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“機器(qi)一開，黃(huang)金(jin)萬兩”，這不是說(shuo)的(de)印(yin)鈔(chao)機，而是不亞于(yu)印(yin)鈔(chao)機的(de)光刻(ke)機。近日(ri)俄羅斯宣布首期投(tou)資6.7億(yi)盧布，派(pai)出(chu)俄羅斯莫斯科電(dian)子(zi)技術學院。目標劍(jian)指當今全球最先進的(de)EUV（極紫外(wai)）光刻(ke)機。
“反正都是突圍，從TND哪個方向突圍不是突圍啊？”當年一部現象級電視劇《亮劍》中，李云龍在蒼云嶺反掃蕩中正面突圍的劇情現在看來仍舊令人心血沸騰。而近日在半導體領域，面臨美國芯片制裁(cai)的(de)(de)大棒全(quan)方(fang)位呼來(lai)，俄(e)羅斯也(ye)打起了半(ban)導體(ti)制裁(cai)的(de)(de)“突圍”戰(zhan)，并(bing)且也(ye)要“正(zheng)面(mian)突圍”。
從俄羅斯的計劃來看，這次“突圍”戰可能不僅要打的成功，而且還要打出一片新天地來。為此，俄羅斯不僅制定了長期投資計劃，首期投資6.7億盧布（約合人民幣5100萬元），還派出了有著“國家隊”之稱的俄羅斯莫斯科電子技術學院（MIET）。目標也是相當不含糊，直接就是挑戰當今全球最先進的EUV（極紫外）光刻機。
此消(xiao)息一(yi)(yi)經爆料，立刻(ke)在(zai)國(guo)內(nei)(nei)引(yin)發了熱烈討論。與俄(e)羅斯一(yi)(yi)樣(yang)，受制于某些(xie)眾所(suo)周知的原因，近年來國(guo)內(nei)(nei)半導(dao)體行業不(bu)斷(duan)遭受重大打擊，國(guo)民(min)同樣(yang)渴望先進的國(guo)產(chan)光(guang)刻(ke)機(ji)(ji)，打破(po)漂(piao)亮國(guo)的技術“卡脖子”。對(dui)于俄(e)羅斯自(zi)研光(guang)刻(ke)機(ji)(ji)，或許(xu)在(zai)一(yi)(yi)部分(fen)人眼(yan)中(zhong)是“異想天開(kai)”的計(ji)劃，然而如果冷(leng)靜下來環(huan)顧思考(kao)，這何(he)嘗不(bu)是為我(wo)們提供(gong)另一(yi)(yi)種思路的可能(neng)呢？
比印鈔機還值錢的光刻機
“機(ji)(ji)器一開，黃金萬(wan)兩”，這(zhe)不(bu)(bu)是(shi)說的(de)印鈔機(ji)(ji)，而是(shi)不(bu)(bu)亞于(yu)印鈔機(ji)(ji)的(de)光刻機(ji)(ji)。如果你對這(zhe)句話沒有(you)概(gai)念，不(bu)(bu)妨看一下阿(a)斯麥（ASML）公司在近些年中(zhong)的(de)股(gu)價走(zou)勢。根據東方財富(fu)網的(de)數據顯示，在近20年的(de)時間里，ASML的(de)股(gu)價從(cong)不(bu)(bu)足50美(mei)元(yuan)翻了十余倍，尤其從(cong)2019年開始，股(gu)價更(geng)是(shi)一路飛漲，最(zui)高(gao)時一度接近900美(mei)元(yuan)，近期(qi)其股(gu)價雖(sui)然有(you)所回(hui)落(luo)，但仍(reng)高(gao)達594美(mei)元(yuan)，總市(shi)值為2391億美(mei)元(yuan)。
然而事實上，ASML真正成為一家在半導(dao)體行業(ye)(ye)內呼風喚雨的企(qi)業(ye)(ye)，也未超過(guo)10年(nian)。早在上個世紀80年(nian)代，ASML僅僅是飛利浦旗下的一家合資小公(gong)司(si)，算上老板(ban)共有31位員(yuan)工。與之相比，它(ta)的對手(shou)卻一個比一個威風、一個比一個雄厚，比如(ru)當(dang)時無可(ke)爭議的巨頭尼康(kang)。真正讓ASML和(he)尼康(kang)，甚至與世界拉開差距的，正是我們如(ru)今心(xin)中念念不忘的EUV光刻機。
簡單來(lai)說，光(guang)刻機(ji)就(jiu)是(shi)以(yi)光(guang)作刀，其本質與投影儀(yi)+照相機(ji)相差無幾，就(jiu)是(shi)把設計好的(de)電路圖投射到(dao)硅片(pian)之上。因此，在1970以(yi)前，現在看來(lai)高大上的(de)光(guang)刻機(ji)的(de)門檻并不算高。1977年我國(guo)最早的(de)光(guang)刻機(ji)GK-3型半自動(dong)光(guang)刻機(ji)誕生時，現在的(de)巨(ju)頭(tou)ASML甚(shen)至還尚未出現，那么到(dao)底是(shi)什么掣肘了光(guang)刻機(ji)的(de)發展(zhan)呢(ni)？
