工欲善其事 必先利其器
2019-03-29

“中兴事件”后,摆脱芯片的进口依赖已成全民共识,但这首先要摆脱芯片制造装备的进口依赖。

| 文 · 魏志强

 

在工业生产中,煤和石油的重要性尽人皆知,前者被誉为“工业的粮食”,后者被称作“工业的血液”。然而,在信息社会到来的今天,煤和石油的地位日益被芯片取代。在现代工业中,芯片不仅成为“现代工业的粮食”,而且还充当着电子消费品、电子设备的“大脑”和“心脏”。生活中小到银行卡、身份证、手机、电脑,大到飞机、轮船、卫星,都离不开芯片。就产业规模而言,目前全球芯片市场规模已达到4700多亿美元,其中2/3的市场需求来自中国。中国拥有全球第一大芯片市场,但80%以上的芯片却要依赖进口,高端芯片的自给率更是不足10%。

针对芯片的这种状况,人们不禁要问:作为世界第一制造大国,中国为什么不能做到芯片自给?芯片自给率不足有很多原因,但生产芯片的先进装备供给不足,是一个毋庸置疑的重要原因。所以,装备是解决芯片问题的关键,正如古人所说“工欲善其事,必先利其器”。

 

光刻机的故事

从产业链来看,芯片生产主要分为设计、制造、封测三大环节。 制造工艺包括光刻、刻蚀、离子注入、薄膜沉积、化学机械研磨等。

在芯片制造流程中,光刻是最复杂、最关键的工艺步骤,耗时长、成本高。芯片制造的难点和关键点在于将电路图从掩模上转移至硅片上,这一过程是通过光刻来实现的, 光刻的工艺水平直接决定芯片的制程水平和性能水平。据专家介绍,芯片在生产中需要进行 20次?30 次的光刻,耗时占到集成电路制造环节的 50%左右,占芯片生产成本的 1/3。

“制造一块集成电路芯片,其精细程度相当于一根头发丝的1‰,好比在头发上面‘绣花’一样。”上海微电子装备(集团)股份有限公司(以下简称“上微”)总经理贺荣明说,“要把一块体积小巧、功能强大的集成电路芯片制造出来,除了卓越的电路设计外,更离不开将设计图形转换成高性能芯片的制造设备,而其中最为关键的设备就是光刻机。”

光刻机就像一台精密复杂的特殊照相机,在芯片制造中,它是 “定义图形”最为重要的一种机器。高端光刻机集精密光学、机械、控制、材料等先进科技和工程技术于一体,是集成电路装备中研发投入最大、技术难度最高的关键设备,因此,被称为人类技术发展的制高点并被誉为集成电路产业“皇冠上的明珠”。正是因为研制光刻机的技术门槛和资金门槛都非常高,所以,时至今日,世界上有能力涉足高端光刻机的企业寥若晨星。荷兰有阿斯麦(ASML),日本有尼康(NIKON)和佳能(CANON),中国有上微,仅此而已。龙头老大是阿斯麦,它占有全球高达80%的市场份额,并垄断了高端光刻机——最先进的极紫外光刻机市场,可谓一骑绝尘。

摩尔定律提出, 当价格不变时,集成电路上可容纳元器件的数目,大约每隔 18?24 个月便会增加1倍,性能也将提升1倍。集成电路前30年的发展能够基本满足摩尔定律, 关键就在于光刻机能不断实现更小的分辨率水平。而近10年摩尔定律的时间间隔延长至 3?4 年,其主要原因也在于光刻机发展迟缓。

光刻机的最小分辨率可由公式 R=kλ/NA表示,其中 R 代表可分辨的最小尺寸、k是工艺常数、λ是光刻机所用光源的波长、NA代表物镜数值孔径。光刻机制程工艺水平的发展正是遵循这个公式。

