文章作者：國務院發展研究中心國際技術經濟研究所、西安市中科硬科技創新研究院
摘要：光刻機是芯片制造的關鍵工藝，而光刻機的生產技術由荷蘭ASML 、日本的尼康和佳能公司壟斷。在“缺芯”之勢蔓延、美國推動半導體產業鏈回流的背景下，國產光刻機的真實水平是什么樣的？我國又應如何發力實現光刻機和半導體產業的突破？本文給出了答案。本文摘自《硬科技：大國競爭的前沿》一書，該書由中國人民大學出版社于2021年10月出版。
01
光刻機的全球產業鏈格局
光刻技術是使微電子和納米電子器件在過去半個世紀中不斷微縮的基礎技術之一，光刻制造是晶圓制造最關鍵、最復雜和時間占比最高的環節。
目前，全球光刻機已由荷蘭ASML、日本尼康和佳能公司完全壟斷。據芯思想研究院（ChipInsights）數據，2020年上述三家公司半導體用光刻機出貨413臺，較2019年的359臺增加54臺，漲幅為15%。其中，ASML公司出貨258臺，占比62.47%；尼康公司出貨31臺，占比7.51%；佳能公司出貨122臺，占比29.54%。
據估算，光刻機約占晶圓制造設備投資額的23%，再加上光刻工藝步驟中的光刻膠、光刻氣體、光罩（光掩膜版）、涂膠顯影設備等諸多配套設施和材料投資，整個光刻工藝占芯片成本的30%左右。
區別于晶圓制造其他工藝，光刻機組件及配套設施復雜，形成了自身的產業鏈。光刻機的制造研發并不是某一個企業能夠單獨完成的，光刻作為晶圓制造過程中最復雜、最重要的步驟，主要體現在光刻產業鏈高端復雜，需要很多頂尖的企業相互配合才可以完成。光刻產業鏈主要體現為兩點：一是作為光刻核心設備的光刻機組件復雜，包括光源、鏡頭、激光器、工作臺等在內的組件技術往往只被全球少數幾家公司掌握；二是與光刻機配套的光刻膠、光刻氣體、光罩（光掩膜版）等半導體材料和涂膠顯影設備同樣擁有較高的科技含量。
伴隨著工藝與設備的雙重突破，光刻設備成為推動摩爾定律的核心設備。光刻機已經歷經五代發展。隨著制程精度提升，光刻機復雜程度提高，ASML（阿斯麥爾）公司貫通光刻產業鏈，完全壟斷了10納米以下的工藝。
以ASML的EUV（極紫外）光刻機為例，7納米制程的EUV光刻機內部共有10萬個零件，90%的關鍵設備來自外國而非荷蘭本國。ASML作為整機公司，實質上只負責光刻機設計與各模塊集成，需要全而精的上游產業鏈作為堅實的支撐。縱觀ASML的5 000多個供應商，其中與產品相關的供應商提供直接用于生產光刻系統的材料、設備、零部件和工具，此類別包括790家供應商，采購和運營支出占ASML總開支的66%。
在10納米節點以下，ASML穩穩占據100%的市場，佳能和尼康等同業競爭對手已無力追趕。如果芯片制造商想要生產10納米節點以下的芯片，必須得有ASML供應的EUV光刻機及相應的支持服務。
歐洲微電子研究中心（IMEC）宣布了3納米及以下光刻工藝的技術細節，并表明ASML公司已經明確了3納米、2納米、1.5納米、1納米甚至1納米以下的芯片制程技術路線圖。而日本、美國等國的許多半導體公司出于成本考慮，已經停止了光刻工藝小型化的研究。IMEC和ASML的合作或將進一步推動超精細芯片制程的研發，延續“摩爾定律”。
02
美日推動半導體產業鏈回流，應對缺芯困境
2020年，受新冠肺炎疫情影響，美國國防部認識到國防產業供應鏈的脆弱，開始制定一項“微電子回流戰略”，旨在通過公私合作等方式，將微電子制造、組裝和測試產業從亞洲轉移至美國，以解除對微電子產品供應鏈安全的擔憂。
2020年5月，美國白宮與英特爾、臺積電進行談判，成功說服這兩家公司在美國本土新建芯片制造廠。
2021年2月，美國“拜D”總統簽署一項行政命令，要求美國政府對半導體芯片、電動汽車大容量電池、稀土礦產和藥品四種關鍵產品的供應鏈進行為期100天的審查。
2021年4月，美國“拜D”政府公布了一項2萬億美元的基礎設施投資計劃，涉及芯片供應鏈的投資規模達到500億美元。
2021年4月，美國白宮召開線上峰會以商討如何應對芯片短缺的困境，與會者包括三星、英特爾、臺積電和谷歌等公司。“拜D”總統稱，加強美國半導體產業和供應鏈韌性是美國兩黨的共識，已有23名參議員和42名眾議員來信支持美國的《為芯片生產創造有益的激勵措施法案》（CHIPS），以應對中國等其他國家的快速發展，消除美國在研發和制造方面的局限性。
芯片短缺的現狀雖與美國供應鏈對亞洲的依賴并不直接相關，卻掀起了一輪有關芯片制造回流美國的廣泛討論，并贏得美國國會內部對于深度投資美國本土半導體制造環節的有力支持。
2020年4月，日本政府召開經濟增長戰略會議，針對全球半導體供應不足問題，討論國內投資支持措施，以確保國內穩定供應。日本擁有全球最多的半導體工廠，但生產的一大半都是用途廣泛的產品，沒有附加價值高的尖端半導體制造能力。政府對逾六成國內半導體需求依賴進口的現狀表示擔憂。日本官房長官加藤勝信表示，“將促進研發和投資，力圖構筑切實的供應體制”。4月，美日兩國首腦召開會議，確認建立分散型供應鏈的重要性，討論了構建生產基地不偏重于地緣政治風險高的中國臺灣和與美國對立加深的中國大陸等特定地區的體制。
