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“機器一開，黃金(jin)萬兩”，這不是說的印(yin)鈔機，而是不亞于印(yin)鈔機的光(guang)(guang)刻(ke)(ke)機。近日俄羅斯(si)(si)宣布首期投資6.7億盧布，派(pai)出俄羅斯(si)(si)莫斯(si)(si)科電子技術學院。目(mu)標(biao)劍指當今全(quan)球最先進的EUV（極紫外(wai)）光(guang)(guang)刻(ke)(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，面臨美國芯片制裁的大棒全(quan)方位呼(hu)來，俄羅斯也打起(qi)了半導體制裁的“突圍”戰，并且(qie)也要“正面突圍”。
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(ci)消息(xi)一經爆料，立(li)刻(ke)在國(guo)(guo)(guo)內引發了熱烈討論(lun)。與俄(e)羅斯一樣，受制于(yu)某些眾所周(zhou)知(zhi)的(de)原因，近年來國(guo)(guo)(guo)內半導體行(xing)業(ye)不(bu)斷遭受重大打擊，國(guo)(guo)(guo)民同樣渴望先進的(de)國(guo)(guo)(guo)產光刻(ke)機，打破漂(piao)亮國(guo)(guo)(guo)的(de)技術(shu)“卡(ka)脖子”。對于(yu)俄(e)羅斯自研光刻(ke)機，或許在一部分人眼中是“異想天開”的(de)計劃(hua)，然而如果冷靜下來環(huan)顧思(si)考(kao)，這何嘗不(bu)是為我(wo)們提供另一種思(si)路的(de)可能呢？
比印鈔機還值錢的光刻機
“機(ji)(ji)器一(yi)(yi)(yi)開，黃金萬(wan)兩(liang)”，這(zhe)不(bu)(bu)是說的(de)印鈔機(ji)(ji)，而是不(bu)(bu)亞于印鈔機(ji)(ji)的(de)光(guang)刻(ke)機(ji)(ji)。如果你對這(zhe)句話沒有概(gai)念，不(bu)(bu)妨看一(yi)(yi)(yi)下阿斯麥（ASML）公(gong)司(si)在(zai)近些年(nian)(nian)中(zhong)的(de)股價走勢。根據東方(fang)財富網的(de)數據顯示，在(zai)近20年(nian)(nian)的(de)時間里(li)，ASML的(de)股價從(cong)不(bu)(bu)足50美元翻了十余倍，尤其(qi)從(cong)2019年(nian)(nian)開始，股價更是一(yi)(yi)(yi)路(lu)飛(fei)漲，最高(gao)時一(yi)(yi)(yi)度接近900美元，近期(qi)其(qi)股價雖(sui)然有所回落，但仍高(gao)達594美元，總市(shi)值為(wei)2391億美元。
然而(er)事實上，ASML真正成為一(yi)家在半導體行(xing)業(ye)(ye)內(nei)呼(hu)風喚雨的(de)企業(ye)(ye)，也未(wei)超過10年。早在上個(ge)世紀(ji)80年代，ASML僅僅是(shi)飛利浦旗(qi)下的(de)一(yi)家合資(zi)小公司(si)，算上老板共有31位員工。與之相比，它的(de)對(dui)手卻(que)一(yi)個(ge)比一(yi)個(ge)威(wei)風、一(yi)個(ge)比一(yi)個(ge)雄厚，比如當時無(wu)可爭議(yi)的(de)巨頭尼康。真正讓ASML和尼康，甚(shen)至與世界拉(la)開差距的(de)，正是(shi)我們如今心中(zhong)念念不忘的(de)EUV光(guang)刻(ke)機。
簡單(dan)來(lai)說，光(guang)(guang)刻(ke)機就是(shi)以光(guang)(guang)作刀，其(qi)本(ben)質與投影儀+照相機相差(cha)無幾，就是(shi)把設計好的電路圖投射到硅片之(zhi)上。因此，在(zai)1970以前，現在(zai)看來(lai)高大上的光(guang)(guang)刻(ke)機的門檻并不算高。1977年我(wo)國最早的光(guang)(guang)刻(ke)機GK-3型半自動光(guang)(guang)刻(ke)機誕生時，現在(zai)的巨頭ASML甚至還尚(shang)未出現，那(nei)么(me)到底是(shi)什么(me)掣(che)肘了光(guang)(guang)刻(ke)機的發展呢？
