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科工力量:凭借一国之力能搞出光刻机吗?

观察者网 2020-08-21 10:48:30
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原标题:科工力量:凭借一国之力能搞出光刻机吗?

[文/科工力量柳叶刀陈辰]上期节目我们聊了国产芯片,一个很大的难点,就是光刻机。美国一直阻止荷兰设备商ASML对华出口极紫外光刻机,也就是EUV,这种做法就是典型的将商业问题政治化。ASML如果遵守美国禁令,不仅意味着经济损失,也有可能失去全球最大的市场。

光刻机有高端的,也有低端的,像EUV就是高端的,它可以制造7nm以下的芯片。美国的禁令是,高端设备不准卖给中国,极紫外光刻机属于管制范围。《中国制造2025》曾将这种光刻机列为重点突破领域,并计划在2030年实现国产化。

为了不让荷兰将最先进的光刻机卖给中国,白宫可是操碎了心。他们多次向荷兰施压,阻止最先进的光刻机出口中国。2018年5月,中芯国际向ASML订购了一台EUV光刻机,价值1.5亿美元,计划2019年交付。结果被美国盯上了,接下来几个月里,美荷双方连续开了四场会议,讨论直接封杀这笔交易的可能性。当时,美国的出口条例已经修改,外国公司出售给中国商品,如果含有超过25%的美国技术,就必须得到美国政府的允许。

企业都是以盈利为目的,ASML公司本身也想推动这笔交易。2018年,该公司在中国的营收占到销售总额的20%,超过在美国的16%。去年6月,蓬佩奥访问荷兰,要求首相吕特阻止对华出口先进的光刻机。吕特的回应是,虽然荷兰想要与盟国保持政策一致,但“每个国家都必须做出自己的安全决定”。后来,他访问华盛顿,白宫官员向他展示了一份情报,内容是“中国获得光刻机可能带来的后果”。吕特回国后,荷兰政府立刻禁止ASML对华交易。

半导体产业70年历史中,光刻技术的改进,不断推动芯片制程的升级。在集成电路出现之前,电子器件靠手工连接。二战时,美国的航空母舰有35万个电子设备,需要上千万个焊接点,这导致维护工作繁琐,很容易出现设备短路失灵。为了保证复杂的电路稳定工作,贝尔实验室想出了一个办法,将这些的电路集成在指甲盖大小的硅片上,怎么实现呢?受到投影仪和照相机的启发,他们将设计好的电路投射到硅片上,以光为刀,按照硅片上的阴影,雕刻电路。这就是光刻机的原型。贝尔实验室手握很多专利,光刻技术就是其中之一。为了让更多的企业受益,美国政府以反垄断法威胁,逼迫贝尔实验室释放技术,后来的美国半导体巨头,就是这样培养起来的。像GCA、Perkin Elmer等公司,获得光刻技术后,马上推出自己的光刻机产品,占据市场主导地位。

可到了80年代,一切都变了。日本超越美国,成为半导体第一大国。全球前10大半导体公司,日本占了6家,而且前三名都是日本企业。当时,日立、东芝、富士通的产品,成为“高质量”的代名词,良品率远高于英特尔、德州仪器。佳能、尼康研制的光刻机,占据近一半市场份额,IBM、AMD几乎是堵在它们生产线门口,等着产品下线抢购,就跟我们今天急切等待EUV光刻机交货一样。

日本的半导体产品疯狂涌入美国,美国公司的市场份额直线下降,英特尔甚至准备放弃抵抗,宣布破产。白宫一看,照这样下去,整个硅谷都会被日本碾压。开始采取反制措施,一是,对外祭出关税大棒,对日本的半导体征收高额惩罚性关税,限制其出口。二是,对内组建半导体制造技术联盟Sematech,英文名是“ Semiconductor Manufacturing Technology”。该组织由美国14家半导体龙头企业组成,包括英特尔、IBM、美光、惠普、摩托罗拉等。

联盟中的成员都是各家公司最优秀的研发人员,他们在这里的工作,并不是研究具体的半导体技术,而是开发最先进的半导体设备。因为该组织通过前期细致的调研发现,设备是芯片制造的基础。如何改进制造流程、更好的使用设备,相当于现在台积电和中芯国际所做的业务,只有垄断设备制造,才有更强的议价权利。Sematech总体上非常成功,1995年,美国半导体产业全面恢复国际竞争力,特别是半导体设备制造领域,美国的地位至今无人可以撼动。Sematech是产业界发起的,美国政府参与运营和管理,国防部还专门为其设置专项经费,每年1亿美元。

不过,Sematech存在一个问题,对非主流技术不够重视。当时光刻技术不是芯片产业的核心问题,佳能、尼康的光刻机市场份额超越美国后,美国企业可以接受这两家日本供应商,Sematech将光刻技术排除在研发之外。

到了1997年,芯片集成度越来越高,制造难度越来越大,光刻机的重要性越来越突出。为了摆脱对日本设备的依赖,英特尔牵头成立极紫外联盟(EUV LLC),研究最先进的光刻技术。联盟中除了产业巨头,还包括三大国家实验室:劳伦斯利弗莫尔国家实验室、桑迪亚国家实验室、劳伦斯伯克利实验室。这些实验室是美国科技发展的幕后英雄,研究成果有核武器、超级计算机、核聚变点火装置等。

