文章作者：國(guó)務(wù)院發(fā)展研究中心國(guó)際技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所、西安市中科硬科技創(chuàng)新研究院
摘要：光刻機(jī)是芯片制造的關(guān)鍵工藝，而光刻機(jī)的生產(chǎn)技術(shù)由荷蘭ASML 、日本的尼康和佳能公司壟斷。在“缺芯”之勢(shì)蔓延、美國(guó)推動(dòng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈回流的背景下，國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)的真實(shí)水平是什么樣的？我國(guó)又應(yīng)如何發(fā)力實(shí)現(xiàn)光刻機(jī)和半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的突破？本文給出了答案。本文摘自《硬科技：大國(guó)競(jìng)爭(zhēng)的前沿》一書(shū)，該書(shū)由中國(guó)人民大學(xué)出版社于2021年10月出版。
01
光刻機(jī)的全球產(chǎn)業(yè)鏈格局
光刻技術(shù)是使微電子和納米電子器件在過(guò)去半個(gè)世紀(jì)中不斷微縮的基礎(chǔ)技術(shù)之一，光刻制造是晶圓制造最關(guān)鍵、最復(fù)雜和時(shí)間占比最高的環(huán)節(jié)。
目前，全球光刻機(jī)已由荷蘭ASML、日本尼康和佳能公司完全壟斷。據(jù)芯思想研究院（ChipInsights）數(shù)據(jù)，2020年上述三家公司半導(dǎo)體用光刻機(jī)出貨413臺(tái)，較2019年的359臺(tái)增加54臺(tái)，漲幅為15%。其中，ASML公司出貨258臺(tái)，占比62.47%；尼康公司出貨31臺(tái)，占比7.51%；佳能公司出貨122臺(tái)，占比29.54%。
據(jù)估算，光刻機(jī)約占晶圓制造設(shè)備投資額的23%，再加上光刻工藝步驟中的光刻膠、光刻氣體、光罩（光掩膜版）、涂膠顯影設(shè)備等諸多配套設(shè)施和材料投資，整個(gè)光刻工藝占芯片成本的30%左右。
區(qū)別于晶圓制造其他工藝，光刻機(jī)組件及配套設(shè)施復(fù)雜，形成了自身的產(chǎn)業(yè)鏈。光刻機(jī)的制造研發(fā)并不是某一個(gè)企業(yè)能夠單獨(dú)完成的，光刻作為晶圓制造過(guò)程中最復(fù)雜、最重要的步驟，主要體現(xiàn)在光刻產(chǎn)業(yè)鏈高端復(fù)雜，需要很多頂尖的企業(yè)相互配合才可以完成。光刻產(chǎn)業(yè)鏈主要體現(xiàn)為兩點(diǎn)：一是作為光刻核心設(shè)備的光刻機(jī)組件復(fù)雜，包括光源、鏡頭、激光器、工作臺(tái)等在內(nèi)的組件技術(shù)往往只被全球少數(shù)幾家公司掌握；二是與光刻機(jī)配套的光刻膠、光刻氣體、光罩（光掩膜版）等半導(dǎo)體材料和涂膠顯影設(shè)備同樣擁有較高的科技含量。
伴隨著工藝與設(shè)備的雙重突破，光刻設(shè)備成為推動(dòng)摩爾定律的核心設(shè)備。光刻機(jī)已經(jīng)歷經(jīng)五代發(fā)展。隨著制程精度提升，光刻機(jī)復(fù)雜程度提高，ASML（阿斯麥爾）公司貫通光刻產(chǎn)業(yè)鏈，完全壟斷了10納米以下的工藝。
以ASML的EUV（極紫外）光刻機(jī)為例，7納米制程的EUV光刻機(jī)內(nèi)部共有10萬(wàn)個(gè)零件，90%的關(guān)鍵設(shè)備來(lái)自外國(guó)而非荷蘭本國(guó)。ASML作為整機(jī)公司，實(shí)質(zhì)上只負(fù)責(zé)光刻機(jī)設(shè)計(jì)與各模塊集成，需要全而精的上游產(chǎn)業(yè)鏈作為堅(jiān)實(shí)的支撐?？v觀ASML的5 000多個(gè)供應(yīng)商，其中與產(chǎn)品相關(guān)的供應(yīng)商提供直接用于生產(chǎn)光刻系統(tǒng)的材料、設(shè)備、零部件和工具，此類(lèi)別包括790家供應(yīng)商，采購(gòu)和運(yùn)營(yíng)支出占ASML總開(kāi)支的66%。
在10納米節(jié)點(diǎn)以下，ASML穩(wěn)穩(wěn)占據(jù)100%的市場(chǎng)，佳能和尼康等同業(yè)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手已無(wú)力追趕。如果芯片制造商想要生產(chǎn)10納米節(jié)點(diǎn)以下的芯片，必須得有ASML供應(yīng)的EUV光刻機(jī)及相應(yīng)的支持服務(wù)。
