国产光刻机往事：难，真的是难……

【蜂耘网   激光光学】国人普遍对光刻机唉声叹气之时，全球光刻机龙头ASML首席执行官彼得·温宁克却曾表示:“如果不将光刻机卖给中国，五年之内，他们必将掌握所有的EUV光刻技术，十五年之后，ASML公司或将失去行业话语权！”

 

我们能做到吗？

 

 

01 艰难开局

 

1956年，周恩来总理收到了一份六百万字的草案，在这份《十二年科学技术发展远景规划》中，中科院的学部委员们提出了57项重点发展任务。

 

看着厚厚的资料，周总理向专家们请教：“这么多重点，国务院应该主要抓哪些？”

 

最终，57项任务被凝结为四大紧急措施：计算技术、无线电电子学、自动学和远距离操纵技术，以及半导体技术。

 

新中国对半导体的重视的确不算晚。两年后，美国德州仪器的基尔比、仙童半导体的诺伊斯，才几乎同时做出人类史上的第一块集成电路，打开了潘多拉魔盒。

 

作为集成电路（芯片）制造的必备设备，光刻机从此走上历史舞台，走进发展快车道。中国光刻机的发展，也从此时开始。

 

1961年，美国GCA公司制造出了第一台接触式光刻机。而一个广为流传的说法是，1966年，中科院下属109厂就与上海光学仪器厂协作，研制成功了我国第一台65型接触式光刻机。

 

早期的光刻机复杂程度和照相机差不多，技术难度不高，所以大家的差距也没那么大。

 

半导体市场的快速发展，推动着光刻机的需求和生长。日本的佳能、尼康，美国的GCA公司，以及接受军方投资的Perkin Elmer公司，都开始进入这一领域，中国虽然相对落后，但在相当长时间内，也算是亦步亦趋地紧跟产业步伐。

 

即便在动荡年代，中国也依然在向光刻机产业发起冲锋，虽然这个过程充满艰辛。

 

1971年，在江西鄱阳湖畔学习水稻种植的徐端颐，突然接到一个来自北京的电话，原本就是清华大学精密仪器系教师的他，要回京负责新一代光刻机的研发。

 

清华大学为徐端颐配备了数百人的团队，有技术超群的钳工，有搞精密机械加工的，还有从其他单位调来的搞计算机控制的老师和技术工人。群贤毕至，却没有一个人搞过光刻机。

 

组建这样一个“草台”班子，多少有些无奈。

 

新中国刚成立没多久，美国、英国、日本等17个国家，搞了个国际巴黎统筹委员会（简称巴统），旨在限制成员国向社会主义国家出口战略物资和高技术，列入禁运清单的有军事武器装备、尖端技术产品，中国也在封禁之列。

 

随着半导体的蓬勃发展，光刻机也被巴统列为尖端产品，对华实行禁运。而国内很少有从事光刻机的专业人才，只能从相关学科中调兵遣将。

 

底子薄、基础差，还有“巴统”这样的镣铐，落后在所难免。

 

1973年，美国PerkinElmer公司推出首台扫描投影光刻机，这种光刻机精度高，又改变了把光掩模压在光刻胶上的技术路线，芯片生产的良率从10%一夜之间提升到70%。但国内仍停留在接触式光刻机时代。

 

落后就要挨打，深深地刻在一代人的印记里，得到消息的中国决心奋起直追。

 

1977年，在江苏吴县（今苏州吴中区），专门开了一场光刻机技术座谈会，与会的67名代表指出：光刻设备和工艺极为重要，要提高光刻机技术，让中国半导体设备赶超世界先进水平。

 

人的潜力，在中国第一代光刻机从业者身上发挥到极致。

 

没有资料，只能靠自己摸索，徐端颐和团队成员边干边学，没日没夜地加班攻关，终于在1980年造出了国内第一台投影光刻机。

 