“半(ban)導體行業皇冠(guan)上(shang)的(de)明珠”絕非一(yi)(yi)句夸(kua)張之詞(ci)。光刻(ke)機的(de)原(yuan)理(li)雖然簡(jian)單，但制造過程卻十分(fen)不易(yi)。僅(jin)一(yi)(yi)臺光刻(ke)機就由(you)10萬(wan)余個零部件(jian)組成，集合了數(shu)學(xue)(xue)、光學(xue)(xue)、流體力學(xue)(xue)、高分(fen)子物理(li)與(yu)化學(xue)(xue)、表(biao)面物理(li)與(yu)化學(xue)(xue)、精密儀器、機械、自動化、軟件(jian)、圖像識別等數(shu)十領域頂尖的(de)技術(shu)。
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(ke)機為例(li)，其(qi)內部90%的(de)關鍵零(ling)部件來(lai)(lai)自(zi)國(guo)外，有超過5000多個供應商，比如其(qi)中鏡頭(tou)來(lai)(lai)自(zi)于德國(guo)的(de)蔡司，特殊的(de)復合材(cai)料(liao)來(lai)(lai)自(zi)于日本，工業靜謐機床來(lai)(lai)自(zi)于瑞典，先進控制軟件、電源則來(lai)(lai)自(zi)于美國(guo)。
縱觀ASML的(de)成(cheng)長史，其(qi)成(cheng)功的(de)背后(hou)更(geng)多的(de)也是(shi)靠“朋友圈”，英特爾在1997年攢起(qi)來的(de)EUV LLC聯(lian)(lian)盟(meng)(meng)幫了大忙。當然，ASML為進入這一(yi)聯(lian)(lian)盟(meng)(meng)也付出(chu)(chu)了巨大的(de)代價，包括在美(mei)國建立工廠和研發(fa)中心，保證55%的(de)零部件均從(cong)美(mei)國供(gong)應(ying)商處采購，甚至接受(shou)定期審(shen)查（美(mei)國可以禁止荷蘭光刻機出(chu)(chu)口中國的(de)原(yuan)因主要原(yuan)因），但(dan)這卻為ASML“咸魚翻身”埋(mai)下了伏筆(bi)。除了技術之外，2013年ASML收購美(mei)國的(de)Cymer公司更(geng)是(shi)成(cheng)了它(ta)現在能獨(du)占鰲頭的(de)關鍵。
因此，在2010年ASML出(chu)貨第一(yi)臺(tai)預生產的(de)EUV光刻機(ji)時，雖然(ran)俄羅(luo)斯的(de)一(yi)個物理研究(jiu)所IPM（RAS）也在開發(fa)EUV的(de)系統和元件，以及裝置原(yuan)型的(de)搭(da)建(jian)，并且取得了一(yi)些(xie)成果(guo)。比(bi)如開發(fa)人員提出(chu)的(de)輻射源設(she)計(ji)的(de)原(yuan)始解決方案，部(bu)分還(huan)應(ying)用(yong)到了ASML的(de)光刻機(ji)上。但最終卻還(huan)是(shi)以失敗告終。
RAS首席研究(jiu)員、蘇聯國(guo)家獎(jiang)獲得者、多(duo)層X射(she)線(xian)光(guang)學系主任Salashchenko Nikolay甚至直言：一個國(guo)家是(shi)無法單獨推動(dong)這(zhe)項工(gong)作的，而全世界都在幫助荷蘭（ASML）。
俄羅斯的美好愿望
很多人以為(wei)俄(e)羅斯(si)的(de)(de)(de)光刻機(ji)制造(zao)計劃(hua)是由于美(mei)國(guo)的(de)(de)(de)制裁臨時(shi)發(fa)起的(de)(de)(de)，其(qi)實(shi)不然(ran)。上(shang)面提到俄(e)羅斯(si)在2010年時(shi)，甚(shen)至(zhi)一(yi)度(du)與ASML并(bing)跑。實(shi)際(ji)上(shang)，俄(e)羅斯(si)的(de)(de)(de)光刻機(ji)相關研究早在上(shang)世紀80年代就開始了。當時(shi)負責研發(fa)同(tong)步輻(fu)射加速器(qi)的(de)(de)(de)是澤列(lie)諾(nuo)格勒科(ke)學中心，后來被(bei)并(bing)入了大名鼎(ding)鼎(ding)的(de)(de)(de)庫爾(er)恰托夫研究所，蘇(su)聯第(di)(di)一(yi)顆原子彈、第(di)(di)一(yi)顆氫彈、歐洲第(di)(di)一(yi)座(zuo)原子反(fan)應堆(dui)、世界第(di)(di)一(yi)座(zuo)原子能發(fa)電站，皆出自(zi)它手。