根据所使用光源的改进,光刻机经历了5个代际的发展(见下表),每次光源的改进都显着提升了光刻机所能实现的最小工艺节点。此外,双工件台、浸没式光刻等技术进步也在不断地提升光刻机的工艺制程水平,以及生产的效率和良率。



光源

波长(nm)

对应设备

最小工艺节点(nm)

第一代

g-line

436

接触式光刻机

800-250

接近式光刻机

800-250

第二代

i-line

365

接触式光刻机

800-250

接近式光刻机

800-250

第三代

KrF

248

扫描投影式光刻机

180-130

第四代

ArF

193

步进扫描投影光刻机

130-65

浸没式步进扫描投影光刻机

45-22

第五代

EUV

13.5

极紫外光刻机

22-7

(资料来源:半导体行业观察)

 

从这个表中可见,光刻机发展到第四代的时候,光源采用了 193纳米的氟化氩(ArF)准分子激光,最小制程一举提升至 65纳米的水平。但是,由于能够取代 ArF 实现更小制程的光刻机迟迟不能研制成功,光刻机生产商只好在第四代光刻机上进行了大量的工艺创新,来满足更小制程和更高效率的生产需要。

 1986年,阿斯麦首先推出步进式扫描投影光刻机;2001年,阿斯麦又推出双工件台系统(TWINSCAN SYSTEM)。这些创新将芯片的制程和生产效率提升了一个台阶。

然而,芯片制造到了 45纳米制程节点时,第四代光刻机遇到了分辨率不足的问题。当时业内对下一代光刻机的发展提出了两种路线图:一是开发波长更低的 157纳米F2准分子激光作为光源;二是2002 年台积电林本坚提出的浸没式光刻。在最小分辨率的公式中, NA与折射率成正相关,因此,如果用折射率大于 1 的水作为媒介进行光刻,最小分辨率将得到提升。

林本坚提出浸没式光刻设想后, 阿斯麦很快就与台积电展开合作,共同开发浸没式光刻机,并于2007年推出浸没式光刻机TWINSCAN XT:1900i,实现了 45纳米的制程工艺,占据了市场的制高点。而“光刻双雄”尼康和佳能主推的157纳米光源干式光刻机则被市场抛弃,这也成了尼康和佳能由盛转衰、阿斯麦一家独大的转折点。

通过以上创新,第四代光刻机最高可以实现 22纳米制程的芯片生产,但在摩尔定律的推动下,芯片制程的需求已经发展到 14?10纳米,甚至7纳米、5纳米,第四代光刻机无法满足这一需求,于是第五代极紫外(EUV)光刻机应运而生。

前四代光刻机使用的光源是深紫外光, 第五代极紫外光刻机使用的则是波长 13.5纳米的极紫外光。极紫外光刻机的概念其实早在20世纪90年代就被提出, 阿斯麦从 1999 年开始研发极紫外光刻机。本来原计划在 2004 年推出产品,但却直到 2010 年才研制出第一台 EUV 原型机, 2016 年开始为下游客户供货,比预计时间晚了12年。尽管如此,极紫外光刻机的研制成功并投入市场,还是使摩尔定律得以延续,并使芯片产业迈进了新时代。

 

阿斯麦之路

阿斯麦于1984年由飞利浦和先进半导体材料国际(ASMI)合资成立。阿斯麦是世界领先的芯片制造设备制造商,专业从事光刻系统开发,其产品组合由三个主要业务线组成——深紫外(DUV)系统、极紫外(EUV)系统和应用。2017年,阿斯麦销售额90.53亿欧元,毛利率45.0%,净利润21.19 亿欧元。2018年,阿斯麦销售额突破100亿欧元。

阿斯麦是一家跨国公司,总部现位于荷兰费尔德霍芬(Veldhoven),在全球16个国家的60个城市设有办事处,员工总数超过2.2万人。公司在阿姆斯特丹泛欧证券交易所和纳斯达克证券交易所上市。