1985年，中科院45所在光刻机领域取得了重大进展，研制出分步投影式光刻机，被认定达到了1978年美国GCA公司推出的光刻机水准。当时，日后的光刻机巨头ASML公司才刚刚诞生。

 

国产光刻机有一个好的起点，但尴尬的是，因为当时国内半导体产业整体太薄弱。国产光刻机虽然研发出来，却没有很好的下游应用市场，无法真正走上市场和商业化的道路，只能停留在实验室研究阶段。

 

此后的二三十年，这种现实愈演愈烈，中国光刻机对外的差距，也越来越大。

 

02 蹉跎岁月

 

1977年7月，邓小平邀请30位科技界代表在人民大会堂召开座谈会。

 

在那场座谈会上，中国半导体灵魂人物王守武说得很直接：

 

“全国共有600多家半导体生产工厂，一年生产的集成电路总量，只等于日本一家大型工厂月产量的十分之一。”

 

王守武的一句话，将中国半导体产业的家底抖了个干净。

 

在20世纪60年代后期，中国一度采用群众运动的方式搞半导体。当时，报纸上甚至出现了如此报道：街道老太太在弄堂里架一台扩散炉，也能做出半导体。

 

蛮干硬上，产业发展违背科学规律，国内的芯片产业基本处于分散的手工式生产。在同一个时期，日本则依靠“产、官、学”相互协作体系，成为全球半导体市场的有力竞争者，其光刻机技术也取得长足的进步。

 

1984年，尼康推出量产型自动化步进式光刻机，凭借良好的性能，一如太平洋战争初期那般，印刻着“Made in Japan”的光刻机，把美国厂商打得节节败退。尼康甚至从美国厂商GCA手里夺下了IBM、英特尔、AMD等一系列大客户。

 

一消一涨之间，中国与世界先进水平的差距，被拉得更大了。这种差距感染了规划工作者，中国半导体行业由此开始了急进式的追赶之路。

 

从1986年到1995年，国家部委先后组织了半导体领域的“三大战役”：531战略、908工程、909工程。规划工作者希望通过市场化和运动式的集中攻关并行，换取半导体技术的进步和产业跨越的发展。

 

但国内如火如荼的造芯运动，却没有成为国产光刻机的幸运时刻。

 

改革开放，让美、日光刻机厂商紧盯着中国市场，再加上国产光刻机性能本就落后，国内好不容易起来的半导体企业和光刻机市场需求，却成了送给外资的礼物。

 

为迅速抢占中国光刻机市场，国际厂商除了常规竞争，可谓是千方百计。一些企业甚至还推出特别福利：买光刻机，送出国游。

 

国门刚开，中国的厂长经理们总想出去看一看、玩一玩，顺便学些先进经验回来。再加上对方的产品的确优秀，所以国内企业普遍就选择了国外光刻机。

 

许多原本购买徐端颐团队投影光刻机的公司，纷纷取消了订单。

 

本身就落后，且没有什么市场的国产光刻机，此时处境更加尴尬。产品卖不出去，从市场上找不到钱的同时，连生存也被釜底抽薪：

 

在20世纪80年代初，我国实行“拨改贷”的政策，将政府对国有企业的财政拨款，改为企业向银行贷款，导致国家对电子工业投入的减少。

 

既赢不了市场，也没了国家经费支持，国产光刻机因此站到悬崖边，许多光刻机项目纷纷下马。

 

芯片产业日新月异，光刻机亦是如此。当步伐停下后，曾经尚可奋力一争的国产光刻机，与国际同行的差距因此被迅速拉大，甚至几乎处于停滞状态。

 

曾经编写过《光刻掩模版的制造》武汉无线电元件三厂，一度还卖起了副食品。徐端颐团队也退出了光刻机的研究，转向光盘技术领域，还拿到了国家发明二等奖。

 

03 从头再来

 

2002年，荷兰南部的边境小镇费尔德霍芬，来了一批西装革履的中国人，他们身上背着一项沉重的使命——研发刚被列入“863重大科技攻关计划”的新型光刻机。

 

