光刻机我们自己国家能造出来吗?

发布单位:博仑特科技集团公司 发布人:管理员 发布时间:2022/8/20 10:08:39 关注度:12991

众所周知,由于多方面原因的影响,2021年全球迎来了“缺芯时代”,芯片的短缺程度已经达到了30年来最严重的时刻。

而我国由于受到以美国为首的西方国家的联合绞杀,缺芯的情况尤为严重。


中国手机界的领头羊华为,因芯片短缺甚至卖掉了荣耀品牌中心,在美国的针对下,我们似乎显得很被动,难道有着世界加工厂之称的中国,就没有能力自主生产芯片吗?

事实上,中国在芯片设计领域一直处于世界领先水平,就比如说华为的手机芯片,都是我们自行设计后交给台积电代工生产的,其性能有目共睹,并不比美国生产的要差。

那么,既然我国在设计芯片上没有问题,为什么还是被卡住了咽喉呢?其中的关键,就在于一种制造芯片必不可少的机器——光刻机。

其实芯片不过是一块具有精密线路图的硅片,而如何才能将复杂的电路图复刻到硅片上,这就要靠光刻机了。


说起来,光刻机的工作原理与照相机有些类似,在制作芯片时,首先要对硅片进行处理,一般是在上面涂上一层光刻胶,当光刻胶遇到透过模版照射的光线后,暴露在紫外线下的部分,就会发生特殊的变化。

之后再经过填充金属物,去除光刻胶,进行绝缘处理等步骤,一块芯片就制作完成了。

当然,至于这块芯片是否能够达到标准,还要经过精密地检测,要知道,这其中任意一步处理过程,可都是纳米级的,所以光刻机绝对称得上人类高精尖仪器的天花板。

提起世界上最顶尖的光刻机制造商,非荷兰的ASML公司莫属。

这家公司成立于1984年,用了三十多年的时间,几乎垄断了全球高端光刻机市场。


ASML公司的发家史众人皆知,但恐怕很少有人知道,中国早在1977年就拥有了独立制造接触式光刻机的能力,比ASML公司成立的时间还要早上7年。

按说,中国在研制光刻机的时间上,可是比ASML公司有优势的多,可为什么后劲不足,经过数十年的发展,反而难以望其项背了呢?

第二次世界大战结束后,和平和发展成为了国际社会的主题,为了改变中国贫穷落后的局面,跟上世界科技发展的步伐,国家决定成立计算机科研小组,由著名数学家华罗庚担任组长,致力于电子计算机技术的研究和开发。

到了1956年,科研小组取得了巨大成就,我国首次独立制造了第一只晶体三极管,由此刻起,中国正式踏足半导体领域,开启了新的科技时代。


经过众多科学家的不断探索和尝试,中国在半导体领域取得了长足的进步,1965年,在第一只三极管横空出世的9年之后,中国的第一块集成电路在上海问世。

而要制造集成电路,光刻机是必不可少的设备,由此我们不难推断出,早在1965年前后,我国就已经拥有了制造光刻机的能力。

1977年,我国更是制造出了GK-3型半自动光刻机,这在当时绝对是站在了世界前列。

在此后的数年时间里,中国的半导体事业一路高歌猛进,光刻机制造技术也跟着水涨船高。

到了80年代,中国的半导体技术已经达到了世界先进水平,虽然比之美国还略有不足,但也不再是高山仰止。


如果按照这个势头发展下去,中国在光刻机制造方面,虽不敢说赶超美国,但想必差距也不会如此之大。

毕竟在改革开放之前,中国整个半导体产业链都能够自给自足,根本不需要进口。

但随着改革开放的实行,国际市场全面放开,大批外国企业纷纷涌入中国,这样一来,许多国际上先进的设备和技术,我们就可以用钱买到了。

当时绝大多数企业的当家人都算了这样一笔账,如果把投入到科研项目上的资金,拿出来用于购买外国的先进设备,似乎更为划算一些,毕竟当时的中国经济条件有限,与其投入大量资金搞研发,费时费力,生产出来的设备还没有人家先进,不如直接买现成的来用,这样能直接形成经济效益,岂不美哉?


