瞭望智庫
伴隨一眾芯片企業爭相登陸科創板，芯片生產的基礎性工具——
國產光刻機，也被成功推上了科技圈的熱搜榜。先是“中科院發佈5nm激光光刻技術”被誤傳為“可以不用購買荷蘭光刻機巨頭阿斯麥（ASML）的EUV高端光刻機，就可以生產芯片了”；後又有“95後大學生UP主造出光刻機”被迅速打假；繼而又傳出“兩萬人閉關兩年，華為自研光刻機”的小道消息……
群情有如盛夏的陽光，熾熱又激昂，任何有關國產光刻機的風吹草動，都被迅速放大、發酵。
但如果能冷靜下來環顧思考，會發現，國民渴望光刻機的先進化，背後源自國產芯片不再被“卡脖子”的希望，但這種對國產光刻機的心態，總伴隨著一種焦慮、焦躁甚至浮躁。
顯然，在追趕先進目標下，這樣的心態不可取。
文 | 李瑤
本文轉載自微信公眾號“財經國家週刊”（ID: ENNWEEKLY），原文首發於2020年7月29日，原標題為《給我們全套圖紙，中國人都造不出高端光刻機？！》。
1.人類半導體工業皇冠上的明珠
什麼是光刻機？
簡單來說，光刻機就是以光作為刀片，在晶圓上刻畫芯片圖紙的機器，是芯片生產加工最基礎也最關鍵的一環。
整個光刻過程可以理解為，把設計好的芯片圖案印在掩模上，再用激光穿過掩膜和物鏡，把芯片的圖案曝光在光刻膠塗層上。這有點類似於照相機底片曝光，但要更加精密。
如果讓業內人士給光刻機下定義，恐怕離不開一句“人類半導體工業皇冠上的明珠”。一臺光刻機由數萬個部件組成，是一種集合了數學、光學、流體力學、高分子物理與化學、表面物理與化學、精密儀器、機械、自動化、軟件、圖像識別領域頂尖技術的產物。
在一臺尖端光刻機上，你可以看到世界各國頂尖技術的薈萃：德國的蔡司鏡頭，日本的特殊複合材料，瑞典的工業精密機床，美國的先進控制軟件、電源等。
光刻機的“起源”，要追溯到70多年前。
1947年，貝爾實驗室發明了第一隻點接觸晶體管，光刻技術由此開始發展。1959年，世界上第一家晶體管計算機誕生，提出光刻工藝，仙童半導體公司研製出世界上第一個適用單結構硅晶片。
別看現在光刻機高大上，其實在1970年以前，光刻都算不上是多先進的高科技，大多半導體公司都可以自己設計工裝和工具。甚至連日本的尼康和佳能，也在60年代末湧入這個領域，畢竟當時的光刻機並不比照相機複雜。
但此後10年間，光刻機逐漸從半導體公司的附屬部門脫胎而出，形成真正的市場。尤其是1978年美國GCA公司推出真正現代意義上的自動化步進式光刻機(Stepper)，正式開啟了群雄爭霸的光刻機大發展時代。
乘著國內大公司、大財閥都進入半導體行業的東風，尼康、佳能等公司開始與美國GCA、Ultratech、Eaton等公司一較高低。到1984年，尼康已經和GCA各佔三成市場，平起平坐，Ultratech佔約一成，Eaton、佳能、日立等剩餘幾家每家都不足5%的市佔率。
此後，由於日本動態存儲芯片發生大規模產能過剩，價格下跌近80%，美國半導體產業遭受巨大打擊，GCA、Ultratech等一眾光刻機廠商出現嚴重的財務危機，從此走上被邊緣化的道路一去不復返。
反倒是遠在歐洲的小公司阿斯麥，因為投資方飛利浦不怎麼上心，公司體量小，損失不大，繼續按照計劃開發著新品。
再後來，美國開始反制風光了十數載的日本半導體產業，並在研究通過EUV（極紫外線）解決DUV（深紫外線）跨越不過的193nm波長困難時，將尼康死死阻截在薈萃各大科技巨頭的“EUV LLC（極紫外線有限責任公司）”組織外，阿斯麥則靠著承諾在美國設研究中心、建廠、採購55%原材料，成功“撿漏”，體驗了EUV光刻機的可行性被“大牛們”充分驗證的全過程，
為日後“飛昇封神”打下關鍵基礎。 每套系統售價上億歐元的阿斯麥EUV光刻機
時至今日，縱覽全球芯片廠商的光刻機訂貨單，當年的“小弟”阿斯麥已經成了行業裡獨佔鰲頭的“大哥”。以2019年為例，阿斯麥共出貨229臺光刻機，淨銷售額為118.2億歐元，淨利潤為25.2億歐元；尼康則出貨46臺，佳能出貨84臺。