带队的人，名叫贺荣明，他掌舵的上海微电子公司，由科技部和上海市政府牵头成立，承担着攻坚光刻机技术的重任。

 

1999年，北约入侵科索沃时，美国的电子信息战瘫痪了南联盟几乎所有网络通讯系统，让人们看到了一场信息战的威力。科技部多次召开紧急会议讨论：一旦和美国闹掰，国家信息安全将面临怎样的威胁？

 

在缺芯少魂的担忧下，中国喊出了“砸锅卖铁也要研制芯片”的口号。在政策的鼓励下，中国半导体产业出现了海归创业和自主发展的热潮，国产光刻机再度觉醒。

 

贺荣明考察ASML的那一年，国际上的光刻机技术迎来重大突破。台机电联合ASML成功研发出的新一代光刻机，将芯片制程推进到45nm。ASML凭此脱颖而出，在日后击败尼康，成为新一代光刻机霸主。

 

贺荣明的目标很明确，想和光刻机巨头ASML公司合作，最不济也能学到点东西，但对方压根没把这群来自中国的客人放在眼里。

 

ASML公司一位德国工程师直接将光刻机的图纸拿给他们看，并撂下一句狠话：“就算给你们全套图纸，你们也做不出来光刻机”。

 

贺荣明很是生气，但外国专家的话不无道理，光刻机制造难度太高了，对精度、速度要求已高到难以想象——相当于两架大飞机从起飞到降落，始终齐头并进，一架飞机上伸出一把刀，在另一架飞机的米粒上刻字，不可以出差错。

 

巴统虽然解体了，但以美国为首的西方国家又搞出了瓦森纳协定。

 

在瓦森纳协议下，西方国家对中国半导体技术及光刻机等设备出口，一般都遵循“N-2”的原则审批，即比最先进技术落后两代。如果再在审批过程中适当拖延一下，中国能拿到的，只怕落后三代不止。

 

在中国必须掌握集成电路的主动权的战略重视下，国产光刻机还是艰难地重新起步——曾经研发出投影光刻机的45所，被调至上海微电子，他们的任务是100nm以下光刻机的研究。

 

2007年，上海微电子宣布研制出90nm工艺的分布式投影光刻机。由于这台机器大部分元器件是国外的，西方国家立即实行了禁运。辛苦研制的光刻机，迟迟无法量产又成为了摆设。

 

2008年，国家又成立“极大规模集成电路制造装备与成套工艺专项”（02专项）。吸取了前车之鉴后，除了强攻整机制造，还扶持了一批配套产业链企业。

 

比如，中科院微电子所与科益虹源合作研究光源系统、清华大学与华卓精科的开发双工作台系统、浙江大学与启尔机电共同研制浸没系统等。

 

持续的攻关下，光刻机产业开始取得突破。2016年，上海微电子终于实现了90nm光刻机的量产。

 

同年，清华大学团队和华卓精科成功研发出光刻机双工作台系统样机，成为继ASML之后第二个掌握光刻机双工作台系统的企业。

 

然而，就在形势不断向好时，美国挥舞着大棒来了。

 

2019年5月，美国突然宣布对华为制裁，并且很快将制裁范围从芯片扩展到更多领域，其中最重要的一个就是，限制国际领先光刻机对华销售。

 

04 持续突破

 

2019年6月3日，一架波音C-32A飞机降落在荷兰首都阿姆斯特丹，专机里坐着的是时任美国国务卿蓬佩奥，美国政坛二号人物。

 

他此行目的之一，是要阻止一桩中荷企业间的交易：一年前，中芯国际花费1.5亿美元，向荷兰ASML公司购买了一台EUV光刻机。

 

小于5纳米的芯片晶圆，只能用EUV光刻机生产。有了这台光刻机，中芯国际将有望在芯片制程上继续追赶，缩短差距。

 

向来崇尚市场经济、自由贸易的美国政府，此次索性自打自脸，向荷兰施压，并获得了成功，包括中芯国际在内的中国芯片制造企业，也因此被卡住了脖子。

 