阿斯麦创立伊始,在荷兰南部城市艾恩德霍芬的飞利浦大楼旁边的木棚里度过了一段时间。在那里,他们推出了第一款产品:PAS 2000步进器。1985年,阿斯麦迁往附近的费尔德霍芬,当时公司仅有100多名员工。1986年,阿斯麦又推出PAS 2500步进器,同年与镜片制造商德国卡尔蔡司(Carl Zeiss)建立了密切的合作伙伴关系。20世纪80年代,阿斯麦还拓展了亚洲和美国市场。

1991年,阿斯麦推出了突破性平台PAS 5500,大大缩短了用户的生产时间。1995年,阿斯麦收购了飞利浦出售的股份后,分别在阿姆斯特丹和纳斯达克证券交易所上市。上市给阿斯麦带来了比较充裕的发展资金,于是阿斯麦扩大了费尔德霍芬的生产设施。2000年,阿斯麦收购了美国硅谷集团,并将康涅狄格州的威尔顿作为研发和制造基地。

2001年,阿斯麦推出TWINSCAN系统,最大限度地提高了系统的生产率和准确性。2007年研制的浸没式系统(TWINSCAN XT:1900i),使客户能够通过透镜和晶圆之间的一层水投射光来生产更小的、性能更高的芯片;同年,阿斯麦收购了领先的半导体设计和制造优化解决方案提供商BRION。这是阿斯麦“整体光刻”战略的开始。

2010年,阿斯麦研制出第一台极紫外(EUV)光刻工具原型(NXE:3100),标志着光刻新时代的开始。

2013年,阿斯麦发布了第二代EUV系统(NXE:3300),2015年又推出了第三代EUV系统(NXE:3350)。2016年,当极紫外光刻机投放到市场时,很快就受到了市场的热捧,英特尔、台积电和三星都是它的用户。但因产能所限,阿斯麦2017年仅交付了11台,2018年出货18台,2019年计划出货30台。由于订单量远超产能,所以,用户购买阿斯麦的极紫外光刻机必须提前预定,比如中芯国际2018年订购一台极紫外光刻机,阿斯麦2019年才能供货。极紫外光刻机平均售价每台1亿欧元,这将给阿斯麦带来极大的收益。

从阿斯麦的发展史来看,2010年是很重要的一年,这一年他们做出了第一台极紫外光刻机的原型机。虽然2007年阿斯麦因推出浸没式光刻机最终战胜了“光刻双雄”尼康和佳能,但它达到独步天下的程度,还是在研制出极紫外光刻机之后。极紫外光刻机将芯片制造的最小工艺节点推到了22?7纳米,甚至5纳米。

阿斯麦的成功,除了得益于全球半导体产业复苏之外,其自身原因更为重要。

首先是阿斯麦进入资本市场直接融资,解决资金难题。阿斯麦在成立之初面对美国、日本的强大竞争对手,资金实力明显不足,它的解决方案是上市直接融资。1995年,阿斯麦收购了飞利浦持有的股份(ASMI退出阿斯麦时,其股份被飞利浦收购),同年在阿姆斯特丹和纳斯达克证券交易所上市。此后,阿斯麦一系列的并购以及扩大研发投入都和上市获得的资金有关,阿斯麦也因此步入了发展的快车道。

其次是阿斯麦全球布局、广纳人才,建立强大的研发团队。阿斯麦在荷兰、美国、韩国、中国大陆、中国台湾设有研发与生产中心,在公司的2.2万余名员工中有7000名以上是来自物理、机器人、化学和材料工程等领域的工程师,研发实力十分强大。

还有就是阿斯麦极其重视持续的研发投入。作为全球光刻机霸主,近10年来阿斯麦每年的研发投入都保持在营业收入的15%左右,远超其竞争对手尼康、佳能5%?6%的研发投入。大量持续的研发投入,使阿斯麦拥有了超过1万项的专利,并建立了强大的专利组合。这些专利增强了阿斯麦的竞争力和持续盈利的能力,保证了阿斯麦投资和经营的安全性和自由度。