“半導體(ti)行業皇冠(guan)上的(de)明珠”絕非一句夸張之(zhi)詞。光(guang)刻機的(de)原(yuan)理(li)雖然簡單(dan)，但制(zhi)造(zao)過(guo)程卻十分(fen)不易。僅一臺光(guang)刻機就由10萬余個零部件(jian)組成，集合了數學(xue)(xue)、光(guang)學(xue)(xue)、流體(ti)力學(xue)(xue)、高分(fen)子(zi)物理(li)與化學(xue)(xue)、表面物理(li)與化學(xue)(xue)、精密儀器、機械、自(zi)動(dong)化、軟件(jian)、圖(tu)像識別等數十領域(yu)頂(ding)尖的(de)技術。
更重要的是，光刻機從半導體行業中獨立而出形成了范圍極廣、內容極復雜的全球供應鏈體系。以ASML 7nm制程的(de)EUV光刻機為例，其內部90%的(de)關鍵(jian)零部件(jian)來自(zi)國(guo)(guo)外，有超過(guo)5000多(duo)個供應(ying)商，比如其中鏡(jing)頭來自(zi)于(yu)德國(guo)(guo)的(de)蔡司，特殊的(de)復(fu)合材(cai)料來自(zi)于(yu)日(ri)本(ben)，工業靜(jing)謐機床來自(zi)于(yu)瑞典，先進控制軟件(jian)、電源則來自(zi)于(yu)美國(guo)(guo)。
縱觀ASML的(de)成長史，其成功(gong)的(de)背后更多的(de)也(ye)是靠(kao)“朋友圈”，英特(te)爾(er)在1997年攢起來的(de)EUV LLC聯盟幫(bang)了(le)大忙。當然，ASML為(wei)(wei)進入這(zhe)(zhe)一(yi)聯盟也(ye)付出了(le)巨(ju)大的(de)代價，包括在美(mei)國(guo)建立工廠(chang)和研發中(zhong)心，保證55%的(de)零部件(jian)均(jun)從(cong)美(mei)國(guo)供(gong)應商處采購，甚至接受定期(qi)審查（美(mei)國(guo)可以禁(jin)止荷蘭光刻機出口中(zhong)國(guo)的(de)原(yuan)因主要原(yuan)因），但(dan)這(zhe)(zhe)卻(que)為(wei)(wei)ASML“咸魚(yu)翻身”埋(mai)下了(le)伏筆(bi)。除了(le)技(ji)術之外，2013年ASML收(shou)購美(mei)國(guo)的(de)Cymer公(gong)司(si)更是成了(le)它現在能獨占鰲頭的(de)關鍵。
因此，在2010年ASML出貨第一(yi)臺預(yu)生產的(de)(de)(de)EUV光刻機時，雖(sui)然俄(e)羅斯的(de)(de)(de)一(yi)個物理研究所IPM（RAS）也在開(kai)發(fa)EUV的(de)(de)(de)系統(tong)和元件，以及裝置原型的(de)(de)(de)搭建，并且(qie)取(qu)得了一(yi)些成果。比如(ru)開(kai)發(fa)人(ren)員(yuan)提出的(de)(de)(de)輻射源(yuan)設計的(de)(de)(de)原始解決方(fang)案，部分(fen)還(huan)應用到了ASML的(de)(de)(de)光刻機上。但最(zui)終卻還(huan)是以失敗告終。
RAS首席研究員、蘇聯國(guo)家(jia)獎(jiang)獲得者、多層X射線光學系主任Salashchenko Nikolay甚至直(zhi)言(yan)：一個國(guo)家(jia)是無法單獨推動這項工作(zuo)的，而全世(shi)界都(dou)在幫助荷蘭（ASML）。
俄羅斯的美好愿望
很多(duo)人以(yi)為俄(e)(e)羅斯(si)的光刻機(ji)制造計(ji)劃是由于美國的制裁臨時(shi)發起的，其實(shi)不然。上面(mian)提到俄(e)(e)羅斯(si)在2010年(nian)(nian)時(shi)，甚至一(yi)度與(yu)ASML并(bing)(bing)跑。實(shi)際(ji)上，俄(e)(e)羅斯(si)的光刻機(ji)相關研(yan)究(jiu)早在上世(shi)(shi)紀80年(nian)(nian)代(dai)就開始了。當時(shi)負(fu)責研(yan)發同步輻射(she)加速器(qi)的是澤列諾格勒科學中心，后來被并(bing)(bing)入了大名鼎鼎的庫爾恰托夫研(yan)究(jiu)所，蘇聯第(di)一(yi)顆原子彈、第(di)一(yi)顆氫彈、歐洲第(di)一(yi)座原子反應堆、世(shi)(shi)界第(di)一(yi)座原子能發電站，皆出自它(ta)手。
