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“機器一開，黃金萬兩”，這不是說的印鈔機，而是不亞于印鈔機的光刻機。近日俄羅斯宣布首期投資6.7億盧布，派出俄羅斯莫斯科電子技術(shù)學(xué)院。目標(biāo)劍指當(dāng)今全球最先進的EUV（極紫外）光刻機。
“反正都是突圍，從TND哪個方向突圍不是突圍??？”當(dāng)年一部現(xiàn)象級電視劇《亮劍》中，李云龍在蒼云嶺反掃蕩中正面突圍的劇情現(xiàn)在看來仍舊令人心血沸騰。而近日在半導(dǎo)體領(lǐng)域，面臨美國芯片制裁的大棒全方位呼來，俄羅斯也打起了半導(dǎo)體制裁的“突圍”戰(zhàn)，并且也要“正面突圍”。
從俄羅斯的計劃來看，這次“突圍”戰(zhàn)可能不僅要打的成功，而且還要打出一片新天地來。為此，俄羅斯不僅制定了長期投資計劃，首期投資6.7億盧布（約合人民幣5100萬元），還派出了有著“國家隊”之稱的俄羅斯莫斯科電子技術(shù)學(xué)院（MIET）。目標(biāo)也是相當(dāng)不含糊，直接就是挑戰(zhàn)當(dāng)今全球最先進的EUV（極紫外）光刻機。
此消息一經(jīng)爆料，立刻在國內(nèi)引發(fā)了熱烈討論。與俄羅斯一樣，受制于某些眾所周知的原因，近年來國內(nèi)半導(dǎo)體行業(yè)不斷遭受重大打擊，國民同樣渴望先進的國產(chǎn)光刻機，打破漂亮國的技術(shù)“卡脖子”。對于俄羅斯自研光刻機，或許在一部分人眼中是“異想天開”的計劃，然而如果冷靜下來環(huán)顧思考，這何嘗不是為我們提供另一種思路的可能呢？
比印鈔機還值錢的光刻機
“機器一開，黃金萬兩”，這不是說的印鈔機，而是不亞于印鈔機的光刻機。如果你對這句話沒有概念，不妨看一下阿斯麥（ASML）公司在近些年中的股價走勢。根據(jù)東方財富網(wǎng)的數(shù)據(jù)顯示，在近20年的時間里，ASML的股價從不足50美元翻了十余倍，尤其從2019年開始，股價更是一路飛漲，最高時一度接近900美元，近期其股價雖然有所回落，但仍高達594美元，總市值為2391億美元。
然而事實上，ASML真正成為一家在半導(dǎo)體行業(yè)內(nèi)呼風(fēng)喚雨的企業(yè)，也未超過10年。早在上個世紀(jì)80年代，ASML僅僅是飛利浦旗下的一家合資小公司，算上老板共有31位員工。與之相比，它的對手卻一個比一個威風(fēng)、一個比一個雄厚，比如當(dāng)時無可爭議的巨頭尼康。真正讓ASML和尼康，甚至與世界拉開差距的，正是我們?nèi)缃裥闹心钅畈煌腅UV光刻機。
簡單來說，光刻機就是以光作刀，其本質(zhì)與投影儀+照相機相差無幾，就是把設(shè)計好的電路圖投射到硅片之上。因此，在1970以前，現(xiàn)在看來高大上的光刻機的門檻并不算高。1977年我國最早的光刻機GK-3型半自動光刻機誕生時，現(xiàn)在的巨頭ASML甚至還尚未出現(xiàn)，那么到底是什么掣肘了光刻機的發(fā)展呢？
“半導(dǎo)體行業(yè)皇冠上的明珠”絕非一句夸張之詞。光刻機的原理雖然簡單，但制造過程卻十分不易。僅一臺光刻機就由10萬余個零部件組成，集合了數(shù)學(xué)、光學(xué)、流體力學(xué)、高分子物理與化學(xué)、表面物理與化學(xué)、精密儀器、機械、自動化、軟件、圖像識別等數(shù)十領(lǐng)域頂尖的技術(shù)。
更重要的是，光刻機從半導(dǎo)體行業(yè)中獨立而出形成了范圍極廣、內(nèi)容極復(fù)雜的全球供應(yīng)鏈體系。以ASML 7nm制程的EUV光刻機為例，其內(nèi)部90%的關(guān)鍵零部件來自國外，有超過5000多個供應(yīng)商，比如其中鏡頭來自于德國的蔡司，特殊的復(fù)合材料來自于日本，工業(yè)靜謐機床來自于瑞典，先進控制軟件、電源則來自于美國。