阿斯麦最为重要的成功经验,是它创建了一种开放式创新模式。阿斯麦这样描述他们的开放式创新:“在供应商、合作伙伴和客户的生态系统中,我们共同合作的方式就是我们所说的‘开放式创新’。”这是阿斯麦在早年就已经形成的一种信念:“我们始终将自己视为建筑师和集成商,鼓励我们的合作伙伴一起在工程的前沿创新,各自发挥自己的优势,同时分担风险、分享回报。开放式创新扩展了所有合作伙伴的知识和技能,将技术提升到比任何一个合作伙伴单独完成的任务更快的水平。”这是建立在相互信任和自我管理基础上的合作,阿斯麦为建立这种形式的合作而感到自豪。

一台光刻机由十几个子系统、成千上万个零部件构成,任何一个光刻机制造企业都不可能全部自己生产,其中大部分零部件要由全球供应商制造,这就需要管理好全球供应链。但是,对于光刻机的关键技术、核心零部件,阿斯麦还是要靠自己研发,或者建立以自己为核心的包括产业链上下游企业、科研机构、大学的研发联合体进行研发,从而打造全产业链竞争力。

阿斯麦的开放式创新,既重视与上游供应商的合作,同时也重视与下游用户的合作。例如,为了解决资金和技术难题,加快极紫外光刻机的研发进程,2012年阿斯麦提出“客户联合投资专案”(CUSTOMER CO-INVERSTMENT PROGRAM)。这个专案得到英特尔、台积电、三星的积极响应,三大巨头掏出真金白银入股阿斯麦,支持阿斯麦研发极紫外光刻机,最后阿斯麦以23%的股权共筹得资金52.59亿欧元。此后,2013年5月30日,阿斯麦收购了全球领先的准分子激光器供应商美国西盟公司(CYMER);2016年11月5日,又以 10 亿欧元收购了光学系统供应商德国卡尔蔡司公司24.9%的股权。这两次收购加快了阿斯麦极紫外光源和光学系统的研发进程,对极紫外光刻机的问世和批量生产起到了决定性的作用,而这一切都是开放式创新的结果。

回顾和梳理阿斯麦的成功经验,给后来者以极大的启发。阿斯麦在聚集全球资源、人才和资本运作方面的做法很值得研究,其开放式创新模式更是经济全球化时代一个企业成功之关键。

 

上微在追赶

就在世界光刻巨头激烈竞争之时,上微诞生了。

2002年春,在上海浦东张江春晓路一栋3层小楼里,贺荣明带着最初的9位创业者走上了光刻机自主研发之路。也正是从那时起,中国人开启了自己的追梦光刻的实践。

在奉命组建上微之前,贺荣明在上海电气(集团)总公司工作,担任公司战略发展部部长,并没有和光刻机打过交道,所以,接受研发光刻机的任务,对于他而言是一个非常大的挑战。“如今回想起来还是有些后怕。虽然当时对光刻机的技术难度有所预估,但确实没料到会这么难。”贺荣明说。

上微一创立就面临着重重困难。一是人才严重匮乏。据贺荣明介绍,“当时国内‘懂’光刻机的人才只有几十人。”二是缺乏技术积累。三是没有配套的供应链。当时,国内与光刻机相关的配套行业几乎是一片空白。

在这样的情况下, “唯一的出路就是走创新之路。”贺荣明说。但是,如何创新呢?上微的创业者把一种“解方程式”的方法应用到创新之中。他们首先“将自己定位于光刻机的‘顶层系统设计者’,并确立了聚焦集成创新的研发策略,通过在产业链上位置的跃迁,来实现自主创新。”贺荣明讲述着上微的创新之路,“光刻机的零部件可以由合作企业提供,但系统设计和核心技术要掌握在自己手里。比如说一个系统集成的项目,我们通过自主攻关,将其分解到元器件时,全球可合作的资源就丰富了。”

