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“機器一開，黃金萬兩”，這不是說的印鈔機，而是不亞于印鈔機的光刻機。近日俄羅斯宣布首期投資6.7億盧布，派出俄羅斯莫斯科電子技術學院。目標劍指當今全球最先進的EUV（極紫外）光刻機。
“反正都是突圍，從TND哪個方向突圍不是突圍啊？”當年一部現象級電視劇《亮劍》中，李云龍在蒼云嶺反掃蕩中正面突圍的劇情現在看來仍舊令人心血沸騰。而近日在半導體領域，面臨美國芯片制裁的大棒全方位呼來，俄羅斯也打起了半導體制裁的“突圍”戰，并且也要“正面突圍”。
從俄羅斯的計劃來看，這次“突圍”戰可能不僅要打的成功，而且還要打出一片新天地來。為此，俄羅斯不僅制定了長期投資計劃，首期投資6.7億盧布（約合人民幣5100萬元），還派出了有著“國家隊”之稱的俄羅斯莫斯科電子技術學院（MIET）。目標也是相當不含糊，直接就是挑戰當今全球最先進的EUV（極紫外）光刻機。
此消息一經爆料，立刻在國內引發了熱烈討論。與俄羅斯一樣，受制于某些眾所周知的原因，近年來國內半導體行業不斷遭受重大打擊，國民同樣渴望先進的國產光刻機，打破漂亮國的技術“卡脖子”。對于俄羅斯自研光刻機，或許在一部分人眼中是“異想天開”的計劃，然而如果冷靜下來環顧思考，這何嘗不是為我們提供另一種思路的可能呢？
比印鈔機還值錢的光刻機
“機器一開，黃金萬兩”，這不是說的印鈔機，而是不亞于印鈔機的光刻機。如果你對這句話沒有概念，不妨看一下阿斯麥（ASML）公司在近些年中的股價走勢。根據東方財富網的數據顯示，在近20年的時間里，ASML的股價從不足50美元翻了十余倍，尤其從2019年開始，股價更是一路飛漲，最高時一度接近900美元，近期其股價雖然有所回落，但仍高達594美元，總市值為2391億美元。
然而事實上，ASML真正成為一家在半導體行業內呼風喚雨的企業，也未超過10年。早在上個世紀80年代，ASML僅僅是飛利浦旗下的一家合資小公司，算上老板共有31位員工。與之相比，它的對手卻一個比一個威風、一個比一個雄厚，比如當時無可爭議的巨頭尼康。真正讓ASML和尼康，甚至與世界拉開差距的，正是我們如今心中念念不忘的EUV光刻機。
簡單來說，光刻機就是以光作刀，其本質與投影儀+照相機相差無幾，就是把設計好的電路圖投射到硅片之上。因此，在1970以前，現在看來高大上的光刻機的門檻并不算高。1977年我國最早的光刻機GK-3型半自動光刻機誕生時，現在的巨頭ASML甚至還尚未出現，那么到底是什么掣肘了光刻機的發展呢？
“半導體行業皇冠上的明珠”絕非一句夸張之詞。光刻機的原理雖然簡單，但制造過程卻十分不易。僅一臺光刻機就由10萬余個零部件組成，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、圖像識別等數十領域頂尖的技術。
更重要的是，光刻機從半導體行業中獨立而出形成了范圍極廣、內容極復雜的全球供應鏈體系。以ASML 7nm制程的EUV光刻機為例，其內部90%的關鍵零部件來自國外，有超過5000多個供應商，比如其中鏡頭來自于德國的蔡司，特殊的復合材料來自于日本，工業靜謐機床來自于瑞典，先進控制軟件、電源則來自于美國。
縱觀ASML的成長史，其成功的背后更多的也是靠“朋友圈”，英特爾在1997年攢起來的EUV LLC聯盟幫了大忙。當然，ASML為進入這一聯盟也付出了巨大的代價，包括在美國建立工廠和研發中心，保證55%的零部件均從美國供應商處采購，甚至接受定期審查（美國可以禁止荷蘭光刻機出口中國的原因主要原因），但這卻為ASML“咸魚翻身”埋下了伏筆。除了技術之外，2013年ASML收購美國的Cymer公司更是成了它現在能獨占鰲頭的關鍵。
因此，在2010年ASML出貨第一臺預生產的EUV光刻機時，雖然俄羅斯的一個物理研究所IPM（RAS）也在開發EUV的系統和元件，以及裝置原型的搭建，并且取得了一些成果。比如開發人員提出的輻射源設計的原始解決方案，部分還應用到了ASML的光刻機上。但最終卻還是以失敗告終。
RAS首席研究員、蘇聯國家獎獲得者、多層X射線光學系主任Salashchenko Nikolay甚至直言：一個國家是無法單獨推動這項工作的，而全世界都在幫助荷蘭（ASML）。
俄羅斯的美好愿望
很多人以為俄羅斯的光刻機制造計劃是由于美國的制裁臨時發起的，其實不然。上面提到俄羅斯在2010年時，甚至一度與ASML并跑。實際上，俄羅斯的光刻機相關研究早在上世紀80年代就開始了。當時負責研發同步輻射加速器的是澤列諾格勒科學中心，后來被并入了大名鼎鼎的庫爾恰托夫研究所，蘇聯第一顆原子彈、第一顆氫彈、歐洲第一座原子反應堆、世界第一座原子能發電站，皆出自它手。