縱觀ASML的成長史，其成功的背后更多的也是靠“朋友圈”，英特爾在1997年攢起來的EUV LLC聯(lián)盟幫了大忙。當(dāng)然，ASML為進入這一聯(lián)盟也付出了巨大的代價，包括在美國建立工廠和研發(fā)中心，保證55%的零部件均從美國供應(yīng)商處采購，甚至接受定期審查（美國可以禁止荷蘭光刻機出口中國的原因主要原因），但這卻為ASML“咸魚翻身”埋下了伏筆。除了技術(shù)之外，2013年ASML收購美國的Cymer公司更是成了它現(xiàn)在能獨占鰲頭的關(guān)鍵。
因此，在2010年ASML出貨第一臺預(yù)生產(chǎn)的EUV光刻機時，雖然俄羅斯的一個物理研究所IPM（RAS）也在開發(fā)EUV的系統(tǒng)和元件，以及裝置原型的搭建，并且取得了一些成果。比如開發(fā)人員提出的輻射源設(shè)計的原始解決方案，部分還應(yīng)用到了ASML的光刻機上。但最終卻還是以失敗告終。
RAS首席研究員、蘇聯(lián)國家獎獲得者、多層X射線光學(xué)系主任Salashchenko Nikolay甚至直言：一個國家是無法單獨推動這項工作的，而全世界都在幫助荷蘭（ASML）。
俄羅斯的美好愿望
很多人以為俄羅斯的光刻機制造計劃是由于美國的制裁臨時發(fā)起的，其實不然。上面提到俄羅斯在2010年時，甚至一度與ASML并跑。實際上，俄羅斯的光刻機相關(guān)研究早在上世紀(jì)80年代就開始了。當(dāng)時負責(zé)研發(fā)同步輻射加速器的是澤列諾格勒科學(xué)中心，后來被并入了大名鼎鼎的庫爾恰托夫研究所，蘇聯(lián)第一顆原子彈、第一顆氫彈、歐洲第一座原子反應(yīng)堆、世界第一座原子能發(fā)電站，皆出自它手。
而此次負責(zé)這項計劃的是MIET，是俄羅斯的一所國立研究型高等院校，1965年成立至今已過半百。而該校的特色學(xué)科就是微電子學(xué)、信息技術(shù)和計算機工程。學(xué)院共有學(xué)生6500多人，其中研究生250多人、副博士（按照歐美及中國學(xué)制為Phd學(xué)位）270人、博士5人。
在經(jīng)歷了一輪的失敗后，俄羅斯這次計劃選擇不同于ASML的極紫光技術(shù)的路線，而是基于X射線的無掩膜式光刻。
首先從光源的選擇來看，一種是極紫外光線，波長在13.5nm，另一種為X射線，波長介于0.01nm至10nm之間。光刻機的架構(gòu)及技術(shù)很復(fù)雜，但決定光刻機分辨率的主要因素只有三點，包括常數(shù)K、光源波長和物鏡的數(shù)值孔徑。波長越短，分辨率就越高。因此，在光源選擇上來看，理論上X射線比EUV極紫外光線更短，分辨率也就更高。
其次從生產(chǎn)的成本和方式來看，EUV光刻機是特定波長的光透過用來放大的掩膜，再通過透鏡的縮小，將集成電路精確的“投影”在硅片上。而X射線雖然波長更短但穿透性也更強，用普通透鏡無法進行放大和縮小，因此也就無法實現(xiàn)投影光刻，而是采用直寫光刻的方式。這樣一來，光刻機也就不需要光掩膜板，可以節(jié)省一大筆成本。
正是因為X射線光刻機的這兩點優(yōu)勢，當(dāng)?shù)孛襟w甚至宣傳這將是全球都沒有的光刻機，ASML也做不到。當(dāng)然事實也的確如此，根據(jù)媒體信息披露，X射線光刻機雖然并不是新技術(shù)，包括美國、歐洲、中國等都對此進行過研究，但全球確實至今沒有能達到規(guī)模量產(chǎn)的x射線光刻機。
另外，X射線光刻機的工作效率也是一大挑戰(zhàn)。對于直接通過強激光束將所需電路一點一點雕刻在硅片上的方式，這個效率想要實現(xiàn)納米級集成電路確實不敢恭維。
