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40年前中国就能造光刻机?真是“开局一张图......”

本文经授权转载自@飞扬南石

起因

前两天与人在网上聊天,对方抛出一个观点:中国早在1972年就能造光刻机了,结果到现在还要进口。

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中国1972年就造出了光刻机

我去查了一下出处,结果是这样一篇文章《40年前电脑、芯片、光刻机,美国第一,中国第二》,当时就把我吓傻了。

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网络奇文:40年前美国第一,中国第二……

文章的内容很多,基本上也是老生常谈,不外乎某某年生产了第一台某某,与美国差距只有0.01秒等等,归纳起来结论就是一个,如果不是改革开放,中国早就牛叉了。

幸好经历过那个年代的人还没有死绝,随便找几个人问问,都是满脸懵圈:什么,当年美国第一,中国第二,你把德日英法意扔哪去了?70年代末国家派了无数的考察团出国去看,回来都是摇头叹气,尼玛,人家一家工厂一个月生产的集成电路,抵得上我们全国60多家工厂全年的产量,这还怎么追啊!

那个时候你跟他们说:别害怕,美国第一,我们第二,你看看大家会不会像看傻X一样地看着你?

可就是这种观点,在今天居然还有人信……

别的不说了,还是说说光刻机的事情吧。

文章里关于光刻机是这样一段:

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光刻掩摸版的制造

看看看看,1972年,中国就编过《光刻掩膜版的制造》一书,充分证明中国在当时是有光刻机的,和日本差不多同时起步,到1980年已经接近国际主流水平……

这就应了一句话,叫作“开局一张图,过程全靠编”

光刻机这事情太火,而技术又非常复杂,广大吃瓜群众懒得去了解细节,所以就给骗子留下了充分的空间。要揭穿这个谎言,还得从光刻的原理说起。

光刻原理与工艺

光刻机是个很高大上的东西,但光刻的原理其实简单得一塌糊涂。且看下图:

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刘多勤.光刻技术及其战略选择[J].电子工业专用设备,1993(01):1-8+24.

制作芯片的过程,就是先在硅片上刻出线条,然后在线条里倒进铁水(……呃,其实是离子注入),这样就能够形成一个电路,再封装就可以用了。

在硅片上刻出线条的过程,大致包括:(1)画出线路图;(2)把线路图制作成掩膜,其实就相当于照相的底片;(3)把底片投射到涂了光刻胶的芯片上,就像洗照片一样;(4)按照光刻胶上的图案进行刻蚀。

光刻就是上述的第三个阶段。

光刻的技术,简单说就是两种:接触式光刻,投影式光刻。(复杂的分类方法包括接近式光刻、分步重复光刻、电子束光刻、X射线光刻、离子束光刻等等。后三种属于非光学光刻,和现在我们说的光刻不是一码事。这个分类其实是乱的,在此不细说。)

所谓接触式光刻,就是把掩膜(也就是底片)直接放在硅片上,然后用光照射;因为掩膜和硅片直接接触会造成磨损,所以有时候会把掩膜拿高一点,离开硅片0.1微米,这样就叫接近式光刻。因为掩膜和硅片有了距离,光线会出现散射,所以接近式光刻的效果会差一些,好处就是能够保护掩膜。

接触式光刻的技术非常简单,是直接从照相洗印技术发展过来的,大约在1960年之前就已经得到应用了。

所谓投影式光刻,是在掩膜和硅片之间加了一个透镜。光穿过掩膜,通过透镜投射到硅片上。这种方法的好处一是避免了掩膜与硅片的接触,二是可以实现缩印的效果,而后一点才是最重要的。

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投影式光刻

接触式光刻中,掩膜和硅片上的图形是同样大小的,所以掩膜的分辨率决定了硅片的分辨率,而掩膜的分辨率很难提高,达到1微米已经是极限,这就决定了硅片的分辨率无法进一步提高。

投影式光刻克服了这个问题,1微米分辨率的光线通过透镜可以缩小到几十甚至几纳米,这样就可以在不提高掩膜精度的条件下,提高硅片的分辨率,实现从微米级向纳米级的提升。


这一节划两个关键词:接触式光刻,投影式光刻。

国际光刻技术状况

美国在20世纪50年代就已经拥有了接触式光刻机,60年代提出了投影式光刻概念,但真正研制成功1:1投影式光刻机是在1973年(美国Perkin-Elmer公司)。由于投影式光刻技术较复杂,设备价格较高,在70年代出现了接近式光刻概念,典型产品有佳能的PLA-520FA,美国Kasper的2001型。(杨亮生,黄提多.国外典型半导体光刻设备介绍[J].光学仪器,1980(03):43-50+65.)