而(er)此次負責這項計劃的(de)是MIET，是俄(e)羅斯的(de)一(yi)所國立研究型高(gao)等院校(xiao)(xiao)，1965年(nian)成立至今已過半百。而(er)該校(xiao)(xiao)的(de)特色(se)學(xue)(xue)科就(jiu)是微(wei)電子學(xue)(xue)、信息技術和計算(suan)機工(gong)程。學(xue)(xue)院共有學(xue)(xue)生6500多人，其(qi)中研究生250多人、副博(bo)士（按照歐(ou)美及中國學(xue)(xue)制為Phd學(xue)(xue)位(wei)）270人、博(bo)士5人。
在經(jing)歷了一輪的(de)失敗后，俄(e)羅斯這(zhe)次計(ji)劃選擇(ze)不同于ASML的(de)極(ji)紫光(guang)(guang)技術的(de)路(lu)線，而是基于X射線的(de)無掩(yan)膜式光(guang)(guang)刻。
首先從光源的選擇來看，一種是極紫外光(guang)(guang)線(xian)(xian)(xian)，波(bo)長在(zai)13.5nm，另(ling)一種為(wei)X射線(xian)(xian)(xian)，波(bo)長介(jie)于0.01nm至10nm之間。光(guang)(guang)刻(ke)機的(de)架構及技術很復雜，但決定光(guang)(guang)刻(ke)機分(fen)辨率的(de)主要(yao)因(yin)素只有三點，包括常(chang)數K、光(guang)(guang)源(yuan)波(bo)長和物鏡的(de)數值(zhi)孔徑。波(bo)長越短，分(fen)辨率就(jiu)越高。因(yin)此，在(zai)光(guang)(guang)源(yuan)選擇上(shang)(shang)來看(kan)，理論上(shang)(shang)X射線(xian)(xian)(xian)比EUV極紫外光(guang)(guang)線(xian)(xian)(xian)更短，分(fen)辨率也就(jiu)更高。
其次從生產的成本和方式來看，EUV光(guang)(guang)(guang)刻(ke)機是特定波長的光(guang)(guang)(guang)透過(guo)(guo)用(yong)(yong)(yong)來(lai)放(fang)大(da)(da)的掩膜，再通過(guo)(guo)透鏡(jing)的縮小(xiao)，將集成(cheng)電路(lu)精(jing)確的“投影”在硅片上。而X射線雖然波長更短但穿透性也更強，用(yong)(yong)(yong)普通透鏡(jing)無(wu)法進(jin)行放(fang)大(da)(da)和縮小(xiao)，因此也就(jiu)無(wu)法實現投影光(guang)(guang)(guang)刻(ke)，而是采用(yong)(yong)(yong)直寫光(guang)(guang)(guang)刻(ke)的方式。這樣一(yi)來(lai)，光(guang)(guang)(guang)刻(ke)機也就(jiu)不(bu)需要光(guang)(guang)(guang)掩膜板，可以節省一(yi)大(da)(da)筆成(cheng)本。
正是因為X射線光刻機的這兩點優勢，當地媒體甚至宣傳這將是全球都沒有的光刻機，ASML也做不到。當然事實也(ye)的確(que)如此，根(gen)據媒體(ti)信息披露，X射線光刻(ke)機雖然并不是新技(ji)術，包括美國(guo)、歐洲、中國(guo)等(deng)都對此進行過研究(jiu)，但全球確(que)實至今沒有能達到(dao)規模(mo)量產的x射線光刻(ke)機。
另外(wai)，X射(she)線光(guang)刻機的(de)工作效率(lv)也是一大挑(tiao)戰。對于直接(jie)通過強激光(guang)束將所需電路(lu)一點(dian)一點(dian)雕刻在硅片上的(de)方式(shi)，這(zhe)個效率(lv)想要實(shi)現納米(mi)級集成電路(lu)確實(shi)不敢恭(gong)維。
根據計劃(hua)，俄羅(luo)斯針對X射(she)線工藝及效(xiao)率的提升，計劃(hua)將(jiang)完成對主要技術(shu)解決方(fang)案的驗證，包括基于(yu)動態(tai)掩膜模(mo)型(xing)的制造和兩項控(kong)制實驗研究。最早將(jiang)于(yu)今年11月開發(fa)動態(tai)掩膜的技術(shu)和模(mo)型(xing)，以及原型(xing)光(guang)刻機(ji)的技術(shu)規范和可(ke)行性研究，工藝要達到28nm及以上。