而此(ci)次(ci)負責這項(xiang)計(ji)劃的(de)是MIET，是俄(e)羅(luo)斯的(de)一所國(guo)立研(yan)究型高等院校(xiao)，1965年成(cheng)立至今已過半百。而該校(xiao)的(de)特色學(xue)科就是微電子學(xue)、信息技術和計(ji)算機工(gong)程。學(xue)院共有學(xue)生(sheng)6500多(duo)人(ren)，其中研(yan)究生(sheng)250多(duo)人(ren)、副博(bo)(bo)士（按照歐美及中國(guo)學(xue)制為Phd學(xue)位）270人(ren)、博(bo)(bo)士5人(ren)。
在經(jing)歷了一輪的失敗后，俄羅(luo)斯這次計劃選擇不(bu)同于(yu)ASML的極(ji)紫(zi)光技術(shu)的路線(xian)，而是基于(yu)X射線(xian)的無掩膜式光刻。
首先從光源的選擇來看，一(yi)(yi)種是極(ji)紫外光線(xian)，波長(chang)(chang)在(zai)13.5nm，另一(yi)(yi)種為X射(she)線(xian)，波長(chang)(chang)介于0.01nm至10nm之間。光刻機的(de)架構及技術很復(fu)雜，但決定光刻機分辨(bian)率(lv)的(de)主要因(yin)素只有三點，包括(kuo)常數K、光源波長(chang)(chang)和物鏡的(de)數值孔徑。波長(chang)(chang)越(yue)短，分辨(bian)率(lv)就越(yue)高。因(yin)此，在(zai)光源選(xuan)擇上來看，理論上X射(she)線(xian)比EUV極(ji)紫外光線(xian)更(geng)短，分辨(bian)率(lv)也就更(geng)高。
其次從生產的成本和方式來看，EUV光(guang)刻(ke)機是(shi)特定波長的(de)光(guang)透過用來(lai)放大(da)的(de)掩(yan)膜，再通(tong)過透鏡的(de)縮小(xiao)，將(jiang)集成電路精確的(de)“投影”在硅(gui)片(pian)上(shang)。而(er)X射(she)線(xian)雖然(ran)波長更(geng)短但(dan)穿透性也(ye)更(geng)強，用普通(tong)透鏡無法(fa)進行放大(da)和(he)縮小(xiao)，因此也(ye)就無法(fa)實現投影光(guang)刻(ke)，而(er)是(shi)采用直寫光(guang)刻(ke)的(de)方式。這樣(yang)一來(lai)，光(guang)刻(ke)機也(ye)就不(bu)需要(yao)光(guang)掩(yan)膜板，可以節省一大(da)筆(bi)成本(ben)。
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。當然事實也的確(que)如(ru)此，根據(ju)媒體信息披(pi)露，X射(she)線(xian)光(guang)刻機(ji)雖然并不是新(xin)技(ji)術，包括(kuo)美(mei)國(guo)、歐洲、中國(guo)等都對此進(jin)行過研究，但全球確(que)實至今沒有能達到規模(mo)量(liang)產的x射(she)線(xian)光(guang)刻機(ji)。
另外，X射線光(guang)刻(ke)機的工作效率也是一(yi)大(da)挑戰。對于直接(jie)通(tong)過強激光(guang)束將(jiang)所需電路一(yi)點(dian)一(yi)點(dian)雕(diao)刻(ke)在硅片上的方(fang)式(shi)，這個效率想要實(shi)現納米級集成電路確實(shi)不敢恭維。
根據計(ji)劃(hua)，俄羅(luo)斯針對X射線工(gong)藝及(ji)效率的(de)提升，計(ji)劃(hua)將完成對主要技術解(jie)決方(fang)案的(de)驗證，包括(kuo)基于動(dong)態掩(yan)膜(mo)模型(xing)的(de)制造和(he)兩項控(kong)制實驗研究(jiu)。最早(zao)將于今(jin)年11月開(kai)發(fa)動(dong)態掩(yan)膜(mo)的(de)技術和(he)模型(xing)，以及(ji)原型(xing)光刻機的(de)技術規范和(he)可行性研究(jiu)，工(gong)藝要達到28nm及(ji)以上。
給國內半導體發展的啟示
