工欲善其事 必先利其器

魏志強

“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。

在工業生產中，煤和石油的重要性盡人皆知，前者被譽為“工業的糧食”，后者被稱作“工業的血液”。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。在現代工業中，芯片不僅成為“現代工業的糧食”，而且還充當著電子消費品、電子設備的“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、衛星，都離不開芯片。就產業規模而言，目前全球芯片市場規模已達到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

從產業鏈來看，芯片生產主要分為設計、制造、封測三大環節。 制造工藝包括光刻、刻蝕、離子注入、薄膜沉積、化學機械研磨等。

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

“制造一塊集成電路芯片，其精細程度相當于一根頭發絲的1‰，好比在頭發上面‘繡花一樣?！鄙虾Ｎ㈦娮友b備（集團）股份有限公司（以下簡稱“上微”）總經理賀榮明說，“要把一塊體積小巧、功能強大的集成電路芯片制造出來，除了卓越的電路設計外，更離不開將設計圖形轉換成高性能芯片的制造設備，而其中最為關鍵的設備就是光刻機?！?/p>

光刻機就像一臺精密復雜的特殊照相機，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、機械、控制、材料等先進科技和工程技術于一體，是集成電路裝備中研發投入最大、技術難度最高的關鍵設備，因此，被稱為人類技術發展的制高點并被譽為集成電路產業“皇冠上的明珠”。正是因為研制光刻機的技術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， 當價格不變時，集成電路上可容納元器件的數目，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年的發展能夠基本滿足摩爾定律， 關鍵就在于光刻機能不斷實現更小的分辨率水平。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、λ是光刻機所用光源的波長、NA代表物鏡數值孔徑。光刻機制程工藝水平的發展正是遵循這個公式。

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

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

1986年，阿斯麥首先推出步進式掃描投影光刻機;2001年，阿斯麥又推出雙工件臺系統（TWINSCAN SYSTEM）。這些創新將芯片的制程和生產效率提升了一個臺階。

然而，芯片制造到了 45納米制程節點時，第四代光刻機遇到了分辨率不足的問題。當時業內對下一代光刻機的發展提出了兩種路線圖：一是開發波長更低的 157納米F2準分子激光作為光源;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，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想后， 阿斯麥很快就與臺積電展開合作，共同開發浸沒式光刻機，并于2007年推出浸沒式光刻機TWINSCAN XT：1900i，實現了 45納米的制程工藝，占據了市場的制高點。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衰、阿斯麥一家獨大的轉折點。

通過以上創新，第四代光刻機最高可以實現 22納米制程的芯片生產，但在摩爾定律的推動下，芯片制程的需求已經發展到 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90年代就被提出， 阿斯麥從 1999 年開始研發極紫外光刻機。本來原計劃在 2004 年推出產品，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，并使芯片產業邁進了新時代。

阿斯麥之路

阿斯麥于1984年由飛利浦和先進半導體材料國際（ASMI）合資成立。阿斯麥是世界領先的芯片制造設備制造商，專業從事光刻系統開發，其產品組合由三個主要業務線組成——深紫外（DUV）系統、極紫外（EUV）系統和應用。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。

阿斯麥是一家跨國公司，總部現位于荷蘭費爾德霍芬（Veldhoven），在全球16個國家的60個城市設有辦事處，員工總數超過2.2萬人。公司在阿姆斯特丹泛歐證券交易所和納斯達克證券交易所上市。

阿斯麥創立伊始，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品：PAS 2000步進器。1985年，阿斯麥遷往附近的費爾德霍芬，當時公司僅有100多名員工。1986年，阿斯麥又推出PAS 2500步進器，同年與鏡片制造商德國卡爾蔡司（Carl Zeiss）建立了密切的合作伙伴關系。20世紀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PAS 5500，大大縮短了用戶的生產時間。1995年，阿斯麥收購了飛利浦出售的股份后，分別在阿姆斯特丹和納斯達克證券交易所上市。上市給阿斯麥帶來了比較充裕的發展資金，于是阿斯麥擴大了費爾德霍芬的生產設施。2000年，阿斯麥收購了美國硅谷集團，并將康涅狄格州的威爾頓作為研發和制造基地。

2001年，阿斯麥推出TWINSCAN系統，最大限度地提高了系統的生產率和準確性。2007年研制的浸沒式系統（TWINSCAN XT：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更小的、性能更高的芯片;同年，阿斯麥收購了領先的半導體設計和制造優化解決方案提供商BRION。這是阿斯麥“整體光刻”戰略的開始。

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

2013年，阿斯麥發布了第二代EUV系統（NXE：3300），2015年又推出了第三代EUV系統（NXE：3350）。2016年，當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。由于訂單量遠超產能，所以，用戶購買阿斯麥的極紫外光刻機必須提前預定，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勝了“光刻雙雄”尼康和佳能，但它達到獨步天下的程度，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體產業復蘇之外，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，阿斯麥收購了飛利浦持有的股份（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投入都和上市獲得的資金有關，阿斯麥也因此步入了發展的快車道。

其次是阿斯麥全球布局、廣納人才，建立強大的研發團隊。阿斯麥在荷蘭、美國、韓國、中國大陸、中國臺灣設有研發與生產中心，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、化學和材料工程等領域的工程師，研發實力十分強大。