並且，在阿斯麥出貨的229臺光刻機中，有26臺是代表當今行業最高水準的EUV光刻機。EUV光刻機採用13.5nm波長的光源，是突破10nm芯片製程節點必不可少的工具，沒有它，臺積電、三星、英特爾的5nm芯片產線，都無法投產。
有人說，如果說光刻機是人類半導體工業皇冠上的明珠，那麼阿斯麥就相當於握著最亮明珠的那個人。
2. “給你們全套圖紙，你們也做不出來”
中國光刻機崛起的故事，則要回到20年前。
2001年2月27日，中科院院士、北京大學微電子研究院院長王陽元作了一場關於“微電子科學技術和集成電路產業”的報告，分析我國發展微電子和集成電路產業的必要性、緊迫性、措施和建議。
當時主持會議的國務院領導在聽取報告後，隨即提出：集成電路是電子產品的“心臟”，是信息產業的基礎，必須高度重視。
很快，光刻機成為“十五”期間微電子裝備首要攻關項目；轉年，光刻機被列入國家863重大科技攻關計劃，在科技部和上海市政府共同推動下，承擔攻堅項目任務的上海微電子裝備有限公司（下稱“上海微電子”），也正式成立。
公司剛成立不久，躊躇滿志的總經理賀榮明就帶著技術團隊去歐洲、美國等地開展技術方面的合作。但當賀榮明提出“中國人也要做光刻機”時，外國專家的眼神裡除了驚訝，還多多少少帶著對中國科技人員的不屑和蔑視，甚至有一名歐洲的高級專家告訴他：“就是給你們全套圖紙，你們也做不出來。”
這話刺激了賀榮明的自尊心，他很不服氣。即使過去十數年，賀榮明回憶起那段時光都坦言，自己從國外回來後很長一段時間內，都是懷著賭氣的心思帶領團隊奮鬥。
但外國專家的話也並非全是虛言。
一臺光刻機由數萬個部件組成，對技術、精細度、速度的要求高到令人難以想象，溫度、溼度、光線等都會影響到最終的成敗，就連賀榮明也不得不承認：“相當於兩架大飛機從起飛到降落，始終齊頭並進。一架飛機上伸出一把刀，在另一架飛機的米粒上刻字，不可以出差錯。”
這樣的憤懣，直到多年後上海微電子在先進封裝領域設計並交付了第一臺國產光刻機給中國臺灣客戶時，才一得舒展消散。客戶跟賀榮明說：“我們真的從來沒想到中國人可以做出光刻機，作為中國人我為此感到自豪。”
大概是來自客戶的肯定讓賀榮明終於找到了情感的宣洩口，在後來的一次公司幹部大會上，賀榮明總算直抒出了一句長期憋在胸口的話：“如果我們這群人的存在和努力，能夠獲得同行的尊重的話，我們做什麼都值了！”
時至今日，上海微電子已成為國內最領先的光刻機設備廠商，封裝光刻產品國內市場佔有率高達80%，全球市場佔有率達40%，LED/MEMS/功率器件光刻機性能指標領先，LED光刻機市場佔有率第一。
但需要注意的是，光刻機分為前道光刻機和後道光刻機，前道光刻機用於芯片製造，後道光刻機則主要用於芯片封裝。阿斯麥的光刻機就是前道光刻機。
當前，全球前道光刻機完全被阿斯麥、尼康、佳能壟斷，上海微電子可量產的最領先的前道光刻機則處於90nm工藝製程節點。縱然上海微電子披露將於2021年交付28nm製程的前道光刻機，也仍與阿斯麥5nm製程光刻機相差甚遠。
這個差距會導致什麼結果呢？
舉個最典型的例子，上海微電子這邊剛傳出28nm光刻機取得突破，那邊阿斯麥就立刻降價甩貨同代和上代光刻機，搶佔中國市場，擠壓上海微電子的市場空間。
或許有人會說，EUV光刻機並不是當前必需的。常被拿來佐證這一觀點的案例是，中芯國際N+1、N+2代工藝都不會使用到EUV工藝，臺積電也是在第三代7nm工藝才開始引入EUV。
但實際上，製程越小，工藝越高級，集成電路里的線寬越小，越需要更高級的光刻機。“儘管EUV技術對7nm製程不是必需的，但EUV技術的注入能提高良品率，效果好。”電子創新網CEO張國斌說。
業內流傳比較廣泛的一個說法是，就算所有進口光刻機瞬間停止工作，中國也不是沒有芯片可用，但90nm光刻機造出來的芯片，也就相當於2004年奔騰四處理器的水平。