而此次負責這項計劃的是MIET，是俄羅斯的一所國立研究型高等院校，1965年成立至今已過半百。而該校的特色學科就是微電子學、信息技術和計算機工程。學院共有學生6500多人，其中研究生250多人、副博士（按照歐美及中國學制為Phd學位）270人、博士5人。
在經歷了一輪的失敗后，俄羅斯這次計劃選擇不同于ASML的極紫光技術的路線，而是基于X射線的無掩膜式光刻。
首先從光源的選擇來看，一種是極紫外光線，波長在13.5nm，另一種為X射線，波長介于0.01nm至10nm之間。光刻機的架構及技術很復雜，但決定光刻機分辨率的主要因素只有三點，包括常數K、光源波長和物鏡的數值孔徑。波長越短，分辨率就越高。因此，在光源選擇上來看，理論上X射線比EUV極紫外光線更短，分辨率也就更高。
其次從生產的成本和方式來看，EUV光刻機是特定波長的光透過用來放大的掩膜，再通過透鏡的縮小，將集成電路精確的“投影”在硅片上。而X射線雖然波長更短但穿透性也更強，用普通透鏡無法進行放大和縮小，因此也就無法實現投影光刻，而是采用直寫光刻的方式。這樣一來，光刻機也就不需要光掩膜板，可以節省一大筆成本。
正是因為X射線光刻機的這兩點優勢，當地媒體甚至宣傳這將是全球都沒有的光刻機，ASML也做不到。當然事實也的確如此，根據媒體信息披露，X射線光刻機雖然并不是新技術，包括美國、歐洲、中國等都對此進行過研究，但全球確實至今沒有能達到規模量產的x射線光刻機。
另外，X射線光刻機的工作效率也是一大挑戰。對于直接通過強激光束將所需電路一點一點雕刻在硅片上的方式，這個效率想要實現納米級集成電路確實不敢恭維。
根據計劃，俄羅斯針對X射線工藝及效率的提升，計劃將完成對主要技術解決方案的驗證，包括基于動態掩膜模型的制造和兩項控制實驗研究。最早將于今年11月開發動態掩膜的技術和模型，以及原型光刻機的技術規范和可行性研究，工藝要達到28nm及以上。
給國內半導體發展的啟示
長久以來，國內半導體的發展現狀一直“以買代造”，然而一輪大棒揮下發現，錢財買得來產品卻買不來核心技術；市場換得來投資卻換不來行業創新。更難的是，隨著美國禁令加劇，現在產品和投資進入國內企業的可能也不容樂觀。
從技術來看，盡管國內半導體產業已經有了前所未有的使命感，并在一些關鍵技術上取得了突飛猛進的發展，但短期內想要突破EUV光刻機無疑還是不可能的任務。也難怪一名歐洲高級專家曾直言，“就是給你們全套圖紙，你們也做不出來”，當然我們后來打了他的臉，但面向更高級別的EUV光刻機，雖然不質疑國內企業的能力，但實際困難畢竟擺在那里，不能視而不見。
當然，跟隨只能永遠落于人后，無論從通信歷史來看，還是國內已經領先的領域來看，想要后發先至，就必須在追逐中實現“彎道超車”，這樣才能避免步步跟不上對手。在“是否能繞過EUV光刻機”的探討中，國內也在不斷嘗試。
比如去年華為披露的“雙芯疊加”專利。華為輪值董事長郭平曾公開表示：“解決芯片問題是一個復雜的漫長過程，需要有耐心，未來我們的芯片方案可能采用多核結構，以提升芯片性能。”“雙芯疊加”實際上就是通過修改設計邏輯和先進封裝工藝，將雙層的技術做到低端制程、高端性能。雖然這一消息曾在去年被網友百般嘲諷，但隨著今年的小芯片概念普及，特別是蘋果將兩個M1 max芯片合成M1 Ultra之后，讓更多人開始關注到摩爾定律失效后的探索。
除此之外，發展半導體作為一項國家戰略，政府與企業之間也應該長期而富有戰略性的引導和投入，一方面政府與企業共同承擔風險，做企業背后的支柱；另一方面，通過技術聯盟，集合國內半導體產業上的優勢力量，也是半導體突圍戰的必要舉措。
最后，技術創新需要以人才為動力。任正非曾說過，“做芯片光砸錢不行，還要砸人。目前這種形勢，我們確實會受到影響，但也能刺激中國踏踏實實發展電子工業。過去的方針是砸錢，芯片光砸錢不行，要砸數學家、物理學家等。”
參考資料：
1.《投資6.7億盧布，俄羅斯宣布研發X射線光刻機！比ASML的EUV光刻機還要先進？》，芯智訊
2.《給我們全套圖紙，中國人都造不出高端光刻機？！》，財經國家周刊
3.《光刻機大敗局》，遠川科技評論
4.《大國博弈光刻機，中國如何破局？》，正和島
5.《美國斷供芯片，俄羅斯決定從頭開造光刻機》，量子位
6.《國產光刻機的發展史回顧》，半導體行業觀察
7.《ASML的光刻機霸主之路》，半導體行業觀察