歐洲微電子研究中心（IMEC）宣布了3納米及以下光刻工藝的技術(shù)細(xì)節(jié)，并表明ASML公司已經(jīng)明確了3納米、2納米、1.5納米、1納米甚至1納米以下的芯片制程技術(shù)路線(xiàn)圖。而日本、美國(guó)等國(guó)的許多半導(dǎo)體公司出于成本考慮，已經(jīng)停止了光刻工藝小型化的研究。IMEC和ASML的合作或?qū)⑦M(jìn)一步推動(dòng)超精細(xì)芯片制程的研發(fā)，延續(xù)“摩爾定律”。
02
美日推動(dòng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈回流，應(yīng)對(duì)缺芯困境
2020年，受新冠肺炎疫情影響，美國(guó)國(guó)防部認(rèn)識(shí)到國(guó)防產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈的脆弱，開(kāi)始制定一項(xiàng)“微電子回流戰(zhàn)略”，旨在通過(guò)公私合作等方式，將微電子制造、組裝和測(cè)試產(chǎn)業(yè)從亞洲轉(zhuǎn)移至美國(guó)，以解除對(duì)微電子產(chǎn)品供應(yīng)鏈安全的擔(dān)憂(yōu)。
2020年5月，美國(guó)白宮與英特爾、臺(tái)積電進(jìn)行談判，成功說(shuō)服這兩家公司在美國(guó)本土新建芯片制造廠。
2021年2月，美國(guó)“拜D”總統(tǒng)簽署一項(xiàng)行政命令，要求美國(guó)政府對(duì)半導(dǎo)體芯片、電動(dòng)汽車(chē)大容量電池、稀土礦產(chǎn)和藥品四種關(guān)鍵產(chǎn)品的供應(yīng)鏈進(jìn)行為期100天的審查。
2021年4月，美國(guó)“拜D”政府公布了一項(xiàng)2萬(wàn)億美元的基礎(chǔ)設(shè)施投資計(jì)劃，涉及芯片供應(yīng)鏈的投資規(guī)模達(dá)到500億美元。
2021年4月，美國(guó)白宮召開(kāi)線(xiàn)上峰會(huì)以商討如何應(yīng)對(duì)芯片短缺的困境，與會(huì)者包括三星、英特爾、臺(tái)積電和谷歌等公司?！鞍軩”總統(tǒng)稱(chēng)，加強(qiáng)美國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)和供應(yīng)鏈韌性是美國(guó)兩黨的共識(shí)，已有23名參議員和42名眾議員來(lái)信支持美國(guó)的《為芯片生產(chǎn)創(chuàng)造有益的激勵(lì)措施法案》（CHIPS），以應(yīng)對(duì)中國(guó)等其他國(guó)家的快速發(fā)展，消除美國(guó)在研發(fā)和制造方面的局限性。
芯片短缺的現(xiàn)狀雖與美國(guó)供應(yīng)鏈對(duì)亞洲的依賴(lài)并不直接相關(guān)，卻掀起了一輪有關(guān)芯片制造回流美國(guó)的廣泛討論，并贏得美國(guó)國(guó)會(huì)內(nèi)部對(duì)于深度投資美國(guó)本土半導(dǎo)體制造環(huán)節(jié)的有力支持。
2020年4月，日本政府召開(kāi)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)戰(zhàn)略會(huì)議，針對(duì)全球半導(dǎo)體供應(yīng)不足問(wèn)題，討論國(guó)內(nèi)投資支持措施，以確保國(guó)內(nèi)穩(wěn)定供應(yīng)。日本擁有全球最多的半導(dǎo)體工廠，但生產(chǎn)的一大半都是用途廣泛的產(chǎn)品，沒(méi)有附加價(jià)值高的尖端半導(dǎo)體制造能力。政府對(duì)逾六成國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體需求依賴(lài)進(jìn)口的現(xiàn)狀表示擔(dān)憂(yōu)。日本官房長(zhǎng)官加藤勝信表示，“將促進(jìn)研發(fā)和投資，力圖構(gòu)筑切實(shí)的供應(yīng)體制”。4月，美日兩國(guó)首腦召開(kāi)會(huì)議，確認(rèn)建立分散型供應(yīng)鏈的重要性，討論了構(gòu)建生產(chǎn)基地不偏重于地緣政治風(fēng)險(xiǎn)高的中國(guó)臺(tái)灣和與美國(guó)對(duì)立加深的中國(guó)大陸等特定地區(qū)的體制。
03
首臺(tái)國(guó)產(chǎn)28納米工藝浸沒(méi)式光刻機(jī)有望交付
