文章作者：國務(wù)院發(fā)展研究中心國際技術(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”之勢蔓延、美國推動半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈回流的背景下，國產(chǎn)光刻機(jī)的真實水平是什么樣的？我國又應(yīng)如何發(fā)力實現(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：大國競爭的前沿》一書，該書由中國人民大學(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去半個世紀(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，較2019年的359臺增加54臺，漲幅為15%。其中，ASML公司出貨258臺，占比62.47%；尼康公司出貨31臺，占比7.51%；佳能公司出貨122臺，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)并不是某一個企業(yè)能夠單獨完成的，光刻作為晶圓制造過程中最復(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：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10萬個零件，90%的關(guān)鍵設(shè)備來自外國而非荷蘭本國。ASML作為整機(jī)公司，實質(zhì)上只負(fù)責(zé)光刻機(jī)設(shè)計與各模塊集成，需要全而精的上游產(chǎn)業(yè)鏈作為堅實的支撐?？v觀ASML的5 000多個供應(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，此類別包括790家供應(yīng)商，采購和運營支出占ASML總開支的66%。
在10納米節(jié)點以下，ASML穩(wěn)穩(wěn)占據(jù)100%的市場，佳能和尼康等同業(yè)競爭對手已無力追趕。如果芯片制造商想要生產(chǎn)10納米節(jié)點以下的芯片，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)路線圖。而日本、美國等國的許多半導(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)一步推動超精細(xì)芯片制程的研發(fā)，延續(xù)“摩爾定律”。
02
美日推動半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈回流，應(yīng)對缺芯困境
2020年，受新冠肺炎疫情影響，美國國防部認(rèn)識到國防產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈的脆弱，開始制定一項“微電子回流戰(zhàn)略”，旨在通過公私合作等方式，將微電子制造、組裝和測試產(chǎn)業(yè)從亞洲轉(zhuǎn)移至美國，以解除對微電子產(chǎn)品供應(yīng)鏈安全的擔(dān)憂。
2020年5月，美國白宮與英特爾、臺積電進(jìn)行談判，成功說服這兩家公司在美國本土新建芯片制造廠。
2021年2月，美國“拜D”總統(tǒng)簽署一項行政命令，要求美國政府對半導(dǎo)體芯片、電動汽車大容量電池、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“拜D”政府公布了一項2萬億美元的基礎(chǔ)設(shè)施投資計劃，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，美國白宮召開線上峰會以商討如何應(yīng)對芯片短缺的困境，與會者包括三星、英特爾、臺積電和谷歌等公司?！鞍軩”總統(tǒng)稱，加強(qiáng)美國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)和供應(yīng)鏈韌性是美國兩黨的共識，已有23名參議員和42名眾議員來信支持美國的《為芯片生產(chǎn)創(chuàng)造有益的激勵措施法案》（CHIPS），以應(yīng)對中國等其他國家的快速發(fā)展，消除美國在研發(fā)和制造方面的局限性。
芯片短缺的現(xiàn)狀雖與美國供應(yīng)鏈對亞洲的依賴并不直接相關(guān)，卻掀起了一輪有關(guān)芯片制造回流美國的廣泛討論，并贏得美國國會內(nèi)部對于深度投資美國本土半導(dǎo)體制造環(huán)節(jié)的有力支持。
2020年4月，日本政府召開經(jīng)濟(jì)增長戰(zhàn)略會議，針對全球半導(dǎo)體供應(yīng)不足問題，討論國內(nèi)投資支持措施，以確保國內(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，沒有附加價值高的尖端半導(dǎo)體制造能力。政府對逾六成國內(nèi)半導(dǎo)體需求依賴進(jìn)口的現(xiàn)狀表示擔(dān)憂。日本官房長官加藤勝信表示，“將促進(jìn)研發(fā)和投資，力圖構(gòu)筑切實的供應(yīng)體制”。4月，美日兩國首腦召開會議，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)險高的中國臺灣和與美國對立加深的中國大陸等特定地區(qū)的體制。
03
首臺國產(chǎn)28納米工藝浸沒式光刻機(jī)有望交付
國際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會（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19%。中國大陸市場的設(shè)備銷售額比上年增長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。