給國內半導體發展的啟示
長久以來(lai)，國內(nei)(nei)半導體的發展現狀(zhuang)一(yi)直“以買(mai)(mai)(mai)代造”，然而一(yi)輪(lun)大棒揮下發現，錢(qian)財買(mai)(mai)(mai)得來(lai)產品(pin)卻買(mai)(mai)(mai)不來(lai)核(he)心技術；市場換得來(lai)投(tou)資(zi)卻換不來(lai)行業創新。更難的是，隨(sui)著美國禁令加劇，現在產品(pin)和(he)投(tou)資(zi)進入國內(nei)(nei)企業的可能也不容樂觀(guan)。
從技術來(lai)看，盡管國(guo)(guo)內半導體產業已經有了(le)前所未有的使(shi)命感，并在(zai)一些關(guan)鍵技術上取得(de)了(le)突飛(fei)猛進的發展，但短期內想要突破(po)EUV光(guang)刻(ke)機無(wu)疑還是(shi)不可(ke)能的任務。也(ye)難怪一名歐洲高(gao)級(ji)專家曾直言，“就是(shi)給你們(men)全套(tao)圖紙，你們(men)也(ye)做(zuo)不出(chu)來(lai)”，當(dang)然我們(men)后來(lai)打了(le)他的臉，但面向更高(gao)級(ji)別的EUV光(guang)刻(ke)機，雖然不質(zhi)疑國(guo)(guo)內企業的能力(li)，但實際困難畢竟擺在(zai)那(nei)里，不能視而不見(jian)。
當然，跟隨只能永遠落于人后，無論從通信歷史來看，還是國內已經領先的領域來看，想要后發先至，就必須在追逐中實現“彎道超車”，這樣才能避免步步跟不上對手。在“是否能繞過(guo)EUV光刻(ke)機”的探討(tao)中，國內也在不斷嘗試(shi)。
比(bi)如去年華為披露的“雙(shuang)芯(xin)(xin)(xin)(xin)疊加”專利。華為輪值董事長(chang)郭平曾公(gong)開表(biao)示：“解決芯(xin)(xin)(xin)(xin)片(pian)問題是一個復雜(za)的漫長(chang)過程，需要有耐(nai)心，未(wei)來(lai)我們(men)的芯(xin)(xin)(xin)(xin)片(pian)方(fang)案可能采用多核(he)結構，以提(ti)升芯(xin)(xin)(xin)(xin)片(pian)性能。”“雙(shuang)芯(xin)(xin)(xin)(xin)疊加”實際上就(jiu)是通過修(xiu)改(gai)設計邏輯和先進封裝工藝，將雙(shuang)層的技術做到低端制程、高端性能。雖然這一消息曾在去年被(bei)網(wang)友百般嘲諷，但隨著今年的小芯(xin)(xin)(xin)(xin)片(pian)概念普及(ji)，特別是蘋果將兩個M1 max芯(xin)(xin)(xin)(xin)片(pian)合(he)成M1 Ultra之后，讓更多人開始關注到摩(mo)爾定律失效后的探索。
除此之外，發展半導體作為一項國家戰略，政府與企業之間也應該長期而富有戰略性的引導和投入，一方面政府與企業共同承擔風險，做企業背后的支柱；另一方面，通過技術聯(lian)盟，集合國內(nei)半導(dao)體產業上的(de)優勢力量，也(ye)是半導(dao)體突(tu)圍戰的(de)必要舉(ju)措。
最后，技術創新需要以人才為動力。任正非曾說過，“做芯片光砸錢(qian)不行，還要砸人(ren)。目前(qian)這種形勢，我(wo)們確實會受(shou)到影響，但(dan)也能刺激中國踏踏實實發(fa)展電子工(gong)業。過去的方針是砸錢(qian)，芯片光砸錢(qian)不行，要砸數(shu)學(xue)家、物理學(xue)家等(deng)。”
參考資料：
1.《投資6.7億(yi)盧布(bu)(bu)，俄羅(luo)斯宣布(bu)(bu)研(yan)發X射線光(guang)刻機！比ASML的EUV光(guang)刻機還(huan)要先進(jin)？》，芯智訊
2.《給我們(men)全套圖紙，中國人(ren)都造(zao)不出高端(duan)光刻(ke)機？！》，財經國家周刊
3.《光(guang)刻(ke)機大敗(bai)局(ju)》，遠川(chuan)科技評論
4.《大國博弈光刻機，中國如何破局？》，正和(he)島
5.《美國斷供芯片，俄羅斯決定從頭開造光刻機(ji)》，量子位
6.《國產光刻(ke)機(ji)的發展史回顧》，半導體行業觀(guan)察(cha)
7.《ASML的光刻機霸(ba)主(zhu)之路》，半導體行業觀察