換句話說，奮戰十幾年，國產光刻機雖然取得不小進展，但目前仍落後領先水平一段距離，並且始終沒能叩開高端市場大門。一日進不去高端領域，就要承受一日別人隨便大手一揮甩來的巴掌。
3.為什麼高端光刻機難買又難造
中國有句老話：工欲善其事，必先利其器。
為什麼我們想要的那把芯片製造“利器”，這麼多年了還是難買又難造呢？中國的基礎是一開始就那麼差嗎？
這裡就不得不提到一個半導體行業眾所周知的歷史因素——“瓦森納協定”。西方國家對中國半導體技術及產品的出口，一般都遵循“N-2”的原則審批，就是比最先進技術落後兩代的意思。如果再在審批過程中適當拖延一下，基本上中國能拿到的技術設備，都會比發達國家最先進的落後三代甚至更多。
舉個例子，英特爾、三星等企業在2015年能買到阿斯麥10nm光刻機，而中芯國際當時只能買到阿斯麥在2010年生產的32nm光刻機。就算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，但也必須等IMEC使用五年後才能拿到手。
五年的時間，對於半導體產業來說，足夠迭代數次了。
除了無法買到最新的設備，“瓦森納協定”還限制華裔工程師進入歐美等知名半導體公司的核心部門，以防技術洩露。但現有的高端光刻機正是許多國家共同合作的結果，涉及多個科學領域。可以說，承受著從生產設備到技術人才全方位壓制的中國的半導體產業，造出高端光刻機的難度，不亞於當年造原子彈。
其實，中國的光刻機技術也並非從一開始就落後於人。
1952年，剛成立不久的新中國就開啟了計算機事業，成立了電子計算機科研小組，由數學研究所所長華羅庚負責。隨後十多年裡，中國陸續試製成功第一隻晶體三極管、第一隻鍺晶體管、第一代硅平面晶體管、第一塊集成電路。
由於我國第一塊集成電路誕生於1965年，所以業內認可度較高的說法是，我國利用光刻技術製造集成電路芯片的時間也差不多處於1965年前後。
1977年，我國最早的光刻機——GK-3型半自動光刻機誕生；1978年，1445所在GK-3的基礎上開發了GK-4，把加工圓片直徑從50毫米提高到75毫米，自動化程度有所提高。這時候，阿斯麥還沒有出現。
到1985年，機電部45所研製出了分步投影式光刻機，被電子部技術鑑定認為，達到美國GCA公司1978年推出的4800DSW光刻機的水平。
如果稍作回顧，可以將整個中國大陸半導體產業發展的脈絡總結為：50年代開了個好頭，六七十年代一路向前，80年代上半場僅次於美國，甚至比肩日本，領先韓、臺。
但轉折也正巧就出現在80年代下半場。彼時恰逢日本半導體產能過剩，與美國半導體大打價格戰，“造不如買”的思想開始在國內興起，一大批企業拋棄獨立自主、自力更生的方針，盲目引進開放，走上了以“貿工技”為指導的發展路線。
中國的集成電路當時在科研、教育、產業方面也出現了脫節——科研上追隨國外製定的技術標準和技術體系；教育上，一切與金融貿易相關的專業成了熱門，軟件工程師變成了冷門職業；產業上，一些企業熱衷於給外資企業搞組裝，以大量廉價勞動力換取經濟利益。
覆巢之下，安有完卵？中國的光刻機事業也受大環境影響，沒能在高端光刻機領域留下姓名。
直到90年代末千禧年初，中國芯片產業出現海歸創業和民企崛起，國產光刻機產業才再度覺醒。但這時候，國產光刻機與最先進技術的差距，已從當年的7年拉長到了20多年。
4.困難中已見微光
相比阿斯麥背靠歐美先進研究成果，手持英特爾、三星、臺積電等股權投資交換來的鉅額研發資金，頂著“瓦森納協定”的國產光刻機產業，成長基石明顯處在實打實的低窪劣勢。
但矮人一截，反倒讓成長路上達成的突破，一點一滴都讓人振奮。
為了加快國產光刻機的攻關，2008年，國家層面專門成立了“極大規模集成電路製造裝備與成套工藝專項”（簡稱02專項），以建立自主的高端光刻技術和產業發展能力作為重大、核心的戰略目標。
