國產(chǎn)光刻機(jī)的「行軍難」

3 月 8 日，ASML 發(fā)表聲明回應(yīng)荷蘭政府即將出臺的半導(dǎo)體設(shè)備出口管制措施。ASML 稱，這些新的出口管制措施側(cè)重于先進(jìn)的芯片制造技術(shù)，包括最先進(jìn)的沉積設(shè)備和浸潤式光刻系統(tǒng)，ASML 將需要申請出口許可證才能發(fā)運(yùn)最先進(jìn)的浸潤式 DUV 系統(tǒng)。ASML 強(qiáng)調(diào)，這些管制措施需要一定時間才能付諸立法并生效。

3 月 9 日，外交部例行記者會上，有媒體提問，據(jù)報道，荷蘭外貿(mào)與發(fā)展合作大臣施賴納馬赫爾向荷議會致函稱，出于國家安全考慮，荷蘭將于今年夏天之前對其芯片出口實施限制性措施。中方對此有何評論？

外交部發(fā)言人毛寧表示，中方注意到有關(guān)報道，對荷方以行政手段干預(yù)限制中荷企業(yè)正常經(jīng)貿(mào)往來的行為表示不滿，已向荷方提出交涉。

EUV 與 DUV 的分類

目前的光刻機(jī)主要分為 EUV 光刻機(jī)和 DUV 光刻機(jī)，二者的最大的區(qū)別在光源方案。

DUV 是深紫外線（Deep Ultraviolet Lithography），EUV 是極深紫外線（Extreme Ultraviolet Lithography）。前者采用極紫外光刻技術(shù)，后者采用深紫外光刻技術(shù)。

EUV 的光源波長為 13.5nm，但最先進(jìn) DUV 的光源波為 193nm，較長的波長使 DUV 無法實現(xiàn)更高的分辨率，因此 DUV 只能用于制造 7nm 及以上制程的芯片。

EUV 是未來光刻技術(shù)和先進(jìn)制程的核心。為了追求芯片更快的處理速度和更優(yōu)的能效，需要縮短晶體管內(nèi)部導(dǎo)電溝道的長度，而光刻設(shè)備的分辨率決定了 IC 的最小線寬。因此，光刻機(jī)的升級就勢必要往最小分辨率水平發(fā)展。光刻機(jī)演進(jìn)過程是隨著光源改進(jìn)和工藝創(chuàng)新而不斷發(fā)展的。EUV 作為 5nm 及更先進(jìn)制程芯片的剛需，覆蓋了手機(jī) SoC、CPU、GPU、1γ工藝 DRAM 等多種數(shù)字芯片，譬如蘋果的 A15、高通的 Gen1 及以后系列芯片等。

從兩種光刻機(jī)的市場應(yīng)用來看，EUV 光刻機(jī)是芯片行業(yè)目前最尖端的技術(shù)，主要用于生產(chǎn) 5nm 及以下的芯片，這些芯片主要用來生產(chǎn)蘋果、高通、三星等手機(jī)及平板處理器，也主要集中在消費(fèi)領(lǐng)域；其他 60% 以上的工業(yè)還不需要 5nm 及以下的芯片制程和技術(shù)，這類芯片主要由 DUV 光刻機(jī)生產(chǎn)，覆蓋大部分的圖像傳感器、功率 IC、MEMS、模擬 IC 以及邏輯 IC 等

光刻機(jī)的起步

1961 年，美國 GCA 公司制造出了第一臺接觸式光刻機(jī)。關(guān)于中國最早的光刻機(jī)，有一種說法是 1966 年，中國科學(xué)院微電子研究所的前身——109 廠與上海光學(xué)儀器廠協(xié)作，研制成功中國第一臺 65 型接觸式光刻機(jī)。

