灿芯吴汉明:光刻工艺被“垄断”，其究竟“难”在哪里？

    3月5日上午9时，十三届全国人大一次会议在人民大会堂开幕，今年的政府工作报告提出，全面实施战略性新兴产业发展规划，加快新材料、人工智能、集成电路、生物制药、第五代移动通信等技术研发和转化，做大做强产业集群。

    “振兴制造业”是目前世界上主要工业国家维持其经济发展、保护国家安全的主要措施之一。而在制造业中，集成电路制造集中体现了工业革命化的各种特征，是制造业革命的基石。

    令人堪忧的是，由于我国的产业规模过小，技术发展滞后，无法满足国内市场的旺盛需求，导致我国的集成电路进口额每年大幅上升——仅在2013年上半年进口总额达到1100多亿美元，超过了原油，成为第一大进口产品，相当于铁矿石+粮食+铜+成品油四大战略物资进口的总和。

    近几年，这一数字更是跃至2300亿美元。高额数字背后，不禁让人担忧，我国集成电路的发展现状究竟如何？如何能摆脱依赖进口的窘境？

    日前，科技日报记者专访了灿芯创智微电子技术（北京）有限公司总裁、中芯国际集成电路制造有限公司顾问吴汉明，让他出招如何才能破解集成电路的发展之困。

    从无到有经历四个奋进阶段

    吴汉明说，在集成电路制造产业领域，我国还处于“追赶”时代。

    从无到有的创业历程，可分为四个阶段：

    1965年-1978年，自力更生、自我发展。1974年到1977年，我国在北京、上海和贵州接连召开了三次全国性会议，部署了以计算机和专用系统配套为目标，以开发逻辑电路为主要产品的发展思路，初步建立了集成电路工业基础及相关设备、仪器、材料的配套条件。

    1978年-1990年，改革开放、“治散治乱”。这一阶段，我国引进国外二手设备，改善集成电路装备水平，在“治散治乱”和“建设南北两个基地一个点”中，以消费类整机作为配套重点，解决了彩电集成电路的国产化。

    1990年-2000年，重点建设、求得发展。我国以908工程、909工程为重点，以CAD为突破口，抓好科技攻关和北方科研开发基地的建设，行业取得了跨越发展。

    2000年-2010年，改善环境、跨越发展。国务院颁布“国发【2000】18号文”，中芯国际等一批先进制造企业成立，随着第二代居民身份证的开发成功与大量供货，与集成电路相关的国家重大科技01、02和03专项的实施，我国的集成电路产业技术从0.35um提升到28nm，实现了快速发展。

    吴汉明说，在这四个发展阶段中，前三个阶段中产业规模提升幅度很小，直至发展到第四阶段后，在相关政策支持和几代IC人的不懈努力下，通过引进、消化、吸收、再创新，依托中国的市场，国内的大生产制造工艺技术达到了世界先进主流制造的28纳米技术节点，比最先进的16纳米FinFET相差约两代。在国家重大专项支持下，产业链建设初具规模。

    这份答卷是值得骄傲的。

    实现质的飞跃在于扩大规模

    “然而，摆在我们面前更严酷的事实是，我们与世界先进制造企业的技术和规模差距没有明显缩小。”吴汉明说。集成电路是一个需要持续高投入的产业，扩大规模更需要提高投入。

    据了解，Intel从2010年到2012年，每年资本投入分别是52亿、108亿和125亿美元。同样，三星在扩充产能上的投入也是不遗余力，三年来每年投入96亿、118亿和131亿美元。而台积电的这一数据分别为59亿、73亿和83亿美元。

    为什么这些企业对于扩大规模是如此的不遗余力？吴汉明给出了答案：“规模将决定产业的生存质量。”

    他提供了一组数据：投入1条产能3万片45/40纳米产品的300毫米硅片生产线相比投入2条月产能1.5万片的生产线，，前者建厂成本可以节约25%（约10亿美金），运行成本可低40%，新一代技术转移可节省2亿美金，环保效率(排放温室气体等)可以提高约1/3。

