俄罗斯，死磕光刻机

半导体行业观察2024-12-20

俄罗斯芯片行业的发展并非一帆风顺。早在2013年，俄罗斯超级计算机制造商T-Platforms就因技术出口问题遭到美国封禁。为了摆脱对美国X86平台的依赖，俄罗斯开始押注MIPS和ARM架构，成立了专注处理器研发的公司——Baikal Electronics。然而，受限于俄罗斯自身的芯片制造能力，Baikal的处理器只能依赖台积电代工。2021年，美国对俄罗斯实施新一轮制裁，导致Baikal的芯片...

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Electronics于2023年宣布破产，这款俄罗斯芯片似乎注定难逃夭折的命运。然而，近日Baikal-S的回归让这一切重新燃起希望。Baikal-S处理器芯片尽管其16nm工艺无法与当前的5nm、3nm技术相比，但Baikal-S在某些特定领域已经达到了实用水平，足以满足中低端服务器和特定工业应用的需求。对于俄罗斯而言，这款处理器的价值不仅在于技术性能，而更在于其象征意义。正如许多人所说，“有些东西，只有是自己的，才用得安心。”众所周知，在国际半导体产业链中，合作是实现技术突破的重要途径。然而，受制于制裁和地缘政治因素，俄罗斯难以像其他国家那样通过国际合作实现技术飞跃。这意味着，俄罗斯必须在有限的条件下独立发展相关技术。除了芯片之外，光刻机作为芯片制造中的关键核心，其技术复杂度和精密程度决定了芯片的制造能力。在这个领域，荷兰的ASML一直是当之无愧的王者，凭借其先进的极紫外光(EUV)光刻机技术，在全球高端光刻机市场上占据主导地位，几乎垄断了7nm及以下先进制程芯片的生产。此外，佳能和尼康也在积极布局，试图在光刻机领域保有一席之地。随着俄乌战争的纠缠，欧美的新一轮制裁加剧了俄罗斯的缺“芯”程度，加速了俄罗斯自建独立芯片产业的决心和过程。因此，光刻机成为了俄罗斯重点关注的焦点，力求在这一关键技术领域实现自主可控。俄罗斯光刻机发展历程回顾面对西方国家的技术封锁，尤其是ASML等光刻设备供应商的出口禁令，俄罗斯政府制定了宏大的芯片产业发展蓝图，旨在通过提升本土化生产能力，减少对外部技术的依赖。这一战略目标在2024年取得了实质性的成果，即首台350nm光刻机的问世，意味着俄罗斯在半导体产业链上向前迈进了一大步。但俄罗斯首台光刻机的诞生并非一蹴而就，而是经历了长期的技术积累和推动。实际上，早在上世纪70年代，当时的苏联就已经掌握了EUV照相光刻的技术。即使在苏联解体后，俄罗斯的科学家们也一直在该领域默默耕耘，为\"EUV光刻机\"的关键技术开发做出了重要贡献。事实上，EUV光刻机拥有三大核心技术——光源、投影物镜、工件台。其中最大的难点在于光源，俄罗斯正是这一领域的佼佼者。国际光源三巨头除了德、日，另一个就是俄罗斯的圣光机。荷兰ASML研究EUV光刻机时就使用了俄方技术，比如早期研究的光源理论来自俄罗斯科学院，同时俄罗斯向其提供了大量的光学器件。直到今天，ASML还和俄科院光谱学研究所（ISAN）仍保持着密切合作，在EUV光源产品上，就连英特尔、台积电都离不开俄方合作。此外，俄罗斯科学院的微结构物理研究所还为荷兰开发了多层镜制造技术，这在当时算得上是一个了不起的成就。除了光源，在工作台方面俄方也有“后台”。白俄罗斯的Planar是东欧最大的半导体公司，其总经理曾表示：“全世界只有两家公司能够生产灵敏度高达06-0.15nm的传感器，一家来自美国，另一家就是我们。”从以上梳理不难看出，俄罗斯在EUV光刻光源核心技术上，的确已经拥有了一定基础，相关科研机构在ASML所动员起来的泛欧EUV攻关网络中有着长期而深入的参与。当然不可否认，其各项技术产业化水平还不高，更多停留在基础研究和样件试制阶段，在做出自主研发EUV光刻机的决策后，把理论落实到工程无疑还有很长的路要走，不过俄罗斯的努力，依然值得我们密切关注与借鉴。时间来到2010年，彼时的ASML已经将第一台预生产的极紫外（EUV）光刻机出货，而这时俄罗斯一个物理研究所IPM也正在研发极紫外光刻机的系统和原件，甚至已经弄出来了装置原型的搭建。然而，俄罗斯的这个项目还在布局阶段就已经宣告结束了。理由其实很简单，首当其冲地就是西方国家对俄罗斯实施的技术禁运和制裁，无疑会给他们的研发带来困难。