工欲善其事 必先利其器

“中興事件”后，擺脫芯片的進口依賴已成全民共識，但這首先要擺脫芯片制造裝備的進口依賴。

在工業(yè)生產(chǎn)中，煤和石油的重要性盡人皆知，前者被譽為“工業(yè)的糧食”，后者被稱作“工業(yè)的血液”。然而，在信息社會到來的今天，煤和石油的地位日益被芯片取代。在現(xiàn)代工業(yè)中，芯片不僅成為“現(xiàn)代工業(yè)的糧食”，而且還充當(dāng)著電子消費品、電子設(shè)備的“大腦”和“心臟”。生活中小到銀行卡、身份證、手機、電腦，大到飛機、輪船、衛(wèi)星，都離不開芯片。就產(chǎn)業(yè)規(guī)模而言，目前全球芯片市場規(guī)模已達(dá)到4700多億美元，其中2/3的市場需求來自中國。中國擁有全球第一大芯片市場，但80%以上的芯片卻要依賴進口，高端芯片的自給率更是不足10%。

針對芯片的這種狀況，人們不禁要問：作為世界第一制造大國，中國為什么不能做到芯片自給？芯片自給率不足有很多原因，但生產(chǎn)芯片的先進裝備供給不足，是一個毋庸置疑的重要原因。所以，裝備是解決芯片問題的關(guān)鍵，正如古人所說“工欲善其事，必先利其器”。

光刻機的故事

從產(chǎn)業(yè)鏈來看，芯片生產(chǎn)主要分為設(shè)計、制造、封測三大環(huán)節(jié)。制造工藝包括光刻、刻蝕、離子注入、薄膜沉積、化學(xué)機械研磨等。

在芯片制造流程中，光刻是最復(fù)雜、最關(guān)鍵的工藝步驟，耗時長、成本高。芯片制造的難點和關(guān)鍵點在于將電路圖從掩模上轉(zhuǎn)移至硅片上，這一過程是通過光刻來實現(xiàn)的，光刻的工藝水平直接決定芯片的制程水平和性能水平。據(jù)專家介紹，芯片在生產(chǎn)中需要進行20次?30次的光刻，耗時占到集成電路制造環(huán)節(jié)的50%左右，占芯片生產(chǎn)成本的1/3。

“制造一塊集成電路芯片，其精細(xì)程度相當(dāng)于一根頭發(fā)絲的1‰，好比在頭發(fā)上面‘繡花’一樣。”上海微電子裝備（集團）股份有限公司（以下簡稱“上微”）總經(jīng)理賀榮明說，“要把一塊體積小巧、功能強大的集成電路芯片制造出來，除了卓越的電路設(shè)計外，更離不開將設(shè)計圖形轉(zhuǎn)換成高性能芯片的制造設(shè)備，而其中最為關(guān)鍵的設(shè)備就是光刻機?！?/p>

光刻機就像一臺精密復(fù)雜的特殊照相機，在芯片制造中，它是“定義圖形”最為重要的一種機器。高端光刻機集精密光學(xué)、機械、控制、材料等先進科技和工程技術(shù)于一體，是集成電路裝備中研發(fā)投入最大、技術(shù)難度最高的關(guān)鍵設(shè)備，因此，被稱為人類技術(shù)發(fā)展的制高點并被譽為集成電路產(chǎn)業(yè)“皇冠上的明珠”。正是因為研制光刻機的技術(shù)門檻和資金門檻都非常高，所以，時至今日，世界上有能力涉足高端光刻機的企業(yè)寥若晨星。荷蘭有阿斯麥（ASML），日本有尼康（NIKON）和佳能（CANON），中國有上微，僅此而已。龍頭老大是阿斯麥，它占有全球高達(dá)80%的市場份額，并壟斷了高端光刻機——最先進的極紫外光刻機市場，可謂一騎絕塵。

摩爾定律提出，當(dāng)價格不變時，集成電路上可容納元器件的數(shù)目，大約每隔18?24個月便會增加1倍，性能也將提升1倍。集成電路前30年的發(fā)展能夠基本滿足摩爾定律，關(guān)鍵就在于光刻機能不斷實現(xiàn)更小的分辨率水平。而近10年摩爾定律的時間間隔延長至3?4年，其主要原因也在于光刻機發(fā)展遲緩。