根據(jù)計劃，俄羅斯針對X射線工藝及效率的提升，計劃將完成對主要技術(shù)解決方案的驗證，包括基于動態(tài)掩膜模型的制造和兩項控制實驗研究。最早將于今年11月開發(fā)動態(tài)掩膜的技術(shù)和模型，以及原型光刻機的技術(shù)規(guī)范和可行性研究，工藝要達到28nm及以上。
給國內(nèi)半導(dǎo)體發(fā)展的啟示
長久以來，國內(nèi)半導(dǎo)體的發(fā)展現(xiàn)狀一直“以買代造”，然而一輪大棒揮下發(fā)現(xiàn)，錢財買得來產(chǎn)品卻買不來核心技術(shù)；市場換得來投資卻換不來行業(yè)創(chuàng)新。更難的是，隨著美國禁令加劇，現(xiàn)在產(chǎn)品和投資進入國內(nèi)企業(yè)的可能也不容樂觀。
從技術(shù)來看，盡管國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已經(jīng)有了前所未有的使命感，并在一些關(guān)鍵技術(shù)上取得了突飛猛進的發(fā)展，但短期內(nèi)想要突破EUV光刻機無疑還是不可能的任務(wù)。也難怪一名歐洲高級專家曾直言，“就是給你們?nèi)讏D紙，你們也做不出來”，當(dāng)然我們后來打了他的臉，但面向更高級別的EUV光刻機，雖然不質(zhì)疑國內(nèi)企業(yè)的能力，但實際困難畢竟擺在那里，不能視而不見。
當(dāng)然，跟隨只能永遠落于人后，無論從通信歷史來看，還是國內(nèi)已經(jīng)領(lǐng)先的領(lǐng)域來看，想要后發(fā)先至，就必須在追逐中實現(xiàn)“彎道超車”，這樣才能避免步步跟不上對手。在“是否能繞過EUV光刻機”的探討中，國內(nèi)也在不斷嘗試。
比如去年華為披露的“雙芯疊加”專利。華為輪值董事長郭平曾公開表示：“解決芯片問題是一個復(fù)雜的漫長過程，需要有耐心，未來我們的芯片方案可能采用多核結(jié)構(gòu)，以提升芯片性能?！薄半p芯疊加”實際上就是通過修改設(shè)計邏輯和先進封裝工藝，將雙層的技術(shù)做到低端制程、高端性能。雖然這一消息曾在去年被網(wǎng)友百般嘲諷，但隨著今年的小芯片概念普及，特別是蘋果將兩個M1 max芯片合成M1 Ultra之后，讓更多人開始關(guān)注到摩爾定律失效后的探索。
除此之外，發(fā)展半導(dǎo)體作為一項國家戰(zhàn)略，政府與企業(yè)之間也應(yīng)該長期而富有戰(zhàn)略性的引導(dǎo)和投入，一方面政府與企業(yè)共同承擔(dān)風(fēng)險，做企業(yè)背后的支柱；另一方面，通過技術(shù)聯(lián)盟，集合國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)上的優(yōu)勢力量，也是半導(dǎo)體突圍戰(zhàn)的必要舉措。
最后，技術(shù)創(chuàng)新需要以人才為動力。任正非曾說過，“做芯片光砸錢不行，還要砸人。目前這種形勢，我們確實會受到影響，但也能刺激中國踏踏實實發(fā)展電子工業(yè)。過去的方針是砸錢，芯片光砸錢不行，要砸數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家等?！?/p>
參考資料：
1.《投資6.7億盧布，俄羅斯宣布研發(fā)X射線光刻機！比ASML的EUV光刻機還要先進？》，芯智訊
2.《給我們?nèi)讏D紙，中國人都造不出高端光刻機？！》，財經(jīng)國家周刊
3.《光刻機大敗局》，遠川科技評論
4.《大國博弈光刻機，中國如何破局？》，正和島
5.《美國斷供芯片，俄羅斯決定從頭開造光刻機》，量子位
6.《國產(chǎn)光刻機的發(fā)展史回顧》，半導(dǎo)體行業(yè)觀察
7.《ASML的光刻機霸主之路》，半導(dǎo)體行業(yè)觀察
