國產半導體路在何方，瓦森納與光刻機你了解多少

[PConline?雜談]?光刻機（Mask?Aligner）是製造微機電、光電、二極體大規模集成電路的重要設備。一台光刻機主要包括了曝光系統和對準系統兩個部分。光刻機能夠利用曝光系統發射出的紫外線通過模版去除晶圓表面的保護膜，將器件或電路結構臨時「複製」到矽片上。根據工作方式，光刻機又可分為兩種。第一種是模板與圖樣大小一致，曝光時模板緊貼晶圓的Contact?Aligner。第二種則是利用類似投影機原理，能夠獲得比模板更小的曝光圖樣的Stepper。

讓我們先將時光倒回到2018年的12月，不知道大家還記不記得有過這樣一條新聞：荷蘭光刻機製造公司ASML對外宣稱，其主要的元器件供應商Prodrive工廠於12月1日突生大火。ASML預計2019年年初的的供貨將遭到延期。

當時，ASML全年的光刻機產量在18台左右，而國內著名集成電路製造企業中芯國際曾在2017年成功預定ASML公司1台製程為7nm的EUV光刻機訂單。這場意外的火災加上目前重重的外交因素，導致這台光刻機直至今日都未交付給中芯國際。儘管中芯國際已經掌握了7nm工藝的應用，但是卻因為遲遲未到貨的光刻機而無法投產，這給中國的半導體領域，特別是晶元製造產業帶來了巨大的挑戰。

難道中國不能製造光刻機？我可以先明確地告訴你可以，但是許多複雜的大國博弈、行業歷史以及技術差距還需要在後文中為大家詳細地進行介紹。

始於冷戰，卻未隨之而終

在第二次世界大戰結束後，圍繞著美蘇兩大巨頭形成了兩大陣營，並進入了眾所周知的冷戰時期。當時，美國及其西歐盟友為了防止以蘇聯為首的紅色陣營發展高端武器，包括美國、英國、日本、法國、澳大利亞在內的十七個國家於1949年11月在巴黎成立巴黎統籌委員會（簡稱巴統）。限制成員國向社會主義國家出口，包括軍事武器裝備、尖端技術產品和稀有物資等三大類上萬種產品。

後來隨著中美建交，冷戰的結束，歐美等國家看中了中國龐大的勞動力優勢以及低廉的勞工成本，便稍微放鬆了對中國的軍民用產品禁運，並於1994年4月1日正式將這個冷戰時期的協會解散。

但好景不長，1995年，包括「巴統」17國在內的28個國家在荷蘭瓦森納召開了高層峰會。1996年7月，以西方國家為主的33個國家在奧地利維也納便正式簽署了以瓦森納會議為基礎的《瓦森納協定》。自此，一份對中國未來科技研究及發展走向影響深遠的多國協定，正式開始實行。

《瓦森納協定》，又被稱為「瓦森納安排機制」，全名為《關於常規武器和兩用物品及技術出口控制的瓦森納安排》。這是世界主要的工業設備和武器製造國在巴黎統籌委員會解散後於1996年成立的一個旨在控制常規武器和高新技術貿易的國際性組織。協定中包含了兩份清單。一份是軍民兩用商品和技術清單，涵蓋了先進材料、材料處理、電子器件、計算機、電信與信息安全、感測與激光、導航與航空電子儀器、船舶與海事設備、推進系統等9大類。另一份是軍品清單，涵蓋了各類武器彈藥、設備及作戰平台等共22類。

而對於中國的半導體發展，因為《瓦森納協定》的存在，從晶元設計到製造等多個領域，都無法獲取海外的先進技術。就拿今天的主題——光刻機來說，即使中芯國際能夠通過與比利時微電子研究中心（IMEC）進行合作，買到二手的光刻機設備，但中國企業必須等待IMEC使用五年後才能拿到手，因為這樣才符合《瓦森納協定》中的要求。舉個例子，英特爾、三星、台積電2015年能買到ASML?10NM的光刻機。而大陸的中芯國際，2015年只能買到ASML在2010年生產的32NM的光刻機——五年時間對於半導體產業來說，已經可以得到數次迭代了。

除了不能買到最新的生產設備之外，因為《瓦爾納協定》中的條款限制，華裔工程師還不能進入到歐美等知名半導體公司的核心部門，防止技術泄露。中國的半導體產業，因而受到了從生產設備到人才積累的全方位壓制。直至今天，即使中國企業能夠掌握先進的工藝製程，也因無法得到先進的設備而不能進行晶元的實際生產。

稱霸世界半導體製造行業的巨頭，ASML

目前擁有光刻機製造能力的企業主要有荷蘭ASML，日本尼康、佳能，德國SUSS、美國ABM,?Inc.以及中國的上海微電子裝備。在這之中，尼康早年憑藉相機方面的技術積累，獲取了來自IBM、英特爾、AMD、德州儀器的大量訂單，與當時來自美國的行業龍頭GCA平起平坐，象徵了日本半導體產業的騰飛。然而，風水輪流轉，由於國與國之間的商業及技術博弈，最終卻讓ASML這個曾經名不見經傳的角色坐到了光刻機製造領域的王座上。

在幾十年前，ASML還只是飛利浦電子旗下的一個合資小公司，全公司從老闆到普通職員也只有31位成員。ASML在當時也沒有正式的辦公地點，公司上上下下全數擠在飛利浦總部旁邊臨時搭建的板房之中辦公。ASML的名號甚至沒有幾個人知曉，外出進行銷售談判還得行飛利浦母公司的名義。