光刻機產業鏈可以拆分為兩大部分，一是光刻機核心組件，包括光源、鏡頭、雙工件臺、浸液系統等關鍵子系統；二是光刻配套設施，包括光刻膠、光掩膜版、塗膠顯影設備等。
因此，02專項也組織了多個部門參與，分別負責不同的子項，並已逐漸取得可喜的成就：
2017年6月21日，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所（現北京國望光學）牽頭研發的“極紫外光刻關鍵技術”通過驗收；
清華大學和北京華卓精科負責雙工件臺系統，2019年完成研發和試產基地建設，是世界第二個掌握該項技術的（第一個為阿斯麥的Twinscan技術）；
浙江大學流體動力與機電系統國家重點實驗室和浙江啟爾機電負責沉浸式光刻機的浸液系統，目前水平排名世界第三，前兩名分別為阿斯麥、尼康；
中科院光電研究院負責準分子激光光源系統，由北京科益虹源負責產業轉化，研究成果國產40W 4kHz ArF光源已經交付，是繼美國Cymer公司（已於2013年被阿斯麥收購）、日本Gigaphoton 公司之後的全球第三；
2018年11月29日，中科院研製的“超分辨光刻裝備”通過驗收。光刻分辨力達到22nm，結合雙重曝光技術後，未來還可用於製造10nm級別的芯片；
上海微電子將在2021年交付的28nm光刻機，則是由上海微電子負責光刻機設計和總體集成，北京科益虹源提供光源系統，北京國望光學提供物鏡系統，國科精密提供曝光光學系統，華卓精科提供雙工作臺，浙江啟爾機電提供浸沒系統。
……
“如今在我們超潔淨度的廠房裡，一臺臺佔地幾十平方米的光刻機，就像一個個思想的巨人矗立在那裡。”賀榮明時常隔著玻璃，凝視這些由幾萬個超精密零件和數百萬代碼組成的複雜系統，似乎能看到困難中閃爍著的象徵希望的微光。
5.借鑑不能盲目
路行至此，國產光刻機下一步又該如何走？
如果總結阿斯麥的成功，無外乎特殊的時代環境、強決斷力的領導者、持續加大研發投入的定力、整合產業鏈資源的魄力等幾個關鍵因素。但就當前國產光刻機發展而言，僅從一家巨頭企業身上吸取經驗並不足夠。
英國一位經濟學家曾指出，政府與企業長期而富有戰略性的引導和投入，是突破性創新的絕對先決條件。賀榮明也多次表示認同這一觀點，在光刻機領域，國家的戰略投入和引導政府與企業的風險共擔，始終是我國企業最大的支柱。
就這個意義而言，要想規劃國產光刻機的發展圖景，不妨放眼全球半導體關鍵發展節點，從中尋找那些政府與企業共同引導和投入的、可參照的經驗。
上世紀80年代中期，美國半導體產業遭遇滑坡，後又迅速回歸、實現復興，其中力挽狂瀾的一個關鍵，在於美國半導體制造技術聯盟（Sematech， Semiconductor Manufacturing Technology）的成立與發展。
這個Sematech聯盟由半導體公司National Semiconductor的CEO Charlie Sporck倡議發起，集合了佔美國當時半導體產業產值80%的14家企業之力，如英特爾、IBM、惠普、美光、摩托羅拉等，意在通過未來中短期半導體制造相關技術進行研發和產業化，從而重建美國半導體產業的國際競爭力。
群雄共聚的局面當然不好控制。成立之初，由於成員公司之間存在競爭關係，相互提防，Sematech出現過短暫混亂。注意到這個問題後，美國政府很快派美國國防部高級研究項目局（DARPA）進駐，代表美國政府，參與到該組織的管理與運行中。
也正是在政府和產業力量的共同配合下，美國半導體產業鏈才在最短時間內得到梳理，重塑上下左右關係，在促進成員間合作、避免競爭的同時，提高了整個產業鏈的韌性。
這一經驗能直接照搬到國產光刻機發展上嗎？當然不能。中國面對的是不同的產業狀況，借鑑可以，但不能盲目。
Sematech為人稱道的一個特性在於，它是一個具備公司屬性的聯盟組織，由懂技術、懂管理、有產業背景和人脈、有企業家開拓精神的CEO統管，最大限度保證著產、學、研的高效鏈接。