光刻機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是工藝常數(shù)、λ是光刻機所用光源的波長、NA代表物鏡數(shù)值孔徑。光刻機制程工藝水平的發(fā)展正是遵循這個公式。

根據(jù)所使用光源的改進，光刻機經(jīng)歷了5個代際的發(fā)展（見下表），每次光源的改進都顯著提升了光刻機所能實現(xiàn)的最小工藝節(jié)點。此外，雙工件臺、浸沒式光刻等技術(shù)進步也在不斷地提升光刻機的工藝制程水平，以及生產(chǎn)的效率和良率。

從這個表中可見，光刻機發(fā)展到第四代的時候，光源采用了193納米的氟化氬（ArF）準(zhǔn)分子激光，最小制程一舉提升至65納米的水平。但是，由于能夠取代ArF實現(xiàn)更小制程的光刻機遲遲不能研制成功，光刻機生產(chǎn)商只好在第四代光刻機上進行了大量的工藝創(chuàng)新，來滿足更小制程和更高效率的生產(chǎn)需要。

1986年，阿斯麥?zhǔn)紫韧瞥霾竭M式掃描投影光刻機;2001年，阿斯麥又推出雙工件臺系統(tǒng)（TWINSCANSYSTEM）。這些創(chuàng)新將芯片的制程和生產(chǎn)效率提升了一個臺階。

然而，芯片制造到了45納米制程節(jié)點時，第四代光刻機遇到了分辨率不足的問題。當(dāng)時業(yè)內(nèi)對下一代光刻機的發(fā)展提出了兩種路線圖：一是開發(fā)波長更低的157納米F2準(zhǔn)分子激光作為光源;二是2002年臺積電林本堅提出的浸沒式光刻。在最小分辨率的公式中，NA與折射率成正相關(guān)，因此，如果用折射率大于1的水作為媒介進行光刻，最小分辨率將得到提升。

林本堅提出浸沒式光刻設(shè)想后，阿斯麥很快就與臺積電展開合作，共同開發(fā)浸沒式光刻機，并于2007年推出浸沒式光刻機TWINSCANXT：1900i，實現(xiàn)了45納米的制程工藝，占據(jù)了市場的制高點。而“光刻雙雄”尼康和佳能主推的157納米光源干式光刻機則被市場拋棄，這也成了尼康和佳能由盛轉(zhuǎn)衰、阿斯麥一家獨大的轉(zhuǎn)折點。

通過以上創(chuàng)新，第四代光刻機最高可以實現(xiàn)22納米制程的芯片生產(chǎn)，但在摩爾定律的推動下，芯片制程的需求已經(jīng)發(fā)展到14?10納米，甚至7納米、5納米，第四代光刻機無法滿足這一需求，于是第五代極紫外（EUV）光刻機應(yīng)運而生。

前四代光刻機使用的光源是深紫外光，第五代極紫外光刻機使用的則是波長13.5納米的極紫外光。極紫外光刻機的概念其實早在20世紀(jì)90年代就被提出，阿斯麥從1999年開始研發(fā)極紫外光刻機。本來原計劃在2004年推出產(chǎn)品，但卻直到2010年才研制出第一臺EUV原型機，2016年開始為下游客戶供貨，比預(yù)計時間晚了12年。盡管如此，極紫外光刻機的研制成功并投入市場，還是使摩爾定律得以延續(xù)，并使芯片產(chǎn)業(yè)邁進了新時代。

阿斯麥之路

阿斯麥于1984年由飛利浦和先進半導(dǎo)體材料國際（ASMI）合資成立。阿斯麥?zhǔn)鞘澜珙I(lǐng)先的芯片制造設(shè)備制造商，專業(yè)從事光刻系統(tǒng)開發(fā)，其產(chǎn)品組合由三個主要業(yè)務(wù)線組成——深紫外（DUV）系統(tǒng)、極紫外（EUV）系統(tǒng)和應(yīng)用。2017年，阿斯麥銷售額90.53億歐元，毛利率45.0%，凈利潤21.19億歐元。2018年，阿斯麥銷售額突破100億歐元。