但就是這麼一家公司，成立僅二十年不到，就實現了技術的飛躍，掌控了各大晶圓代工廠的能否開工的生殺大權。ASML甚至揚言道「如果我們交不出EUV光刻機，那麼摩爾定律就將會停擺」。

ASML的發展歷史中充滿了機遇和挑戰。2003年，其聯合台積電工程師林本堅研發「沉浸式光刻」方案，依靠水會影響光的折射率這一特點，在2004年推出了132nm光源波長的光刻機產品，奪得了IBM、台積電等大客戶的訂單。ASML也正是憑藉132nm光刻機將當時仍在堅守乾式微影157nm技術的尼康，打得氣喘吁吁。ASML也靠著這漂亮的一仗，贏得了當時美國新生，主導極紫外技術的EUV?LLC聯盟的入場券，從而在之後的歲月中獲得了美方的大量軟、硬體技術資源共享。ASML更是在2013年以25億美元高價，併購了一家名為Cymer的美國公司，因為其擁有生產EUV光刻技術所需大功率光源的能力。

縱觀ASML的發展之路，甚至可以稱得上是幸運。雖然ASML在2004年的成功獲得了業界的關注，但尼康仍然是一個非常強大的對手。有著「藍色巨人」之稱的英特爾，在32nm工藝階段時就獨家採用了來自尼康的光刻機產品，即使是之前的45nm和之後的22nm，也採用ASML和尼康同時供貨的模式。但由於尼康在遭遇美國封鎖後，生產技術逐步落後，製造效率也越來越明顯地落後於ASML。最終，英特爾在新CEO上任後，還是將尼康提出了局。尼康從此一蹶不振，不得不退出IC光刻市場，其生產的光刻機在之後也主要應用於三星、LG、京東方等企業的顯示面板生產領域。

當然，ASML在加入EUV?LLC聯盟之後也沒閑著。在2015年，ASML推出了第一台可量產的EUV樣機。這台重達180噸、價值高達1.2億美元的巨無霸融合了歐美供應鏈廠商的零部件，也正式確立了ASML在光刻領域的壟斷地位。

光刻機我們也能造，但是…

我在上文提到了幾家公司，其中之一的上海微電子裝備，即SMEE，便是一家來自中國的光刻機製造企業。

SMEE成立於2002年，主要從事半導體裝備、泛半導體裝備以及高端智能裝備的設計製造銷售，其中光刻設備是公司的主營業務。目前公司光刻機可以應用於集成電路產業鏈中晶圓製造、封裝測試，以及平板顯示、高亮度?LED?等領域。

你沒看錯，SMEE生產的光刻機是能夠用於晶圓製造的，也就是我們通常說的晶元生產。然而SMEE生產的IC前道光刻機與世界目前的先進水平相比還存在差距。上海微電子可量產的光刻機中性能最好的最高可實現?90nm?製程節點，而來自ASML?的?EUV?3400B?製程節點則能夠達到?5nm。究其原因，主要是光刻機生產中的許多先進的精密零部件我們是無法通過歐美日等發達國家拿到的，而我們自主生產的紫外光源、光學鏡片、工作台等配套設施卻不盡如人意，其中紫外光源目前實現了45nm小批量生產，工作台精度達到了28nm，但要追趕世界主流水平依然有很長的一段路要走。

我相信大家還記得，在今年年初，許多媒體以及硬體愛好者在網路上為大家展示了一款來自兆芯的KX-U6780A處理器，並對性能等方面進行了相關測試。這款處理器基於兆芯自主研發的陸家嘴X86架構，兼容Windows操作系統，具有8核心8線程，頻率為2.7GHz，單精度浮點性能達到172GFLOPS，在辦公方面的體驗甚至強於曾經主流級別的酷睿i5-7400處理器，實現了我國在民用處理器市場的巨大突破。然而這款處理器在生產時使用的卻是來自台積電的16nm工藝，也就是說，如果台積電在美國的壓力下斷供兆芯，即使我們有著高水平的晶元設計能力，也無法將這些產品落地進行量產。

儘管形勢嚴峻，但好消息也不是沒有。就在本月的月初，上海微電子裝備(集團)有限公司正式對外披露，其將在2021-2022年交付第一台28nm工藝的國產沉浸式光刻機。雖然28nm相比國際上主流的7nm以及更先進的5nm還有幾代的差距，但是從90nm到28nm所實現的技術躍遷，意義已經是非常重大了。

半導體之路，還要繼續走下去

這麼多年來，儘管我們一直受到國外的技術封鎖，不也走過來了么？就拿離我們比較近的一個例子來說，2015年2月18日美國商務部發表公告稱，使用了兩款英特爾微處理器晶元的天河二號系統和早先的天河一號A系統，「被認為是用於核爆炸活動」。4月，奧巴馬政府即宣布，決定禁止英特爾向中國4家國家超級計算機機構出售「至強」(XEON)晶元。

但是在第二年，中國擁有完全自主知識產權，使用RISC架構國產處理器的神威太湖之光，便以更強的性能和更低的功耗登頂世界超算TOP500，實現了超算領域的再一次技術突破。

而在晶元製造以及光刻機領域，我們同樣有很長的一段路要走，也必須得堅持走下去。

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