我國在光刻機(jī)方面的技術(shù)積累和人才儲備相對不足，雖無法制造高端光刻機(jī)，但可以制造一些低、中端的光刻機(jī)。
2008年起，我國開始重視光刻機(jī)的研發(fā)。為推動我國集成電路制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，國家決定實施科技重大專項“極大規(guī)模集成電路制造裝備及成套工藝”項目（又稱“02專項”）。在該項目下，我國研究團(tuán)隊一路攻堅克難，國產(chǎn)首套90納米高端光刻機(jī)已經(jīng)研制成功。
2019年4月，武漢光電國家研究中心甘棕松團(tuán)隊通過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)場光學(xué)的辦法，光刻出最小9納米線寬的線段。該成果一舉實現(xiàn)光刻機(jī)材料、軟件和零部件的三大國產(chǎn)化。
2020年6月，上海微電子設(shè)備有限公司透露將在2021—2022年交付首臺國產(chǎn)28納米工藝浸沒式光刻機(jī)。這意味著國產(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一段時間里，16納米和14納米制程的成本一度高于28納米，與摩爾定律的運行規(guī)律相反，這也使得28納米制程工藝極具性價比。在實際應(yīng)用中，28納米光刻機(jī)不僅能用來生產(chǎn)28納米芯片，更有望通過多重曝光的方式生產(chǎn)14納米、10納米、7納米芯片。盡管我國自主光刻機(jī)與外國先進(jìn)水平仍有不小代差，但未來可期。
04
避免閉門造車式創(chuàng)新：全面發(fā)力實現(xiàn)國產(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)體國產(chǎn)化趨勢明確。
我國電子行業(yè)仍大規(guī)模依賴美國技術(shù)，尤其是中上游對外依賴度高，半導(dǎo)體材料與設(shè)備國產(chǎn)化率平均不足20%。尤其是芯片、射頻器件和FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）等核心元器件，仍面臨著美國的大規(guī)模壟斷。隨著摩爾定律逐漸無以為繼，通過快速技術(shù)升級提升半導(dǎo)體供應(yīng)能力的路線難以走通，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，半導(dǎo)體行業(yè)供需關(guān)系出現(xiàn)倒掛，未來半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的地位越發(fā)關(guān)鍵，對半導(dǎo)體的投資也將迎來黃金時刻。此外，技術(shù)更迭的速度逐步加快，在對半導(dǎo)體加大投資的過程中，須對產(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，建立協(xié)同的投資和發(fā)展模式。我國擁有“集中力量辦大事”的體制優(yōu)勢，在市場經(jīng)濟(jì)條件下，也應(yīng)發(fā)揮社會資本的重要作用，堅持國家資本和社會資本雙管齊下投資產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
相對于國家資本而言，社會資本對行業(yè)具有天然的親和性，更貼近行業(yè)現(xiàn)狀，對動向的洞悉更敏銳，也更容易實現(xiàn)技術(shù)突破。利用國家大基金等資本的帶動作用，引導(dǎo)社會資本深入半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，布局先進(jìn)技術(shù)，更能推動產(chǎn)業(yè)整體進(jìn)步。對于光刻機(jī)等技術(shù)要求高、研發(fā)投入大的領(lǐng)域，可以由國家推動，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)，以實用為導(dǎo)向，拉攏最優(yōu)質(zhì)、對技術(shù)應(yīng)用最了解的客戶，與世界領(lǐng)先的供應(yīng)商合作，通過利益共同體的模式帶動產(chǎn)業(yè)發(fā)展。這就要求我國在專注核心技術(shù)的前提下堅持全球范圍內(nèi)的開放合作，通過對整個產(chǎn)業(yè)鏈的開放合作降低技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用成本，促進(jìn)技術(shù)快速迭代升級。
堅持人才托舉。我國半導(dǎo)體人才培養(yǎng)應(yīng)堅持以人為本，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，對中國籍、華裔和外國人才一視同仁，向歐洲、日本等國家和地區(qū)的人才敞開國門，鼓勵國內(nèi)外人才以各種形式投身我國半導(dǎo)體行業(yè)建設(shè)，發(fā)揮人才的溢出效應(yīng)。對人才引進(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，可通過海外研究基地等模式挖掘人才，并將國內(nèi)人才送至海外基地培養(yǎng)，堅持引進(jìn)與培養(yǎng)“兩條腿走路”。
避免閉門造車式創(chuàng)新。日本尼康公司在與荷蘭ASML公司的競爭中失敗的一個重要原因，是尼康堅持自產(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)，以美國先進(jìn)技術(shù)為核心，與臺積電等制造公司緊密合作，堅持互利共贏、開放合作的發(fā)展模式。在半導(dǎo)體這個對技術(shù)要求苛刻、資金需求巨大的行業(yè)內(nèi)，閉門造車式創(chuàng)新不僅成本過重，而且后繼乏力，更難以形成正向的產(chǎn)業(yè)循環(huán)，我國應(yīng)引以為戒。