國(guó)際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)（SEMI）公布的數(shù)據(jù)顯示，2020年全球半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備的銷(xiāo)售達(dá)到了712億美元，較2019年的598億美元增加114億美元，同比增長(zhǎng)19%。中國(guó)大陸市場(chǎng)的設(shè)備銷(xiāo)售額比上年增長(zhǎng)39％，達(dá)到187.2億美元。由5G的普及和新冠肺炎疫情導(dǎo)致的居家辦公需求，半導(dǎo)體代工企業(yè)的投資旺盛。
我國(guó)在光刻機(jī)方面的技術(shù)積累和人才儲(chǔ)備相對(duì)不足，雖無(wú)法制造高端光刻機(jī)，但可以制造一些低、中端的光刻機(jī)。
2008年起，我國(guó)開(kāi)始重視光刻機(jī)的研發(fā)。為推動(dòng)我國(guó)集成電路制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，國(guó)家決定實(shí)施科技重大專(zhuān)項(xiàng)“極大規(guī)模集成電路制造裝備及成套工藝”項(xiàng)目（又稱(chēng)“02專(zhuān)項(xiàng)”）。在該項(xiàng)目下，我國(guó)研究團(tuán)隊(duì)一路攻堅(jiān)克難，國(guó)產(chǎn)首套90納米高端光刻機(jī)已經(jīng)研制成功。
2019年4月，武漢光電國(guó)家研究中心甘棕松團(tuán)隊(duì)通過(guò)2束激光，在自研的光刻膠上，突破光束衍射極限的限制，并使用遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)的辦法，光刻出最小9納米線(xiàn)寬的線(xiàn)段。該成果一舉實(shí)現(xiàn)光刻機(jī)材料、軟件和零部件的三大國(guó)產(chǎn)化。
2020年6月，上海微電子設(shè)備有限公司透露將在2021—2022年交付首臺(tái)國(guó)產(chǎn)28納米工藝浸沒(méi)式光刻機(jī)。這意味著國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)工藝從以前的90納米一舉突破到28納米。
雖然國(guó)產(chǎn)28納米光刻機(jī)與已面世的5納米頂尖制程存在較大差距，但常見(jiàn)的射頻芯片、藍(lán)牙芯片、功放芯片、路由器上的芯片、各種電器的驅(qū)動(dòng)芯片等非核心邏輯芯片，仍采用28~90納米工藝。
在光刻工藝進(jìn)入28納米以下制程之后的較長(zhǎng)一段時(shí)間里，16納米和14納米制程的成本一度高于28納米，與摩爾定律的運(yùn)行規(guī)律相反，這也使得28納米制程工藝極具性?xún)r(jià)比。在實(shí)際應(yīng)用中，28納米光刻機(jī)不僅能用來(lái)生產(chǎn)28納米芯片，更有望通過(guò)多重曝光的方式生產(chǎn)14納米、10納米、7納米芯片。盡管我國(guó)自主光刻機(jī)與外國(guó)先進(jìn)水平仍有不小代差，但未來(lái)可期。
04
避免閉門(mén)造車(chē)式創(chuàng)新：全面發(fā)力實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)和半導(dǎo)體的突破
當(dāng)前，全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正在發(fā)生以5G、物聯(lián)網(wǎng)為標(biāo)志的第三次大轉(zhuǎn)移，為我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)崛起提供了機(jī)遇。產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移疊加安全需求，半導(dǎo)體國(guó)產(chǎn)化趨勢(shì)明確。
我國(guó)電子行業(yè)仍大規(guī)模依賴(lài)美國(guó)技術(shù)，尤其是中上游對(duì)外依賴(lài)度高，半導(dǎo)體材料與設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率平均不足20%。尤其是芯片、射頻器件和FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列）等核心元器件，仍面臨著美國(guó)的大規(guī)模壟斷。隨著摩爾定律逐漸無(wú)以為繼，通過(guò)快速技術(shù)升級(jí)提升半導(dǎo)體供應(yīng)能力的路線(xiàn)難以走通，全球?qū)Π雽?dǎo)體的需求卻隨著人工智能、5G等新一代技術(shù)加速部署，以及數(shù)據(jù)中心的擴(kuò)張而快速增長(zhǎng)，半導(dǎo)體行業(yè)供需關(guān)系出現(xiàn)倒掛，未來(lái)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的地位越發(fā)關(guān)鍵，對(duì)半導(dǎo)體的投資也將迎來(lái)黃金時(shí)刻。此外，技術(shù)更迭的速度逐步加快，在對(duì)半導(dǎo)體加大投資的過(guò)程中，須對(duì)產(chǎn)業(yè)前景做好預(yù)判，防止出現(xiàn)半導(dǎo)體行業(yè)成果出現(xiàn)后賽道被拋棄的局面。