    “所以，无论从投资、运行成本以及环境保护的角度来看，规模生产是取得行业竞争胜利的先决条件，集成电路芯片制造规模的重要性是不言而喻的。”吴汉明说。

    反观我国的集成电路企业，以中芯国际为例，由于受到资金能力限制，三年来总共投入15亿美元。其资本投入由2005年世界龙头企业的40%降至2012年的6%。相应的，产能从2005年为世界龙头企业的1/6降至1/10，其增长远远赶不上世界产业发展速度。

    “这种以产能规模为主体的竞争格局不断强化，使得我们处于起步阶段的集成电路芯片产业，像一个瘦弱的孩童，在未来的竞赛中，很容易被身强力壮的成人对手远远抛在身后。”吴汉明说。

    因此，我国集成电路产业发展的首要问题是——扩大产业规模。吴汉明说，有了规模，意味着技术可以通过规模产生的效益得到支持，再在产业化中实现新技术应用；有了规模，意味着对新技术的应用推广也有了更多的话语权，如此便形成了良性循环。

    与规模直接挂钩的是资金投入。目前，我国相关部门已成立了集成电路产业基金（简称大基金）。

    “有了大基金，地方政府也会投资，加上市场上的自由资金，这样就能解决一部分资金的困难。”吴汉明说。

    产业发展还面临着三大挑战

    除了规模扩大和资金投入，有人还这样形容集成电路制造业：投入几千亿不算大数目，并且不能指望今年投资明年就能赚钱。

    “这并不是夸大其词。在严酷的现实面前，我们有必要认识集成电路制造业究竟面临怎样的挑战与困难。”吴汉明说。

    首先，在战略性产业层面，吴汉明介绍，集成电路制造业属于战略性产业，因此受到一些政策的限制。比如，发达国家的政府会给予制衡，不对外出售高端设备，对尖端设计工序进行保密。

    我国只能选择自主研发之路，从原材料、设备、制造工艺、设计等整条生产链条都要我们“自己做”。

    而产业特点要求芯片制造产业进入世界市场竞争，这带来了更大的挑战。“世界龙头企业在市场方面也会‘封杀’我们。”吴汉明说，具体的表现是当我国的产品投入市场后，并不容易得到市场龙头企业的认可，并面临被指控侵权的风险，这种通过知识产权大棒封杀新生企业的世界市场潜规则使得这个产业的发展必须建立具有抗打击能力的自主知识产权体系。

    “战略性的应对方式是必须要有自主制造的装备，自己建造起一条相对完整的生产链；产业方面则需建立完善的核心知识产权和IP系统，从而更好的保护自己。”吴汉明说。

    其次，在技术层面，吴汉明说，我们需要制造出“极小型和超大型”的组合。目前，集成电路工艺技术已能做到在小手指甲盖大小的面积上做出10亿个以上的晶体管，“集成电路几乎逼近制造的物理极限了。”他说。

    “超大型”则体现在硅片制造上，“几百亿个晶体在一张300毫米的硅片上同时做出来，误差不能超过纳米级，技术难度非常大，相当于太空看地球上厘米的精度。”吴汉明说。

    第三，在产业链层面，吴汉明说，其涉及学科非常宽泛，比如从原材料的挖矿采集、提炼，到设计，再到最后的工程制造，整个过程涵盖物理、化学、电子学、材料学等所有理工科的大学科。

    这三个挑战的同时汇聚使集成电路制造业成为了一个投入大且回报周期长的产业。

    “这个就需要团队艰苦、持久、努力的工作，并需要大量的世界级人才集聚协同研发，而且对于结果，还并非投入了能做出来。”长期身处科研一线的吴汉明对此深有感触。

    突破瓶颈需迈过三个关键“坎”