阿斯麥?zhǔn)且患铱鐕?，總部現(xiàn)位于荷蘭費爾德霍芬（Veldhoven），在全球16個國家的60個城市設(shè)有辦事處，員工總數(shù)超過2.2萬人。公司在阿姆斯特丹泛歐證券交易所和納斯達(dá)克證券交易所上市。

阿斯麥創(chuàng)立伊始，在荷蘭南部城市艾恩德霍芬的飛利浦大樓旁邊的木棚里度過了一段時間。在那里，他們推出了第一款產(chǎn)品：PAS2000步進器。1985年，阿斯麥遷往附近的費爾德霍芬，當(dāng)時公司僅有100多名員工。1986年，阿斯麥又推出PAS2500步進器，同年與鏡片制造商德國卡爾蔡司（CarlZeiss）建立了密切的合作伙伴關(guān)系。20世紀(jì)80年代，阿斯麥還拓展了亞洲和美國市場。

1991年，阿斯麥推出了突破性平臺PAS5500，大大縮短了用戶的生產(chǎn)時間。1995年，阿斯麥?zhǔn)召徚孙w利浦出售的股份后，分別在阿姆斯特丹和納斯達(dá)克證券交易所上市。上市給阿斯麥帶來了比較充裕的發(fā)展資金，于是阿斯麥擴大了費爾德霍芬的生產(chǎn)設(shè)施。2000年，阿斯麥?zhǔn)召徚嗣绹韫燃瘓F，并將康涅狄格州的威爾頓作為研發(fā)和制造基地。

2001年，阿斯麥推出TWINSCAN系統(tǒng)，最大限度地提高了系統(tǒng)的生產(chǎn)率和準(zhǔn)確性。2007年研制的浸沒式系統(tǒng)（TWINSCANXT：1900i），使客戶能夠通過透鏡和晶圓之間的一層水投射光來生產(chǎn)更小的、性能更高的芯片;同年，阿斯麥?zhǔn)召徚祟I(lǐng)先的半導(dǎo)體設(shè)計和制造優(yōu)化解決方案提供商BRION。這是阿斯麥“整體光刻”戰(zhàn)略的開始。

2010年，阿斯麥研制出第一臺極紫外（EUV）光刻工具原型（NXE：3100），標(biāo)志著光刻新時代的開始。

2013年，阿斯麥發(fā)布了第二代EUV系統(tǒng)（NXE：3300），2015年又推出了第三代EUV系統(tǒng)（NXE：3350）。2016年，當(dāng)極紫外光刻機投放到市場時，很快就受到了市場的熱捧，英特爾、臺積電和三星都是它的用戶。但因產(chǎn)能所限，阿斯麥2017年僅交付了11臺，2018年出貨18臺，2019年計劃出貨30臺。由于訂單量遠(yuǎn)超產(chǎn)能，所以，用戶購買阿斯麥的極紫外光刻機必須提前預(yù)定，比如中芯國際2018年訂購一臺極紫外光刻機，阿斯麥2019年才能供貨。極紫外光刻機平均售價每臺1億歐元，這將給阿斯麥帶來極大的收益。

從阿斯麥的發(fā)展史來看，2010年是很重要的一年，這一年他們做出了第一臺極紫外光刻機的原型機。雖然2007年阿斯麥因推出浸沒式光刻機最終戰(zhàn)勝了“光刻雙雄”尼康和佳能，但它達(dá)到獨步天下的程度，還是在研制出極紫外光刻機之后。極紫外光刻機將芯片制造的最小工藝節(jié)點推到了22?7納米，甚至5納米。

阿斯麥的成功，除了得益于全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)復(fù)蘇之外，其自身原因更為重要。

