一）的運(yùn)動(dòng)精度。

日本尼康株式會(huì)社的社長(zhǎng)來我國(guó)訪問時(shí)曾說過這么一句話：“光刻機(jī)光學(xué)系統(tǒng)雖然很難，我相信你們能夠研制出來，但（雙）工件臺(tái)恐怕就拿不下來了，因?yàn)檫@個(gè)系統(tǒng)太復(fù)雜了?！蔽覈?guó)的清華大學(xué)等單位經(jīng)努力攻關(guān)，不僅做出了滿足90納米光刻需要的工件臺(tái)，針對(duì)28至65納米光刻配套的雙工件臺(tái)也已研制成功，使我國(guó)成為世界上第二個(gè)研制出光刻機(jī)雙工件臺(tái)的國(guó)家。第四道難關(guān)是光刻機(jī)浸液系統(tǒng)，進(jìn)入65納米以下制程后，曝光光學(xué)系統(tǒng)已不能滿足需要，急需新的技術(shù)。臺(tái)積電技術(shù)人員經(jīng)研究，提出采用以水為透鏡，激光光束透過“水”為中介，縮短成更短波長(zhǎng)，并與ASML公司合作，研制出45納米浸沒式光刻機(jī)。就是這項(xiàng)發(fā)明使原有193納米波長(zhǎng)光刻機(jī)不斷延續(xù)，芯片制程最低可達(dá)7到14納米，臺(tái)積電和ASML公司分別成為各自領(lǐng)域龍頭企業(yè)。

我國(guó)浙江大學(xué)經(jīng)多年研究，研制出浸液控制系統(tǒng)樣機(jī)，為我國(guó)浸沒光刻機(jī)的研制提供技術(shù)支撐。該項(xiàng)目研發(fā)成功后將推動(dòng)國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)一舉超越Nikon和Canon的光刻機(jī)，成為全球光刻機(jī)生產(chǎn)企業(yè)第二名。隨著上述四大關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)成功，ASML公司不得不與上海微電子重新建立合作伙伴關(guān)系，并聲稱，從來沒有對(duì)中國(guó)出售最先進(jìn)光刻機(jī)進(jìn)行所謂的“禁運(yùn)”，愿意隨時(shí)給我國(guó)出口最高級(jí)的光刻機(jī)，筆者認(rèn)為，再給我國(guó)5至8年時(shí)間，我國(guó)光科技技術(shù)將站上世界領(lǐng)先地位，那時(shí)，我國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)將迎來一片曙光。