還有就是阿斯麥極其重視持續的研發投入。作為全球光刻機霸主，近10年來阿斯麥每年的研發投入都保持在營業收入的15%左右，遠超其競爭對手尼康、佳能5%?6%的研發投入。大量持續的研發投入，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盈利的能力，保證了阿斯麥投資和經營的安全性和自由度。

阿斯麥最為重要的成功經驗，是它創建了一種開放式創新模式。阿斯麥這樣描述他們的開放式創新：“在供應商、合作伙伴和客戶的生態系統中，我們共同合作的方式就是我們所說的‘開放式創新?！边@是阿斯麥在早年就已經形成的一種信念：“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新，各自發揮自己的優勢，同時分擔風險、分享回報。開放式創新擴展了所有合作伙伴的知識和技能，將技術提升到比任何一個合作伙伴單獨完成的任務更快的水平。”這是建立在相互信任和自我管理基礎上的合作，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、成千上萬個零部件構成，任何一個光刻機制造企業都不可能全部自己生產，其中大部分零部件要由全球供應商制造，這就需要管理好全球供應鏈。但是，對于光刻機的關鍵技術、核心零部件，阿斯麥還是要靠自己研發，或者建立以自己為核心的包括產業鏈上下游企業、科研機構、大學的研發聯合體進行研發，從而打造全產業鏈競爭力。

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

回顧和梳理阿斯麥的成功經驗，給后來者以極大的啟發。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，其開放式創新模式更是經濟全球化時代一個企業成功之關鍵。

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位創業者走上了光刻機自主研發之路。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，擔任公司戰略發展部部長，并沒有和光刻機打過交道，所以，接受研發光刻機的任務，對于他而言是一個非常大的挑戰。“如今回想起來還是有些后怕。雖然當時對光刻機的技術難度有所預估，但確實沒料到會這么難。”賀榮明說。

上微一創立就面臨著重重困難。一是人才嚴重匱乏。據賀榮明介紹，“當時國內‘懂光刻機的人才只有幾十人。”二是缺乏技術積累。三是沒有配套的供應鏈。當時，國內與光刻機相關的配套行業幾乎是一片空白。

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

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

上微在系統設計和集成方面的不斷探索，最后走出了一條通向集成創新的成功之路。說起上微的集成創新，賀榮明頗有心得地說：“集成創新，就是由我設計，然后利用全球技術為我所用，最后還由我調控。在技術基礎薄弱和國外封鎖的情況下，用好的管理和組織方式，照樣可以掌握復雜的技術系統?！?/p>

鏖戰多年后，他們的努力終于得到了回報。2008年，上微制造出第一臺國產100納米光刻機，實現了零的突破。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域又邁出了關鍵的一步。

10年后——2018年3月，上微承擔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90納米光刻機的問世，標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設計和系統集成技術的公司。

90納米光刻機剛剛通過驗收，上微就又有了新的任務：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。上微生產的90納米光刻機雖已進入產線試用，但還沒有積累工藝適應性經驗，面對研制28納米光刻機的任務，他們怎樣做起呢？

從完成任務的時間來看，上微要在兩年多的時間內，跳過65納米、45納米等工藝節點，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？完成任務的時間確實緊了點，但從光刻機的發展速度看，阿斯麥現在已將光刻機發展到了新一代極紫外光刻機，如果我們不提速追趕，國內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”的現狀。

上微有完成任務的責任和使命，也有一定的完成任務的優勢。經過16年的發展，上微通過自主創新，在光刻機核心技術方面取得了一系列重大突破。截至2018年5月，上微申請專利總數多達2498項（授權1371項），其中申請中國發明專利1845項（授權1050項），申請國外發明專利407項（授權140項）。上微知識產權保護工作做得卓有成效，被評為國家級知識產權示范企業。

上微現已形成了一支超過1000人的員工隊伍。“這是一支年齡結構合理、學科門類齊全、專業技能扎實的光刻機設計、集成的優秀工程技術人才隊伍以及與復雜系統研制和產品化、產業化相適應的經營管理團隊?！鄙衔⒁晃还芾碚哒f。

憑借著這些優勢，上微有望再攀新高。

然而，當今世界制造業的競爭尤其是集成電路產業的競爭，已經不是一個企業的單打獨斗，而是全產業鏈的競爭。上微是一個在光刻機系統設計和系統集成方面有優勢的公司，28納米浸沒式光刻機能不能按時生產出來，還要取決于我國光刻機產業鏈能不能提供制造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、浸液系統是我國研制28納米浸沒式光刻機的四大核心部件，國內一直有研究機構在研發。有了符合28納米要求的前三個組件，再加上浸液系統，就能夠做出28納米浸沒式光刻機。據清華大學朱煜教授介紹，清華大學研制的雙工件臺（浸沒式）， 2017年已立項，第一臺2019年交付使用。中科院長春光學精密機械和物理研究所、應用光學國家重點實驗室研發的物鏡系統、中科院上海光學精密機械研究所研發的照明系統、浙江大學研發的28納米光刻機浸液系統，也都在加快研發的進程。

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