首先是阿斯麥進入資本市場直接融資，解決資金難題。阿斯麥在成立之初面對美國、日本的強大競爭對手，資金實力明顯不足，它的解決方案是上市直接融資。1995年，阿斯麥?zhǔn)召徚孙w利浦持有的股份（ASMI退出阿斯麥時，其股份被飛利浦收購），同年在阿姆斯特丹和納斯達(dá)克證券交易所上市。此后，阿斯麥一系列的并購以及擴大研發(fā)投入都和上市獲得的資金有關(guān)，阿斯麥也因此步入了發(fā)展的快車道。

其次是阿斯麥全球布局、廣納人才，建立強大的研發(fā)團隊。阿斯麥在荷蘭、美國、韓國、中國大陸、中國臺灣設(shè)有研發(fā)與生產(chǎn)中心，在公司的2.2萬余名員工中有7000名以上是來自物理、機器人、化學(xué)和材料工程等領(lǐng)域的工程師，研發(fā)實力十分強大。

還有就是阿斯麥極其重視持續(xù)的研發(fā)投入。作為全球光刻機霸主，近10年來阿斯麥每年的研發(fā)投入都保持在營業(yè)收入的15%左右，遠(yuǎn)超其競爭對手尼康、佳能5%?6%的研發(fā)投入。大量持續(xù)的研發(fā)投入，使阿斯麥擁有了超過1萬項的專利，并建立了強大的專利組合。這些專利增強了阿斯麥的競爭力和持續(xù)盈利的能力，保證了阿斯麥投資和經(jīng)營的安全性和自由度。

阿斯麥最為重要的成功經(jīng)驗，是它創(chuàng)建了一種開放式創(chuàng)新模式。阿斯麥這樣描述他們的開放式創(chuàng)新：“在供應(yīng)商、合作伙伴和客戶的生態(tài)系統(tǒng)中，我們共同合作的方式就是我們所說的‘開放式創(chuàng)新’?！边@是阿斯麥在早年就已經(jīng)形成的一種信念：“我們始終將自己視為建筑師和集成商，鼓勵我們的合作伙伴一起在工程的前沿創(chuàng)新，各自發(fā)揮自己的優(yōu)勢，同時分擔(dān)風(fēng)險、分享回報。開放式創(chuàng)新擴展了所有合作伙伴的知識和技能，將技術(shù)提升到比任何一個合作伙伴單獨完成的任務(wù)更快的水平?！边@是建立在相互信任和自我管理基礎(chǔ)上的合作，阿斯麥為建立這種形式的合作而感到自豪。

一臺光刻機由十幾個子系統(tǒng)、成千上萬個零部件構(gòu)成，任何一個光刻機制造企業(yè)都不可能全部自己生產(chǎn)，其中大部分零部件要由全球供應(yīng)商制造，這就需要管理好全球供應(yīng)鏈。但是，對于光刻機的關(guān)鍵技術(shù)、核心零部件，阿斯麥還是要靠自己研發(fā)，或者建立以自己為核心的包括產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)、科研機構(gòu)、大學(xué)的研發(fā)聯(lián)合體進行研發(fā)，從而打造全產(chǎn)業(yè)鏈競爭力。

阿斯麥的開放式創(chuàng)新，既重視與上游供應(yīng)商的合作，同時也重視與下游用戶的合作。例如，為了解決資金和技術(shù)難題，加快極紫外光刻機的研發(fā)進程，2012年阿斯麥提出“客戶聯(lián)合投資專案”（CUSTOMERCO-INVERSTMENTPROGRAM）。這個專案得到英特爾、臺積電、三星的積極響應(yīng)，三大巨頭掏出真金白銀入股阿斯麥，支持阿斯麥研發(fā)極紫外光刻機，最后阿斯麥以23%的股權(quán)共籌得資金52.59億歐元。此后，2013年5月30日，阿斯麥?zhǔn)召徚巳蝾I(lǐng)先的準(zhǔn)分子激光器供應(yīng)商美國西盟公司（CYMER）;2016年11月5日，又以10億歐元收購了光學(xué)系統(tǒng)供應(yīng)商德國卡爾蔡司公司24.9%的股權(quán)。這兩次收購加快了阿斯麥極紫外光源和光學(xué)系統(tǒng)的研發(fā)進程，對極紫外光刻機的問世和批量生產(chǎn)起到了決定性的作用，而這一切都是開放式創(chuàng)新的結(jié)果。