1978年美国GCA公司推出“分步重复精缩投影光刻机”,将投影光刻的比例发展到1:5或1:10。这台设备被命名为4800DSW,此后很长一段时间,我国国内都将分步光刻机称为DSW。

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邬纪泽.美国大规模集成电路用光学设备(出国参观考察报告)[J].光学工程,1980(03):12-35邬纪泽.美国大规模集成电路用光学设备(出国参观考察报告)[J].光学工程,1980(03):12-35

分步光刻机的概念提出之后,光学光刻机的技术路线就基本上稳定下来了,后续的光刻机基本上都属于这种类型。差异只在于光源的变化。

关于光源也可以回顾一下:

60年代的光源主要为普通可见光光源。

80年代开始使用高压放电汞灯产生436纳米(G线)和365纳米(I线)光源,为近紫外光源。

90年代之后,开始使用准分子激光器产生248纳米(KrF)、193纳米(ArF)、157纳米(F2)光源,为深紫外光源。

2010年后,开始出现13.3纳米的极紫外光源,也就现在说的EUV。

下图有一个点画错了,应当是157纳米的F2光源。

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楼祺洪,袁志军,张海波.光刻技术的历史与现状[J].科学,2017,69(03):32-36.

这一节注意几个时间节点:国外从1978年开始转向分步重复投影光刻,代际差异主要体现在光源上。

中国的光刻机历史

这里就要回到开头了,中国到底什么时候开始拥有光刻机的。

中国利用光刻技术制造集成电路芯片的时间,大致应当是在1965年前后。我查到的最早的光刻机是1445所在1974年开始研制,至1977年研制成功的GK-3型半自动光刻机(吴先升.φ75毫米圆片半自动光刻机[J].半导体设备,1979(04):24-28.),这是一台接触式光刻机

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GK-3光刻机(刘仲华.GK—3型半自动光刻机工作原理及性能分析[J].半导体设备,1978(03)

那么问题来了,在此之前,我们到底有没有光刻机呢?

事实上,这个问题并不重要……

原因在于,至少到1980年初,中国的光刻工艺依然是接触式光刻,也就是把掩膜直接贴到硅片上,再用灯光照射。这项工艺中最难的是掩膜的制造,要在底片上刻出1微米分辨率的线条(照相制版国内调查小结[J].半导体技术,1976(03):1-17. )。只要这个问题解决了,光照并不是太困难的事情。

所以,在我看到的70年代的文献中,介绍掩膜制造的反而是更多的,其次就是光刻胶的制造,光刻工艺反而很简单。典型的文献有上面引用的《照相制版国内调查小结》,有条件下载的同学找来看看,干货挺多的。

1978年,1445所在GK-3的基础上开发了GK-4,把加工圆片直径从50毫米提高到75毫米,自动化程度有所提高,但同样是接触式光刻机。

同期,中科院半导体所开始研制JK-1型半自动接近式光刻机,于1981年研制成功两台样机。(姜文汉,邬纪泽.JK-1型半自动接近式光刻机研制报告[J].光学工程,1981(05):3-16.)

看看当时的科研工作者是如何说的:

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姜文汉,邬纪泽.JK-1型半自动接近式光刻机研制报告[J].光学工程,1981(05):3-16.

很明显,中国当时已经意识到分步投影光刻技术的优越性,但限于条件,无法实现。考虑到国外在60年代就已经有了接触式光刻机,中国与国外的差距在20年左右。

1979年,机电部45所开展了分步光刻机的研制,对标的是美国的4800DSW。1985年,研制出了样机,通过电子部技术鉴定,认为达到4800DSW的水平。如果资料没有错误,这应当是中国第一台分步投影式光刻机,采用的是436纳米G线光源(周得时.为研制我国自己的分步光刻机(DSW)而拼搏[J].电子工业专用设备,1991(03):30-38.)。按照这个时间节点算,中国在分步光刻机上与国外的差距不超过7年(美国是1978年)。

另据资料显示,45所在六五、八五、九五期间分别完成了1.5微米、0.8微米和0.5微米光刻机的研制任务。

1990年3月,中科院光电所研制的IOE1010G直接分步重复投影光刻机样机通过评议,工作分辨率1.25微米,主要技术指标接受美国GCA8000型的水平,相当于国外80年代中期水平。

此后的资料有点乱,一时梳理不清楚。从一些边角的资料看,国家在2000年前后启动了193纳米ArF光刻机项目。2002年,上海微电子装备有限公司承担了“十五”光刻机攻关项目,中电科45所把此前从事分步投影光刻机的团队迁到了上海,参与这个项目。至2016年,上海微电子已经量产90纳米、110纳米和280纳米三种光刻机。

国际上已经放弃了157纳米的光源,除ASML掌握了EUV光源技术之外,其他各家使用的都是193纳米ArF光源,中国在这点上与除ASML之外的“外国”是同步的。

这一节的总结:中国的光刻机研制在70年代后期起步,初期型号为接触式或接近式光刻机,85年完成第一台分步光刻机,此后技术一直在推进,各个时间点均有代表性成果,并未出现所谓完全放弃研发的情况。