70 年代初，美日等國分別研制出接近式光刻機(jī)，而中國卻一直停留在接觸式光刻機(jī)。

1977 年，江蘇吳縣舉行了全國性的光刻機(jī)座談會，明確要改進(jìn)光刻設(shè)備，盡快趕超世界先進(jìn)水平。于是清華大學(xué)精密儀器系、中電科 45 所等先后投入研制更先進(jìn)的光刻機(jī)。隨后在 1985 年，中電科 45 所研制出的分步式投影光刻機(jī)，通過電子部技術(shù)鑒定：達(dá)到美國 GCA 在 1978 年推出的 4800DSW 光刻機(jī)水平。當(dāng)時，ASML 才剛剛誕生。

如此來看，國產(chǎn)光刻機(jī)還算是擁有一個還不錯的起點(diǎn)。然而由于中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)整體力量太薄弱，在擴(kuò)大對外開放的背景下，「造不如買」的思潮迅速蔓延全國。因此，國產(chǎn)光刻機(jī)雖然研發(fā)出來，卻沒有很好的下游應(yīng)用市場，無法真正走上市場和商業(yè)化的道路，只能停留在實驗室研究階段。

此后的二三十年，這種現(xiàn)實愈演愈烈，中國光刻機(jī)對外的差距也越來越大。在缺芯少魂的擔(dān)憂下，中國喊出了「砸鍋賣鐵也要研制芯片」的口號。在中國必須掌握集成電路的主動權(quán)的戰(zhàn)略重視下，國產(chǎn)光刻機(jī)重新艱難起步。

2002 年，光刻機(jī)被正式列入「863 重大科技攻關(guān)計劃」。2008 年，國家又成立「極大規(guī)模集成電路制造裝備與成套工藝專項」（02 專項），以建立自主的高端光刻技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展能力作為重大、核心的戰(zhàn)略目標(biāo)。

經(jīng)過將近 20 年的攻關(guān)，光刻機(jī)的集成技術(shù)終于完成從 0 到 1 的關(guān)鍵突破，在雙工作臺、光學(xué)系統(tǒng)、物鏡系統(tǒng)、光源系統(tǒng)方面均有企業(yè)相繼研發(fā)成功。

• 在光源方面，中國科益虹源公司自主研發(fā)設(shè)計生產(chǎn)的首臺高能準(zhǔn)分子激光器，以高質(zhì)量和低成本的優(yōu)勢，填補(bǔ)中國在準(zhǔn)分子激光技術(shù)領(lǐng)域的空白，其已完成了 6kHZ、60w 主流 ArF 光刻機(jī)光源制造。

• 在光學(xué)鏡頭方面，盡管與卡爾蔡司、尼康等公司還有非常大的差距，但 2020 年奧普光學(xué)曾在互動平臺表示，公司生產(chǎn)的 Caf2 光學(xué)晶體應(yīng)用范圍較廣，客戶可根據(jù)實際需求進(jìn)行二次開發(fā)，產(chǎn)品可以用于光刻機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)中。不過，去年 7 月，奧普光電在互動平臺表示，公司目前沒有產(chǎn)品用于光刻機(jī)項目。

• 在光刻機(jī)整機(jī)生產(chǎn)（中游）方面，上海微電子是國內(nèi)技術(shù)最領(lǐng)先的光刻設(shè)備廠商，其 90 納米的光刻機(jī)已獲得突破。

中國光刻機(jī)的制造力量正在不斷加強(qiáng)，然而目前中國的光刻機(jī)量產(chǎn)能力只有 90nm，中國在實現(xiàn)更先進(jìn)的芯片制造中仍然困難。與此同時，在光刻機(jī)進(jìn)口道路上同樣暗潮涌動。先是在 2019 年，美國限制 ASML 研發(fā)的最先進(jìn) EUV 設(shè)備銷往中國。如今更進(jìn)一步，似乎對 DUV 的出口也要作出新的限制。

國產(chǎn)光刻機(jī)的行軍難

回到本次討論的 DUV 上。ASML 強(qiáng)調(diào)：「新出口管制并不適用于所有的浸入式光刻工具，而只適用于所謂『最先進(jìn)的』」。另外 ASML 還指出，先進(jìn)程度相對較低的浸潤式光刻系統(tǒng)已能很好滿足成熟制程為主的客戶的需求。