回顧和梳理阿斯麥的成功經(jīng)驗，給后來者以極大的啟發(fā)。阿斯麥在聚集全球資源、人才和資本運作方面的做法很值得研究，其開放式創(chuàng)新模式更是經(jīng)濟全球化時代一個企業(yè)成功之關(guān)鍵。

上微在追趕

就在世界光刻巨頭激烈競爭之時，上微誕生了。

2002年春，在上海浦東張江春曉路一棟3層小樓里，賀榮明帶著最初的9位創(chuàng)業(yè)者走上了光刻機自主研發(fā)之路。也正是從那時起，中國人開啟了自己的追夢光刻的實踐。

在奉命組建上微之前，賀榮明在上海電氣（集團）總公司工作，擔(dān)任公司戰(zhàn)略發(fā)展部部長，并沒有和光刻機打過交道，所以，接受研發(fā)光刻機的任務(wù)，對于他而言是一個非常大的挑戰(zhàn)。“如今回想起來還是有些后怕。雖然當(dāng)時對光刻機的技術(shù)難度有所預(yù)估，但確實沒料到會這么難?！辟R榮明說。

上微一創(chuàng)立就面臨著重重困難。一是人才嚴(yán)重匱乏。據(jù)賀榮明介紹，“當(dāng)時國內(nèi)‘懂’光刻機的人才只有幾十人?！倍侨狈夹g(shù)積累。三是沒有配套的供應(yīng)鏈。當(dāng)時，國內(nèi)與光刻機相關(guān)的配套行業(yè)幾乎是一片空白。

在這樣的情況下，“唯一的出路就是走創(chuàng)新之路。”賀榮明說。但是，如何創(chuàng)新呢？上微的創(chuàng)業(yè)者把一種“解方程式”的方法應(yīng)用到創(chuàng)新之中。他們首先“將自己定位于光刻機的‘頂層系統(tǒng)設(shè)計者’，并確立了聚焦集成創(chuàng)新的研發(fā)策略，通過在產(chǎn)業(yè)鏈上位置的躍遷，來實現(xiàn)自主創(chuàng)新。”賀榮明講述著上微的創(chuàng)新之路，“光刻機的零部件可以由合作企業(yè)提供，但系統(tǒng)設(shè)計和核心技術(shù)要掌握在自己手里。比如說一個系統(tǒng)集成的項目，我們通過自主攻關(guān)，將其分解到元器件時，全球可合作的資源就豐富了。”

上微專門設(shè)置了一個集成工程部，其職責(zé)就是把關(guān)設(shè)備，把一個個小的系統(tǒng)集成成光刻機。上微集成工程部經(jīng)理毛方林說：“我們面臨最大的困難就是沒有任何集成的經(jīng)驗借鑒，只能靠自己的經(jīng)驗積累和摸索?！?/p>

上微在系統(tǒng)設(shè)計和集成方面的不斷探索，最后走出了一條通向集成創(chuàng)新的成功之路。說起上微的集成創(chuàng)新，賀榮明頗有心得地說：“集成創(chuàng)新，就是由我設(shè)計，然后利用全球技術(shù)為我所用，最后還由我調(diào)控。在技術(shù)基礎(chǔ)薄弱和國外封鎖的情況下，用好的管理和組織方式，照樣可以掌握復(fù)雜的技術(shù)系統(tǒng)。”

鏖戰(zhàn)多年后，他們的努力終于得到了回報。2008年，上微制造出第一臺國產(chǎn)100納米光刻機，實現(xiàn)了零的突破。同年，上微開始研制90納米光刻機，在我國一片空白的光刻機領(lǐng)域又邁出了關(guān)鍵的一步。

10年后——2018年3月，上微承擔(dān)的國家重大科技專項（02專項）“90納米光刻機項目”通過了驗收。國產(chǎn)90納米光刻機的問世，標(biāo)志著上微成為繼阿斯麥、尼康和佳能之后，全球第四家掌握光刻機系統(tǒng)設(shè)計和系統(tǒng)集成技術(shù)的公司。