03
首臺國產28納米工藝浸沒式光刻機有望交付
國際半導體產業協會（SEMI）公布的數據顯示，2020年全球半導體生產設備的銷售達到了712億美元，較2019年的598億美元增加114億美元，同比增長19%。中國大陸市場的設備銷售額比上年增長39％，達到187.2億美元。由5G的普及和新冠肺炎疫情導致的居家辦公需求，半導體代工企業的投資旺盛。
我國在光刻機方面的技術積累和人才儲備相對不足，雖無法制造高端光刻機，但可以制造一些低、中端的光刻機。
2008年起，我國開始重視光刻機的研發。為推動我國集成電路制造產業的發展，國家決定實施科技重大專項“極大規模集成電路制造裝備及成套工藝”項目（又稱“02專項”）。在該項目下，我國研究團隊一路攻堅克難，國產首套90納米高端光刻機已經研制成功。
2019年4月，武漢光電國家研究中心甘棕松團隊通過2束激光，在自研的光刻膠上，突破光束衍射極限的限制，并使用遠場光學的辦法，光刻出最小9納米線寬的線段。該成果一舉實現光刻機材料、軟件和零部件的三大國產化。
2020年6月，上海微電子設備有限公司透露將在2021—2022年交付首臺國產28納米工藝浸沒式光刻機。這意味著國產光刻機工藝從以前的90納米一舉突破到28納米。
雖然國產28納米光刻機與已面世的5納米頂尖制程存在較大差距，但常見的射頻芯片、藍牙芯片、功放芯片、路由器上的芯片、各種電器的驅動芯片等非核心邏輯芯片，仍采用28~90納米工藝。
在光刻工藝進入28納米以下制程之后的較長一段時間里，16納米和14納米制程的成本一度高于28納米，與摩爾定律的運行規律相反，這也使得28納米制程工藝極具性價比。在實際應用中，28納米光刻機不僅能用來生產28納米芯片，更有望通過多重曝光的方式生產14納米、10納米、7納米芯片。盡管我國自主光刻機與外國先進水平仍有不小代差，但未來可期。
04
避免閉門造車式創新：全面發力實現國產光刻機和半導體的突破
當前，全球半導體產業正在發生以5G、物聯網為標志的第三次大轉移，為我國半導體產業崛起提供了機遇。產業轉移疊加安全需求，半導體國產化趨勢明確。
我國電子行業仍大規模依賴美國技術，尤其是中上游對外依賴度高，半導體材料與設備國產化率平均不足20%。尤其是芯片、射頻器件和FPGA（現場可編程門陣列）等核心元器件，仍面臨著美國的大規模壟斷。隨著摩爾定律逐漸無以為繼，通過快速技術升級提升半導體供應能力的路線難以走通，全球對半導體的需求卻隨著人工智能、5G等新一代技術加速部署，以及數據中心的擴張而快速增長，半導體行業供需關系出現倒掛，未來半導體產業的地位越發關鍵，對半導體的投資也將迎來黃金時刻。此外，技術更迭的速度逐步加快，在對半導體加大投資的過程中，須對產業前景做好預判，防止出現半導體行業成果出現后賽道被拋棄的局面。
發揮體制優勢，建立協同的投資和發展模式。我國擁有“集中力量辦大事”的體制優勢，在市場經濟條件下，也應發揮社會資本的重要作用，堅持國家資本和社會資本雙管齊下投資產業發展。
相對于國家資本而言，社會資本對行業具有天然的親和性，更貼近行業現狀，對動向的洞悉更敏銳，也更容易實現技術突破。利用國家大基金等資本的帶動作用，引導社會資本深入半導體產業，布局先進技術，更能推動產業整體進步。對于光刻機等技術要求高、研發投入大的領域，可以由國家推動，仿照荷蘭ASML公司構建產業同盟。即以最先進的半導體技術為目標，以實用為導向，拉攏最優質、對技術應用最了解的客戶，與世界領先的供應商合作，通過利益共同體的模式帶動產業發展。這就要求我國在專注核心技術的前提下堅持全球范圍內的開放合作，通過對整個產業鏈的開放合作降低技術研發和應用成本，促進技術快速迭代升級。
堅持人才托舉。我國半導體人才培養應堅持以人為本，參照世界半導體行業發達地區的人才從業模式，創造最適合、最能吸引人才的工作和生活環境，對中國籍、華裔和外國人才一視同仁，向歐洲、日本等國家和地區的人才敞開國門，鼓勵國內外人才以各種形式投身我國半導體行業建設，發揮人才的溢出效應。對人才引進不能只是刻板地引入，更要嘗試“外放”式人才引進，只要人才為我所用，可通過海外研究基地等模式挖掘人才，并將國內人才送至海外基地培養，堅持引進與培養“兩條腿走路”。
避免閉門造車式創新。日本尼康公司在與荷蘭ASML公司的競爭中失敗的一個重要原因，是尼康堅持自產自研的發展模式；不論是光刻機中的零件，還是關鍵技術，尼康都希望通過自主研發獲得完全掌控。ASML則背靠荷蘭飛利浦，以歐洲精密機床和儀器為基礎，以美國先進技術為核心，與臺積電等制造公司緊密合作，堅持互利共贏、開放合作的發展模式。在半導體這個對技術要求苛刻、資金需求巨大的行業內，閉門造車式創新不僅成本過重，而且后繼乏力，更難以形成正向的產業循環，我國應引以為戒。