结果很多企业也就没了搞开发的动力,即便有一些企业依然坚持自力更生,但没有足够的资金注入,妄想在光刻机领域更进一步,无异于痴人说梦。

于是从这时起,中国在光刻机领域就陷入了停摆的状态,在随后的30年时间里,几乎没有一点进步。

就当时的国际环境来看,这种“造不如买”的想法,也不能说是错的,毕竟快速发展经济才是中国的第一要务,而且当时美国最大的敌人还是苏联,中国则是美国拉拢的目标。

因此无论是在经济上,还是在技术上,美国非但没有限制我们,还给了我们许多支持。

只不过谁也没料到的是,美中两国的蜜月期会是如此短暂,只经过了十几年时间,美国就翻脸不认人了。


1996年《瓦尔纳协定》的出炉,彻底暴露了美国遏制发展中国家的真实嘴脸。

该协定中规定了两大类清单的禁运内容,包括先进材料、材料处理、电子器件、计算机、电信与信息安全、传感与激光、导航与航空电子仪器、船舶与海事设备、推进系统、各类武器弹药、设备及作战平台。

而中国,便在这禁运名单之内,直到此时,中国才如梦初醒,真切地体会到所谓的国际盟友根本就靠不住,一切只能依靠自己。

有了这个协定,中国再想像过去一样,随时向发达国家购买像光刻机这样的先进设备,就没那么容易了,换句话说,中国能不能买到光刻机,美国说了算。


自《瓦尔纳协定》签署至今,中国还没能购买到哪怕一台高端的光刻机,甚至其中的零件都买不到。

不过在整个90年代,世界上的光刻机技术也陷入了瓶颈,光刻光源卡在了193纳米,20多年毫无进展。

2000年,中国幡然醒悟,光刻机的研发再次受到了国家的重视。

随着越来越多的半导体科研人才从海外归来,2002年3月,国家在上海成立了上海微电子装备有限公司,致力于光刻机技术开发。

也是在这一年,台积电的林本坚博士终于攻破了光刻机193纳米技术难题,世界光刻机技术开始一路高歌,突飞猛进。


中国此时则刚刚开始193纳米光刻机的开发,已经远远落后于世界发达国家,经过了10多年的努力,中国在光刻机技术领域已有了长足的进步,但直到今天,在高端光刻机领域,仍然找不到中国的身影。

按说有着世界工厂之称的中国,制造业应该是比较发达的,可为什么制造高端光刻机却把我们给难住了呢?

如果关注一下我国制造业的讯息,不难发现,虽然在某些领域中,中国的制造水平能够进入世界第一梯队,甚至能够领先世界,但在很多方面,我们依然落后于发达国家良多。

尤其是高端材料制造业更是中国工业的短板,就拿高端光刻机中最核心、也是技术含量最高的零部件,光学镜片和光源来说,曾经的中国根本就没有能力制造。

更何况一台高端光刻机,拥有数万甚至十几万个精密零件组成,至今为止,世界上还没有哪个国家能够独立制造高端光刻机,即便是ASML公司也做不到。

ASML公司之所以能够迅速崛起,与西方发达国家的支持是密不可分的,该公司有一条十分睿智的规定,那就是想要获得该公司的优先供货权,就必须进行投资。

也就是说,世界上的发达国家或多或少都拥有ASML公司的股权,比如台积电,蔡司,三星,英特尔,海士力等,换句话说,整个西方世界都是该公司的后盾,据统计,该公司每年用于科研开发的资金就超过了4亿欧元。

即使强如ASML,其生产的高端光刻机也有90%以上的零件来自进口,比如最核心部分的EUV光源来自德国和美国,光学镜片来自蔡司公司,还有一些零件来自于日本,我国的台湾省等。