90納米光刻機剛剛通過驗收，上微就又有了新的任務(wù)：到2020年完成28納米光刻機的研制。對于上微而言，這是一個光榮而艱巨的任務(wù)。上微生產(chǎn)的90納米光刻機雖已進入產(chǎn)線試用，但還沒有積累工藝適應(yīng)性經(jīng)驗，面對研制28納米光刻機的任務(wù)，他們怎樣做起呢？

從完成任務(wù)的時間來看，上微要在兩年多的時間內(nèi)，跳過65納米、45納米等工藝節(jié)點，從90納米干式光刻機直接升級到28納米浸沒式光刻機，其難度可想而知。

上微能否再攀新高？完成任務(wù)的時間確實緊了點，但從光刻機的發(fā)展速度看，阿斯麥現(xiàn)在已將光刻機發(fā)展到了新一代極紫外光刻機，如果我們不提速追趕，國內(nèi)晶圓廠就擺脫不了高端光刻機依賴進口的命運，從而也就解決不了芯片“卡脖子”的現(xiàn)狀。

上微有完成任務(wù)的責(zé)任和使命，也有一定的完成任務(wù)的優(yōu)勢。經(jīng)過16年的發(fā)展，上微通過自主創(chuàng)新，在光刻機核心技術(shù)方面取得了一系列重大突破。截至2018年5月，上微申請專利總數(shù)多達(dá)2498項（授權(quán)1371項），其中申請中國發(fā)明專利1845項（授權(quán)1050項），申請國外發(fā)明專利407項（授權(quán)140項）。上微知識產(chǎn)權(quán)保護工作做得卓有成效，被評為國家級知識產(chǎn)權(quán)示范企業(yè)。

上微現(xiàn)已形成了一支超過1000人的員工隊伍?！斑@是一支年齡結(jié)構(gòu)合理、學(xué)科門類齊全、專業(yè)技能扎實的光刻機設(shè)計、集成的優(yōu)秀工程技術(shù)人才隊伍以及與復(fù)雜系統(tǒng)研制和產(chǎn)品化、產(chǎn)業(yè)化相適應(yīng)的經(jīng)營管理團隊?！鄙衔⒁晃还芾碚哒f。

憑借著這些優(yōu)勢，上微有望再攀新高。

然而，當(dāng)今世界制造業(yè)的競爭尤其是集成電路產(chǎn)業(yè)的競爭，已經(jīng)不是一個企業(yè)的單打獨斗，而是全產(chǎn)業(yè)鏈的競爭。上微是一個在光刻機系統(tǒng)設(shè)計和系統(tǒng)集成方面有優(yōu)勢的公司，28納米浸沒式光刻機能不能按時生產(chǎn)出來，還要取決于我國光刻機產(chǎn)業(yè)鏈能不能提供制造28納米浸沒式光刻機所需的核心零部件，例如，鏡頭、光源等。

鏡頭、光源、工件臺、浸液系統(tǒng)是我國研制28納米浸沒式光刻機的四大核心部件，國內(nèi)一直有研究機構(gòu)在研發(fā)。有了符合28納米要求的前三個組件，再加上浸液系統(tǒng)，就能夠做出28納米浸沒式光刻機。據(jù)清華大學(xué)朱煜教授介紹，清華大學(xué)研制的雙工件臺（浸沒式），2017年已立項，第一臺2019年交付使用。中科院長春光學(xué)精密機械和物理研究所、應(yīng)用光學(xué)國家重點實驗室研發(fā)的物鏡系統(tǒng)、中科院上海光學(xué)精密機械研究所研發(fā)的照明系統(tǒng)、浙江大學(xué)研發(fā)的28納米光刻機浸液系統(tǒng)，也都在加快研發(fā)的進程。

從這些情況看，我國生產(chǎn)光刻機的全產(chǎn)業(yè)鏈正在形成，這讓人們有理由樂觀地期待：2020年國產(chǎn)28納米浸沒式光刻機將在上微誕生。