    产业所面临的三大挑战可谓已经是异常严峻，再聚焦集成电路制造，其复杂和艰难程度更是呈线性上升，突破瓶颈更需迈过三个关键的“坎”。

    首先，就是生产国产设备。“发展一个产业，设备是基础。”吴汉明说，在我国集成电路领域，到目前为止，90%以上的设备、材料都是进口的。这一比例在20年前是100%进口，经过了国家重大专项支持和几代科研者的努力，我国从100%进口装备和材料，拓展出了10%的国产化空间。吴汉明说，这是很了不起的进步。

    在我国集成电路制造领域还有这样一组数据：在建立芯片生产线时，有60%以上的投资都用来购买进口装备。“我国也正在做装备研发，国家重大专项02专项就专门研发工艺装备，有些成果已用于大生产线上，取得了很大进展，但是在高端装备制造上，我国还是没有跟上世界产业发展的节奏。”他说。

    其次，是制造芯片。吴汉明说，在进口的装备和材料的基础上，通过上千步的物理化学过程（工艺过程），将芯片制造出来。若每一步制造的合格率是99.9%，不相关概率相加原理，最后出来的成品率趋于零，这就要求了每一步都要达到非常高的合格率。

    此外，工艺制造中最难的是光刻工艺，据悉，全球范围内，只有荷兰一家公司具备批量生产先进曝光设备的能力。

    光刻工艺被“垄断”，其究竟“难”在哪里？

    吴汉明坦言，这里面涉及到了诸多光学和精密机械技术，光刻机的制造技术是制造业的“皇冠”，是非常难的。最新的光刻技术EUV，产业中需要的曝光能量约15mJ/平方厘米，那就是每平方纳米上只有约十多个光子，因此需要严格控制光子个数，几个光子的误差就会造成图形边界的致命粗糙度。这无疑对集成电路制造工艺提出了更高的控制要求，难度更是可想而知的。

    “所以，在整个生产制造的上千步工艺里，都需要有一流的控制技术。其次，产业里涉及到许多的技术难点，仅攻克了两三个难点对产业帮助有限，只有全线突破，才能使产业整体实力提升。”吴汉明强调。

    拥有了国产装备，具备了相应的工艺制造能力，下一步就是要根据这些现有的条件进行设计。这便产生了设计“IP核”概念，也称“知识产权核”，即指某一方提供的、形式为逻辑单元、芯片设计的可重用模块。IP核通常已经通过了设计验证，设计人员以IP核为基础进行设计，可以缩短设计所需的周期。目前，我国90%以上的设计IP都是进口的。所以建立一个公共的IP设计服务平台是集成电路产业发展中不可缺少的重要环节。

    “这三道‘坎’是我国芯片制造的瓶颈，产业整体需要实现基本自主可控。如果完全依靠进口，未来不可预测事情发生时，我们的产业就面临着崩盘的危险。”吴汉明不无担心地说。

    脚踏实地逐梦中国 同舟共济未来可期

    多年来，我国集成电路芯片制造的龙头企业在国家“十一五”和“十二五”的科技重大专项的持续支持下，坚持以企业为主体，以市场为导向，通过产学研结合开展产业技术研发，使得集成电路制造产业发展出了四代技术——从90纳米技术水平发展到28纳米。

    吴汉明说，这有力地支持了我国IC 产业链的整体发展，大幅度地提高了芯片制造技术的水平，为我国集成电路产业链上游的设计公司提供了高端的制造平台，从而逐步真正实现了“中国创造”的产业模式。

    同时，基于芯片制造业的核心地位，获得发展的高端芯片制造平台除了支持设计企业发展以外，还可为下游的设备和材料企业提供必要的工艺验证基础，发挥着“承上启下”的作用，为我国的集成电路产业整体发展，包括装备和材料的发展，提供了巨大的支撑。

    “相信只要加大研发投入，尽快地实现研发成果大规模产业化转化，积极发展集成电路制造产业的核心支柱——芯片制造产业的规模，并依托具有中国特色的产业联盟，我国集成电路产业将进一步夯实在世界产业舞台上的地位，逐步实现集成电路芯片制造产业的‘中国梦’。”吴汉明对未来充满了憧憬。