飞扬南石：国产光刻机历史与认知

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。

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。

中国1972年就造出了光刻机文章的内容很多，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。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叉一样地看着你？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：

网络奇文：40年前美国第一，中国第二……不知不存在的玩意怎么付诸东流？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：

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。

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 。

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。分页标题

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。

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：

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。

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？看看原文分页标题

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.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.

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。

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：

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？