可以说ASML的成功是众多世界顶级企业一起努力的结果,所以它能够成为世界上唯一一个有能力制造7纳米EUV光刻机的公司,丝毫不会让人感到意外。

除了光学镜片和光源外,还有一种看起来不太起眼的材料,也严重制约了我国芯片制造业的发展,那就是光刻胶。

当然,光刻胶的技术含量远远比不上光学镜片和光源,但这并不代表着它不重要。

光刻胶性能越好,制造出的芯片质量越优,与其他高精尖零件不同的是,我国完全有能力制造高端光刻胶,即使不如日本,也相差不大。


可关键是,过去我国投资光刻胶生产的企业实在是太少了,国产的光刻胶根本无法满足中国市场的需求,因此我国的绝大部分光刻胶都要从日本进口,一旦日本限制出口量,对我国影响巨大。

由此可见,想要完全凭借本国一己之力,打造出一台高端光刻机有多困难,哪怕就是在去年,也有很多专家公开表示,中国想要独立制造高端光刻机的希望不大。

不过我国素来善于创造奇迹,尤其是在面对来自外界的压迫时,更能够爆发出让世界意想不到的力量,由于近几年美国对中国的制裁不断升级,中国不得不加大在芯片制造领域的投资力度。

随着时间的推移,中国在光刻机的关键技术领域都取得了喜人的成绩,不久前中科院传出一条喜讯,清华大学和联邦技术学院合作开发了一种新型粒子加速器,通过实验证明,这项技术完全可以为光刻机提供稳定可靠的EUV光源。

无独有偶,中科科美业同时传来喜讯,其研制的直线式劳埃透镜镀膜装置及纳米聚焦镜镀膜装置也于今年6月28日正式投入使用。

那么,镀膜技术跟光刻机又有什么关系?

首先我们要了解的是,EUV光刻机对光学镜片的光洁度要求相当之高,即表面光洁度不得超过50皮米,其困难程度不亚于制造一面方圆390000平方公里的镜子。

中科科美的这项镀膜技术,不但能够实现光学镜片的光洁度,还能实现光学镜片对光的反射、分束、分色、滤光以及偏振等在不同情况下的特殊要求。

这两大核心技术的突破,使我国在高端光刻机制造领域向前跨了一大步,相信假以时日,中国一定能够具备独立制造高端光刻机的能力。


当然,即便我们手里有了世界上最先进的光刻机,也不意味着中国能在芯片制造领域一骑绝尘,相比起这些硬件设备,有着“芯片之母”之称的EDA软件则更为棘手。

想要设计芯片,工程师离不开EDA软件,虽然由于有能力设计芯片的公司数量有限,造成EDA软件的市场并不是很大,但它却是制造芯片的第一步,离开EDA软件,即使拥有世界上最先进的光刻机,也不过是一推废铁而已。

现今世界上最大的EDA软件商有三家,分别是Synopsys、Cadence以及Mentor。

曾经他们垄断了超过80%的中国市场,不过自从受到美国制裁后,中国政府越发认识到,像这种买不到的核心技术,必须进行国产取代,才能最大限度地摆脱中国对发达国家的依赖。


近年来国家和一些大型企业如华为等,都在不断增加这方面的投资,只不过想要在技术上取得突破,仍然任重而道远。

华大九天作为国产EDA软件的老大,其制作的软件,也仅仅只能实现模拟芯片设计和平板设计全流程覆盖,覆盖率约为 40%。

此外,国际上最先进的EDA软件其工艺已经达到了2纳米,而国产软件最高端的也仅仅只有一款能够达到5纳米。

可以说在设计软件方面,发达国家已甩了我们好几条街,不过可以确定的是,华为事件发生之后,随着国家政策的倾斜,以及资本的关注,中国的EDA软件必会奋起直追,达到世界一流水平并不遥远。


总而言之,以美国为首的发达国家,之所以会联合起来对中国进行全方位的围追堵截,恰恰是因为中国已经有了威胁他们的资格,发达国家尤其是美国惧怕中国进一步发展,从而威胁到其世界霸主的地位,才会无所不用其极的遏制中国发展。

美国的一套组合拳确实给中国带来了很大麻烦,但这又何尝不是一个让中国优化产业结构,摆脱对发达国家依赖的机会?

正所谓危机、危机,危中有机,如果中国通过这次教训,能够认清现实,未尝不能转危为机!


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