资金和人才到位后,主角却上不了台面,美国之前的光刻机企业被日本公司打的七零八落,没有一个能担当重任。英特尔想拉尼康和ASML一起入伙,但问题是,这两家公司都是外国的。美国政府出面干预,选择荷兰企业,拒绝日本公司。尼康是敌人,80年代把美国半导体产业打压的太惨。不过,ASML加入是有条件的,必须在美国建立工厂和研发中心,满足美国本土需求,55%的零部件要从美国厂商采购,并接受定期审查。美国为什么能让荷兰对华禁售EUV光刻机,原因就在这。

90年代,尼康、佳能的光刻技术全球领先,美国成立的极紫外联盟,相当于纠集了一群二流企业,抢夺老大的位置。当初,ASML公司只是一个不知名企业,光刻机的市场份额很小,因缘巧合傍上美国大腿,之后,好运接连不断。

90年代末,光刻机的光源卡在了193nm,成为难以突破的门槛。这里的193nm,说的是光的波长,它和芯片制程的概念不一样。光的波长相当于刻刀的宽度,芯片的制程指的是,刻刀在硅片上刻出沟槽的最小宽度。从60年代开始,这把刻刀,从436nm、365nm、248nm,到如今的193nm。再往下,刻刀就要磨得更锋利,但技术出现分水岭。尼康希望稳步前进,选择157nm的激光,作为下一代刻刀。新成立的极紫外联盟押注更加激进的方案,选择几十纳米的极紫外光。不过,当时这些尝试都失败了。

2002年,台积电一个叫林本坚的工程师提出,浸润式光刻工艺。利用了一个很简单的原理,光在水中会产生折射。在光刻机的透镜和硅片之间加一层水,原来的193nm激光,经过液体发射折射,波长直接降到132nm,刻刀突破之前的瓶颈,变得更锋利。林本坚拿着方案去找日本公司,希望它们采纳,结果吃了闭门羹。ASML决定赌一把,采用林本坚的方案,以小博大,仅用一年时间,就赶制出样机。新型光刻机经过测试,性能优异,获得IBM、台积电的大量订单。光刻机不是快消品,企业花钱肯定是买最好的产品,日本企业没有拿出最好的产品,只能停留在中低端,逐渐落后。

日本半导体公司有两个特点,一是,崇尚匠人精神,非常固执的认为自己的技术最好,宅在实验室里研究技术,缺乏全球视野。二是,售后服务差,对客户提出的设备问题,不能及时解决,因为他们对自己的产品非常有信心。在市场上,ASML生产的设备更受欢迎,他们的做法与日本公司相反,采纳客户意见,提供周到售后服务。日本半导体企业衰落还有一个重要原因,他们一直遵循IDM模式,芯片的设计、制造、封装、测试,都尽量自己做,不与他人分享利益。芯片越做越精密,制造成本越来越高,所有的活都自己干,企业负担加重。90年代后,分工合作的模式成为主流,设计公司只管设计,代工企业专注于代工,成本分摊,压力减小,还能满足客户多样化需求。

ASML的新型光刻机,对尼康,佳能造成致命打击后,世界各大半导体厂商的订单纷涌而至。此后,随着光刻技术的不断改进,浸入式光刻机一直做到现在的7nm。看着ASML日益壮大,美国华尔街资本闻风而动,大量购买这家公司股份,实现控股。现在ASML的三大股东:资本国际集团、贝莱德、英特尔,都来自美国。经过这些操作,ASML“顺理成章”地成为了半个美国公司。

“美国光环”也给ASML带来好处,2009年,美国的Cymer公司研发出EUV光刻机所需的大功率光源,成为ASML的供应商,这种光源是光刻机的核心零件,全球有这样技术的公司不超过三家。2013年,ASML决定收购Cymer公司,美国政府同意了。

在《瓦森纳协议》框架下,欧美国家最先进的光刻机一直对华禁售。可以出售的那些也都附带由保留条款,禁止给中国国内自主CPU做代工。中国芯片起不来,有一部分原因是买不到先进设备。

国产光刻机起步并不晚,从上世纪70年代算起,清华大学精密仪器系、中科学院光电技术研究所、中国电科45所,都投入力量研发,但与欧美最先进的设备相比,差距较大。在光刻技术上,中国积累不足。全球光刻机专利数量排名前十的公司,除了台积电,都是外国公司。

目前,芯片制程正在向5nm以下演进,只有英特尔、台积电、三星等少数企业,掌握最先进的芯片生产线,他们与原材料生产商、半导体设备商,相互持股,构成“你中有我,我中有你”的垄断格局。

光刻机作为最重要芯片制造设备,已经不是一个国家或几个企业能完成的工程,必须与全球顶级的光源、光学、材料、关键零部件厂商进行合作。美国试图遏制中国半导体产业发展,但我们不能因此放弃与国外的技术交流。中国企业要在一些关键领域实现突破,掌握别人没有的技术,高端光刻机制造才有我们的话语权。

责任编辑:苖玉轩 CN074
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