谎言与辟谣

说完了整个脉络,我们可以回头看看网上的谎言。中国在1972年就有光刻机,这话或许不假,但这与2017年我们买进一台EUV光刻机没有一毛钱的关系。就像我们说冯如在1909年就造出了一架飞机,但2018年我们还在买空客380,因为它们根本不是同一回事。


​1978年之前,我们虽然有光刻机,但技术水平与西方已经相差了十几年。西方在1978年已经推出成熟的分步投影光刻机,而我们的半自动接触式光刻机刚刚研制成功。在今天,我们要进口荷兰的EUV光刻机,同样不是因为我们自己没有光刻机,而是因为我们的光刻机不如别人的先进。

在前面说的那篇文章中,还有一个很大的笑话,就是声称清华大学早在70年代就已经制成了分步光刻机,证据是一张模糊的奖状。

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据说是研制成功分步光刻机的证据

在这张奖状的“合作成果”第二项,写着“ZFJ-1-2型及ZFJ-1-3型自动分步重复照相机”的字样,文章下面介绍说:这就是芯片制造中最核心的光刻机。

有趣的是,在一篇题为《朱煜:精密事业》的文章中,也有同样的陈述:

从圆梦的角度看,作为一个清华人,朱煜深深了解历史上清华大学与中国光刻机研发之间的渊源。上世纪70年代,清华大学精仪系成功研制了“自动分步重复照相机”,也就是当时的步进光刻机。那时,当今的半导体巨擘英特尔不过刚刚成立,现在的光刻机巨头ASML还未创立,那台“清华出品”让中国足以自豪。然而,随着国家放慢了对半导体工业支持的脚步,从20世纪70年代到21世纪初,在狂飙突进的国际半导体行业,我国却被远远甩在了后面,清华人真的黯然了。

朱煜的来头,大得吓人,以至于我不得不把资料反复查了N遍,然后确定上述的说法是胡说八道。

清华精仪系研制的“自动分步重复照相机”,是1971年交付的。而世界上第一台分步光刻机,是1978年产生的,那么问题来了,清华难道走在美国人前面了?

真实的情况是什么呢?看看原文

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研制小组.激光干涉定位自动分部重复相机[J].清华大学学报(自然科学版),1973(03):1-20.

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ZFJ-1-2型自动分步重复照相机[J].仪器仪表通讯,1972(06):16.

文章里写得清清楚楚,ZFJ-1-2型自动分步重复照相机,是用来制作掩膜的,掩膜制作是光刻的前一个环节,与光刻完全不是一码事。

看看下图,分步重复相机是用来制造光学掩膜母版的,再往下才是光刻环节。

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邬纪泽.美国大规模集成电路用光学设备(出国参观考察报告)[J].光学工程,1980(03):12-35

出现这种讹误的一个原因,在于最早的分步重复光刻机是从分步重复相机改进而来的。

分步重复光刻相当于把分步重复相机的输出由母版直接转到硅片上,原理是一致的,但光源的要求不同、透镜的要求不同、投射的材料不同,技术难度相差了岂止一个太平洋?分布重复相机早在60年代就已经有了,但分步光刻机是1978年才问世的,把这两样东西说成同一回事,是无知,还是硬往脸上贴金?

40年前中国第二吗?

某些人利用吃瓜群众对技术的无知,罗列了一堆型号,就声称40年前的电脑和芯片市场上,美国第一,中国第二。

我这里有一张捡来的图,可以看看:

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1958年,中国拉出了第一块硅单晶,比日本早2年;

1965年,中国造出第一块集成电路,比日本晚5年;

但是,日本的集成电路产量从100万到1000万,花了1年,从1000万到1亿,花了2年。而中国从100万到1000万,花了6年,再到1亿,花了12年。

日本1970年的集成电路产量是中国的100倍,你告诉我说中国的技术是世界第二?你世界第二还不赶紧生产赚钱?你世界第二还得等到1976年苦哈哈地想从日本引进人家淘汰的生产线?你吹牛的时候忘了打草稿吗?

1978年之前,中国堆型号的事情做过很多,几乎每个领域都有各种紧跟国际前沿的型号。一开始还能够模仿出来,越追就越吃力。原因无它,技术的发展是呈金字塔结构的,一个技术尖峰的下面,是大量的基础技术。而这些基础技术需要有产量来支撑。

就比如中国的5G技术,之所以能够走在世界前列,是因为我们拥有全球最大的4G网络。我们形成了丰富的使用经验,培养了大量的设备供应商,这样走到5G上才能游刃有余。1978年的中国,这个型号也要搞,那个型号也要搞,每个型号出来只能造三台五台。这样的产量,根本不值得制造专用设备,于是就搞“苦干加巧干”。前一代这样出来了,后一代呢?再往后呢?

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