由于 DUV 光刻機(jī)中的浸潤式光刻機(jī)分很多種型號，有些只能生產(chǎn) 14nm 以上工藝，有些能夠生產(chǎn)最高 7nm 工藝。所以浸潤式光刻機(jī)，究竟哪些能夠賣，哪些不能賣，就成為了大家最關(guān)注的問題。

目前 ASML 浸潤式的光刻機(jī)主要有三種型號，分別是 TWINSCAN NXT:2050i、TWINSCAN NXT:2000i 和 TWINSCAN NXT:1980Di。由于沒有收到明確定義，ASML 將「最先進(jìn)」解讀為「TWINSCAN NXT:2000i 及后續(xù)浸沒式系統(tǒng)?！?/span>

根據(jù) ASML 的解讀，其 NXT:2000i 及之后的浸沒式光刻系統(tǒng)將會受到出口限制。這也意味著，NXT:1980Di 仍將可以出口，即國內(nèi)大量采用 NXT:1980Di 進(jìn)行成熟制程制造的晶圓廠將不會受到影響。

一方面，根據(jù) ASML 官網(wǎng)的數(shù)據(jù)，TWINSCAN NXT:1980Di 的分辨率是大于等于 38nm，數(shù)值孔徑是 1.35NA，每小時可以生產(chǎn) 275 片晶圓。目前這臺浸潤式光刻機(jī)，普遍用于 14nm 及以上的芯片制造。理論上 NXT:1980Di 依然可以達(dá)到 7nm，只是步驟更為復(fù)雜，成本更高，良率可能也會有損失。足以見得，主要的成熟芯片的生產(chǎn)并未受到影響。

另一方面，中國擁有 ASML 難以放棄的廣闊市場。根據(jù) ASML 財報，2022 年該公司共出貨 345 臺光刻設(shè)備產(chǎn)品，其中有 81 臺浸沒式 DUV 光刻機(jī)（ArFi），占比為 23%。所有產(chǎn)品中，42% 銷往中國臺灣，29% 銷往韓國，14% 銷往中國大陸，銷往美國的只有 7%。

高端光刻機(jī)集合了全球各國最頂尖的科技，如：德國的蔡司鏡頭技術(shù)、美國的控制軟件和光源 、日本的特殊復(fù)合材料等，下游廠商為了獲得優(yōu)先供貨權(quán)紛紛投入巨額資金支持 ASML 研發(fā)。所以，國產(chǎn)光刻機(jī)的突圍并非易事。目前，國產(chǎn)的深紫外線光刻機(jī)正處于研發(fā)的關(guān)鍵進(jìn)程之中。在這背后，包括上海微電子在內(nèi)的多位國產(chǎn)玩家正在攻關(guān)。

在 ASML 的通路受阻之后，中國企業(yè)采購 DUV 光刻機(jī)的通路，還剩下尼康和佳能。目前，日本也尚未表明態(tài)度。未來向外采購這條道路將會變得越來越不確定。在這種情況下，自主研發(fā)光刻機(jī)的提速將變得愈發(fā)迫切。

中國龐大的半導(dǎo)體市場需求擺在這里，市場需求必然會驅(qū)動技術(shù)創(chuàng)新去逐步攻克光刻機(jī)技術(shù)。但目前關(guān)于國產(chǎn)光刻機(jī)和芯片等研發(fā)的進(jìn)程，都是在實驗室的數(shù)據(jù)中，真正能落實到量產(chǎn)和生產(chǎn)線的，還會有很懸殊的路要走，才能最終落地。

除了加大力量研發(fā)光刻機(jī)之外，中國還在嘗試其他芯片路線。比如光芯片，量子芯片等等，在最近幾年已經(jīng)取得了一定突破，目前中國已經(jīng)有不少企業(yè)申請了量子芯片技術(shù)相關(guān)專利，如果未來量子芯片能夠得到應(yīng)用，這將有利于我們減少對傳統(tǒng)硅基芯片的依賴。

未來的路，道阻且長。