發(fā)揮體制優(yōu)勢(shì)，建立協(xié)同的投資和發(fā)展模式。我國(guó)擁有“集中力量辦大事”的體制優(yōu)勢(shì)，在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)條件下，也應(yīng)發(fā)揮社會(huì)資本的重要作用，堅(jiān)持國(guó)家資本和社會(huì)資本雙管齊下投資產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
相對(duì)于國(guó)家資本而言，社會(huì)資本對(duì)行業(yè)具有天然的親和性，更貼近行業(yè)現(xiàn)狀，對(duì)動(dòng)向的洞悉更敏銳，也更容易實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破。利用國(guó)家大基金等資本的帶動(dòng)作用，引導(dǎo)社會(huì)資本深入半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，布局先進(jìn)技術(shù)，更能推動(dòng)產(chǎn)業(yè)整體進(jìn)步。對(duì)于光刻機(jī)等技術(shù)要求高、研發(fā)投入大的領(lǐng)域，可以由國(guó)家推動(dòng)，仿照荷蘭ASML公司構(gòu)建產(chǎn)業(yè)同盟。即以最先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)為目標(biāo)，以實(shí)用為導(dǎo)向，拉攏最優(yōu)質(zhì)、對(duì)技術(shù)應(yīng)用最了解的客戶(hù)，與世界領(lǐng)先的供應(yīng)商合作，通過(guò)利益共同體的模式帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。這就要求我國(guó)在專(zhuān)注核心技術(shù)的前提下堅(jiān)持全球范圍內(nèi)的開(kāi)放合作，通過(guò)對(duì)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的開(kāi)放合作降低技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用成本，促進(jìn)技術(shù)快速迭代升級(jí)。
堅(jiān)持人才托舉。我國(guó)半導(dǎo)體人才培養(yǎng)應(yīng)堅(jiān)持以人為本，參照世界半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)的人才從業(yè)模式，創(chuàng)造最適合、最能吸引人才的工作和生活環(huán)境，對(duì)中國(guó)籍、華裔和外國(guó)人才一視同仁，向歐洲、日本等國(guó)家和地區(qū)的人才敞開(kāi)國(guó)門(mén)，鼓勵(lì)國(guó)內(nèi)外人才以各種形式投身我國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)建設(shè)，發(fā)揮人才的溢出效應(yīng)。對(duì)人才引進(jìn)不能只是刻板地引入，更要嘗試“外放”式人才引進(jìn)，只要人才為我所用，可通過(guò)海外研究基地等模式挖掘人才，并將國(guó)內(nèi)人才送至海外基地培養(yǎng)，堅(jiān)持引進(jìn)與培養(yǎng)“兩條腿走路”。
避免閉門(mén)造車(chē)式創(chuàng)新。日本尼康公司在與荷蘭ASML公司的競(jìng)爭(zhēng)中失敗的一個(gè)重要原因，是尼康堅(jiān)持自產(chǎn)自研的發(fā)展模式；不論是光刻機(jī)中的零件，還是關(guān)鍵技術(shù)，尼康都希望通過(guò)自主研發(fā)獲得完全掌控。ASML則背靠荷蘭飛利浦，以歐洲精密機(jī)床和儀器為基礎(chǔ)，以美國(guó)先進(jìn)技術(shù)為核心，與臺(tái)積電等制造公司緊密合作，堅(jiān)持互利共贏、開(kāi)放合作的發(fā)展模式。在半導(dǎo)體這個(gè)對(duì)技術(shù)要求苛刻、資金需求巨大的行業(yè)內(nèi)，閉門(mén)造車(chē)式創(chuàng)新不僅成本過(guò)重，而且后繼乏力，更難以形成正向的產(chǎn)業(yè)循環(huán)，我國(guó)應(yīng)引以為戒。