中國雖然也有02專項這樣的項目在梳理、塑造國產光刻機產業鏈，但產、學、研各界整體仍處於“各自為政”的情況，有待設立一個像Sematech這樣由政府和企業共同參與管理與運行的聯盟組織，統一規劃、引領整個國產光刻機產業的發展進程。
但在具體的領軍人物選擇、政府在聯盟中的角色分寸拿捏、行業規範的制定、監管介入等細節方面，需要結合中國具體現狀進行調整實施。
其次，由於美國絕大部分企業都對基礎研究、應用研究不抱有太大興趣，政府給予Sematech的資金補貼，主要都用在了中短期技術開發上。
考慮到企業真正感興趣的是能帶來實際利潤的創新產品，只有企業感興趣，技術創新才有動力，所以Sematech此舉有其合理性。
但我們必須清醒地認識到，美國政府之所以能放任企業對基礎研究不感興趣、關注能迅速產生創新價值的中長期技術開發，底氣在於美國基礎科學領域的智力及人才儲備足夠紮實。而現階段，中國這部分底氣並不足。
多位業內人士認為，在鼓勵國產光刻機產業加大技術研發時，多方吸納、分層引導的思路或許更可取。
比如，建立一個類似Sematech的產業聯盟，吸納龍頭企業和有想法、有潛力的中小企業一同加入，鼓勵營收穩定的大企業持續前沿技術研發投入，引導中小企業做中短期技術開發。
這樣一來可以幫助中小企業增加快速造血能力，二來可以促使中小企業在聯盟氛圍中感知、接觸到最新的技術趨勢和產業信號，並逐漸確立自己在產業鏈中合適的發展位置，三來更有助於加快整個產業鏈上下游的建立、成熟與穩固。
需要注意的是，支持真正的技術開發，既是政府補貼的初衷，也是補貼的底線。哪怕是中短期技術，也一定要有創新的技術開發，而不能只支持產品生產。
因為沒有技術開發的產品，哪怕這個產品屬於一個聽起來很新興的行業，也只是在支持擴大低端產能，侷限於低端重複過剩。
6.守護科技領空
金錢可以買來圖紙，但買不來核心技術；市場可以換來投資，但永遠換不來創新能力。而技術和創新能力，本質還來源於人才。
問渠哪得清如許，為有源頭活水來。除了留住已有人才，源源不斷地培養新的人才儲備，更是老生常談的重中之重。
同時需要時刻注意的是，應該站在全球系統的視野來制定正確的發展策略。面對相對薄弱的工業條件和人才儲備，動不動就鼓吹“完全國產化”的思想，並不可取。
且不說，光刻機零部件之多、技術來源之複雜，短期內完全國產化很難實現。就算死磕全部國產化到阿斯麥現在的5nm水平，黃花菜都涼了，阿斯麥也一騎絕塵了。更何況，在全球化的今天，供應鏈國際化已經是不可阻擋的發展趨勢。
比起“別人不讓買就全部自己造”，“讓別人不能不賣給我們”或許是更為實際有效的解決辦法。比起一味強調“完全國產化”，倒不如放眼長遠，加大專利技術積累，密切國際合作關係，讓別人對你的專利範圍避無可避。
在一次工作彙報上，賀榮明做了一個特別分享。期間他提到，經過無數次的技術交鋒，他們發現，很多國外的公司在中國領空上申請的專利保護範圍非常之大，為此上海微電子展開了一場非常艱苦的專利領空保衛戰，用自己的專利對很多在中國申請專利保護範圍過大的專利進行阻擊，將後者的保護範圍縮小一半，從而為自己的專利技術佈局贏得創新空間。
創新就是作戰，專利是沒有硝煙的戰場。高端技術領域的國際合作，往往都是打出來的，乞求式的合作無力又無用。只有通過技術攻關，使自己足以成為競爭對手，通過不斷的交鋒，雙方才能產生合作意向，姿態也更平等。
在摩爾定律的驅動下，國際光刻機的技術發展飛速，在國產光刻機努力追趕未來的道路上，動不動就鼓吹“突破技術封鎖”的論調，不僅容易滋長盲目自信、引發外部更強壓制，對我國科技領空的發展，更是沒有任何益處。
2017年，在上海市科創爭先鋒先進事蹟報告會上，頭髮微白的賀榮明作為“科創先鋒人物”上臺發言。
他說：“我深深感到和體會到在未來的世界當中一個國家的大小，其實已經不是由疆土的面積來衡量了，而是由科技領空的大小來決定。守護和拓展我們國家的科技領空，如果我們這代人不擔當，誰來擔當？”
國產光刻機大崛起到來前，道阻且長。