上微专门设置了一个集成工程部,其职责就是把关设备,把一个个小的系统集成成光刻机。上微集成工程部经理毛方林说:“我们面临最大的困难就是没有任何集成的经验借鉴,只能靠自己的经验积累和摸索。”

上微在系统设计和集成方面的不断探索,最后走出了一条通向集成创新的成功之路。说起上微的集成创新,贺荣明颇有心得地说:“集成创新,就是由我设计,然后利用全球技术为我所用,最后还由我调控。在技术基础薄弱和国外封锁的情况下,用好的管理和组织方式,照样可以掌握复杂的技术系统。”

鏖战多年后,他们的努力终于得到了回报。2008年,上微制造出第一台国产100纳米光刻机,实现了零的突破。同年,上微开始研制90纳米光刻机,在我国一片空白的光刻机领域又迈出了关键的一步。

10年后——2018年3月,上微承担的国家重大科技专项(02专项)“90纳米光刻机项目”通过了验收。国产90纳米光刻机的问世,标志着上微成为继阿斯麦、尼康和佳能之后,全球第四家掌握光刻机系统设计和系统集成技术的公司。

90纳米光刻机刚刚通过验收,上微就又有了新的任务:到2020年完成28纳米光刻机的研制。对于上微而言,这是一个光荣而艰巨的任务。上微生产的90纳米光刻机虽已进入产线试用,但还没有积累工艺适应性经验,面对研制28纳米光刻机的任务,他们怎样做起呢?

从完成任务的时间来看,上微要在两年多的时间内,跳过65纳米、45纳米等工艺节点,从90纳米干式光刻机直接升级到28纳米浸没式光刻机,其难度可想而知。

上微能否再攀新高?完成任务的时间确实紧了点,但从光刻机的发展速度看,阿斯麦现在已将光刻机发展到了新一代极紫外光刻机,如果我们不提速追赶,国内晶圆厂就摆脱不了高端光刻机依赖进口的命运,从而也就解决不了芯片“卡脖子”的现状。

上微有完成任务的责任和使命,也有一定的完成任务的优势。经过16年的发展,上微通过自主创新,在光刻机核心技术方面取得了一系列重大突破。截至2018年5月,上微申请专利总数多达2498项(授权1371项),其中申请中国发明专利1845项(授权1050项),申请国外发明专利407项(授权140项)。上微知识产权保护工作做得卓有成效,被评为国家级知识产权示范企业。

上微现已形成了一支超过1000人的员工队伍。“这是一支年龄结构合理、学科门类齐全、专业技能扎实的光刻机设计、集成的优秀工程技术人才队伍以及与复杂系统研制和产品化、产业化相适应的经营管理团队。”上微一位管理者说。

凭借着这些优势,上微有望再攀新高。

然而,当今世界制造业的竞争尤其是集成电路产业的竞争,已经不是一个企业的单打独斗,而是全产业链的竞争。上微是一个在光刻机系统设计和系统集成方面有优势的公司,28纳米浸没式光刻机能不能按时生产出来,还要取决于我国光刻机产业链能不能提供制造28纳米浸没式光刻机所需的核心零部件,例如,镜头、光源等。

镜头、光源、工件台、浸液系统是我国研制28纳米浸没式光刻机的四大核心部件,国内一直有研究机构在研发。有了符合28纳米要求的前三个组件,再加上浸液系统,就能够做出28纳米浸没式光刻机。据清华大学朱煜教授介绍,清华大学研制的双工件台(浸没式), 2017年已立项,第一台2019年交付使用。中科院长春光学精密机械和物理研究所、应用光学国家重点实验室研发的物镜系统、中科院上海光学精密机械研究所研发的照明系统、浙江大学研发的28纳米光刻机浸液系统,也都在加快研发的进程。

从这些情况看,我国生产光刻机的全产业链正在形成,这让人们有理由乐观地期待:2020年国产28纳米浸没式光刻机将在上微诞生。