2021年11月9日，第三届进出口博览会上，全球光刻机龙头ASML副总裁、中国区总裁沈波对媒体表示：公司对向中国出口光刻机持开放态度。

 

这下可捅了马蜂窝。因为美国正竭力要求其对华禁售产品，并且步步紧逼，不但要禁售先进制程的EUV光刻机，还要禁售成熟制程的DUV光刻机。

 

目前，双方的博弈还在继续中。

 

美国在继续施压，但已经禁了EUV的ASML，显然不愿意再禁DUV，其CEO彼得·温宁克就表示，“中国是非常重要的全球市场供应方，世界‘不能忽视这种现实’。”

 

话说得很委婉，但意思很明确，“一旦向中国断供光刻机，全球的半导体市场都会有影响。”

 

与之对应，2022年第一季度，ASML共交付62台光刻机，其中有21台DUV都是销往了中国大陆。

 

ASML倾向于支持中国的态度，并非完全来自国际友谊，也更包括其自身的巨大利益。因为今天的中国，是任何一个全球化企业不堪承受失去之痛的市场。

 

2021年，我国集成电路产量3594亿块，出口的集成电路为3107亿块，同比增长了19.6%。谷歌前CEO施密特甚至称，到了2025年，中国大陆或将成为全球最大芯片产地。

 

ASML因此担心：“如果不将光刻机卖给中国，五年之内，我们必将掌握所有的EUV光刻技术，十五年之后，ASML公司或将失去行业话语权！”

 

但归根到底，核心技术还是得掌握在自己手上。就在美国持续加码打压的同时，中国光刻机也迎来了史无前例的再次奋起追赶。

 

2019年10月，国家大基金二期注册成立，注册资本2041.5亿，其投资方向之一就是光刻机等核心设备及关键零部件。

 

2020年8月4日，国务院印发了《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展若干政策》，对进口掩模版等制造光刻机所需要的原材料，实施免征关税。

 

2021年2月，全国集成电路标准化技术委员会成立，包括华为、小米、中芯国际、上海微电子、北大、清华等90家单位，基本涵盖了我国集成电路产业链主要的企业、科研院所、高校。大家抱团取暖，进一步促进产业上下游对接。

 

国产光刻机产业也迎来突破。上海微电子披露：有望在2022年交付第一台28nm工艺国产光刻机。尽管这和7nm、5nm仍隔着数代距离，但是差距已经大大缩小。

 

回想新中国成立之初，一没资金、二没产业基础，三没人才储备，国产光刻机愣是做到了紧跟世界先进水平。

 

当下，国家政策持续发力，相关企业也在奋力突围。更为关键的是，产业环境也今非昔比，国内光刻机的科研基础、资金实力、产业上下游，都已达到世界级。集中力量实现再次成功突破，已经到达了临界点。

 

在光刻机之前，中国被卡脖子的行业其实有很多，比如面板产业，一度这是日韩企业的天下。没有技术，处于产业链下游的中国厂商不得不耗巨资采购。

 

在以京东方为代表的面板企业努力下，现在，中国已成为全球最大的面板产地。数据显示，2022上半年中国大陆面板厂商以8400万片出货量以及67%市场占有率，雄冠全球。

 

参照面板行业，乃至于更多中国产业突围的历史，ASML“或将失去行业话语权”的担心，不是没有可能。

 

参考资料

 

[1]《中国曾经的光刻机研发与徐端颐》文史天地

 

[2]《国产光刻机五十年，星星之火，可以燎原？》科工力量

 

[3]《上微突围战》上海国资杂志

 

[4]《光刻机大败局，阿斯麦王座下的白骨》远川科技评论

 

[5]《芯片制造“大国重器”背后的九九八十一难》智东西

 

[6]《芯想事成：中国芯片产业的突围与博弈》陈芳、董瑞丰

 

 

（蜂耘激光光学网   责任编辑：行云）