長久(jiu)以來(lai)，國(guo)內(nei)半導體的(de)發展現狀一直“以買代造”，然而一輪大棒揮(hui)下發現，錢財買得來(lai)產品卻(que)買不(bu)(bu)來(lai)核心技術；市場換得來(lai)投(tou)資卻(que)換不(bu)(bu)來(lai)行業創(chuang)新。更難(nan)的(de)是，隨著美國(guo)禁令(ling)加劇，現在產品和投(tou)資進入國(guo)內(nei)企業的(de)可能也(ye)不(bu)(bu)容(rong)樂觀。
從(cong)技術來(lai)看，盡(jin)管國(guo)(guo)內半導體產業已經有了(le)前所未有的(de)(de)使命感，并在(zai)一(yi)些關鍵技術上取得了(le)突(tu)飛猛進的(de)(de)發展，但(dan)短期內想(xiang)要突(tu)破EUV光(guang)刻機無(wu)疑(yi)還是不可能(neng)的(de)(de)任(ren)務。也難(nan)(nan)怪一(yi)名歐洲高級專家曾直言，“就(jiu)是給(gei)你們(men)全(quan)套圖紙，你們(men)也做不出(chu)來(lai)”，當然(ran)我們(men)后來(lai)打了(le)他(ta)的(de)(de)臉(lian)，但(dan)面向更高級別的(de)(de)EUV光(guang)刻機，雖然(ran)不質疑(yi)國(guo)(guo)內企(qi)業的(de)(de)能(neng)力(li)，但(dan)實際困難(nan)(nan)畢竟擺在(zai)那里，不能(neng)視而(er)不見。
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(neng)繞過(guo)EUV光刻機”的(de)探討中，國內也在不斷嘗試(shi)。
比如去(qu)年華(hua)(hua)為披露的(de)“雙芯疊(die)加”專利。華(hua)(hua)為輪(lun)值(zhi)董事(shi)長(chang)郭平曾公開表示：“解(jie)決(jue)芯片問題是一(yi)個復(fu)雜(za)的(de)漫長(chang)過程(cheng)，需(xu)要(yao)有耐心(xin)，未來我們的(de)芯片方案可能采用多核(he)結構，以(yi)提升芯片性(xing)能。”“雙芯疊(die)加”實際上(shang)就是通(tong)過修改設計(ji)邏輯(ji)和先進封(feng)裝工藝，將雙層的(de)技(ji)術做到(dao)低端(duan)制程(cheng)、高端(duan)性(xing)能。雖然這(zhe)一(yi)消息曾在(zai)去(qu)年被(bei)網友百(bai)般嘲諷，但(dan)隨著今年的(de)小芯片概念普及，特別是蘋果(guo)將兩個M1 max芯片合成M1 Ultra之后(hou)，讓(rang)更多人開始關注到(dao)摩爾定律失(shi)效后(hou)的(de)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(ji)術(shu)聯(lian)盟，集合國內(nei)半(ban)導體(ti)產業上(shang)的(de)(de)優勢力量(liang)，也是半(ban)導體(ti)突圍戰的(de)(de)必要舉措。
最后，技術創新需要以人才為動力。任(ren)正非曾(ceng)說過，“做芯(xin)片(pian)光砸(za)(za)(za)錢不行，還要砸(za)(za)(za)人(ren)。目前這種(zhong)形勢，我們確(que)實會受(shou)到影(ying)響，但也能(neng)刺激(ji)中國踏踏實實發展電子(zi)工業(ye)。過去的方針是砸(za)(za)(za)錢，芯(xin)片(pian)光砸(za)(za)(za)錢不行，要砸(za)(za)(za)數學(xue)家、物理學(xue)家等。”
參考資料：
1.《投資6.7億盧布，俄羅斯宣布研發(fa)X射線(xian)光(guang)刻機！比(bi)ASML的(de)EUV光(guang)刻機還要(yao)先進？》，芯智訊
2.《給我們全套圖紙(zhi)，中國人都造(zao)不出高端光刻機(ji)？！》，財經(jing)國家周刊
3.《光刻機大敗(bai)局(ju)》，遠川科技評論(lun)
4.《大國(guo)博弈光刻機(ji)，中國(guo)如何破局(ju)？》，正和島(dao)
5.《美國斷(duan)供芯(xin)片，俄(e)羅斯決定從頭開(kai)造光(guang)刻機(ji)》，量子位(wei)
6.《國產光刻機的發展史回(hui)顧》，半導體行業觀察
7.《ASML的光刻機(ji)霸主之路》，半(ban)導(dao)體行業觀察(cha)