尤其是俄乌冲突爆发以来，美国联合欧洲国家对俄罗斯实施了全方位、全领域的制裁。一个国家基本无法单独研发EUV光刻机，而ASML之所以能完成，是因为它背后是全世界供应商的共同努力。然而，在面临国际制裁和技术封锁的持续影响下，尽管俄罗斯在光刻机领域受到重重阻碍，但依旧没有停止探索的步伐。“曙光”初现，成功推出350nm光刻机多年来，通过国家实验室和科研机构的支持，俄罗斯光刻设备制造企业通过不断攻克关键技术难题，逐步实现了一系列突破。2022年，俄罗斯科学院下诺夫哥罗德应用物理研究所 (IPF RAS) 宣布，正在开发俄罗斯首套半导体光刻设备，并对外夸下海口：这套光刻机能够使用7nm生产芯片，可于2028年全面投产。当时，IPF RAS计划在六年内打造出俄罗斯自产7nm光刻机的工业样机，2024 年将创建一台“Alpha机器”，2026创建\"测试机\"，2026-2028年俄罗斯本土光刻机将获得更强大的辐射源，改进的定位和进给系统，并将开始全面的工作，2028年，这些设备全面运行。时隔两年，俄罗斯虽然距离2028年自产7nm光刻机的“海口”距离尚远，但这一承诺已初现曙光。2024年5月，俄罗斯联邦工业和贸易部副部长瓦西里·什帕克（Vasily Shpak）证实，第一台能生产最大350nm（行业惯称0.35μm）芯片的光刻机已成功组装并进入测试阶段，标志着俄罗斯在芯片制造领域取得实质性突破。俄罗斯接下来的目标是在2026年制造可以支持130nm工艺的光刻机。再下一步，俄罗斯将继续逐步向90nm及以下迈进。尽管相较于目前全球主流的先进水平，如5纳米、7纳米工艺，俄罗斯的这一成果尚显落后，但其在特定领域仍具有实际应用价值。尤其是对俄罗斯而言，350nm芯片虽不如现代尖端产品先进，但足以满足汽车、能源、电信等特定行业需求，且成本效益高，生产周期短，稳定性经时间考验。这也标志着俄罗斯在追求半导体产业自主性方面迈出了一大步。在全球半导体供应链紧张、地缘政治复杂多变的背景下，这项成就为俄罗斯减少对外部技术的依赖提供了可能。电子工程世界对此有报道指出，350nm（0.35μm）诞生于1995年，现在依然拥有产品应用，主要是一些不太刚需制程的特色工艺产品，比如模拟芯片、功率半导体、传感器或者低端MCU、军工产品。作为对比，半导体制程工艺发展史简单总结如下：1971年，10μm工艺是当时最高工艺，代表芯片是Intel 1103 DRAM、4004 CPU（1971）、8008 CPU（1972）;1974年，步入6μm工艺，大名鼎鼎的Intel 8080便采用这一制程；1977年，3μm工艺开启元年，从此x86处理器Intel 8086（含8085、8088）正式诞生；1982年 1.5μm工艺用在Intel 80286上，1985年 1μm工艺用在Intel 80386上，1989年，0.8μm工艺用在Intel 80486上；1995年，0.35μm（也就是350nm）工艺开启元年，Pentium P54CS、IBM P2SC（1996）、IBM POWER3（1998）都采用了这一工艺；1997年，主节点为0.25μm工艺，开始引入国际半导体技术路线图（ITRS）主节点和半节点定义，即：1998年半节点220nm工艺，1999年主节点0.18μm工艺（180nm），2000年半节点150nm工艺；2001年，130nm是当时的主节点，典型芯片是130nm的奔腾3处理器，2002年半节点为110nm工艺；2004年，步入90nm元年，英特尔、英飞凌、德州仪器、IBM、联电和台积电基本都能达到90nm，典型芯片包括90nm的奔腾4处理器；2012年，制程步入22nm阶段，此时英特尔，联电，联发科，格芯，台积电，三星等厂商都具备生产能力；2015年联电止步于14nm，2017年英特尔卡在了10nm，2018年格芯放弃7nm，此时先进制程的战场只剩下台积电和三星；2019年6nm量产导入，2020工艺5nm开始量产，而国内也开始量产14nm芯片；2024年，随着英特尔开始重新重视制程技术，英特尔、台积电、三星正在争夺2nm的先发地位。俄罗斯工业和贸易部并不觉得没有掌握更先进的工艺有什么问题，Vasily Shpak认为，<45nm的工艺只对处理器和存储器有意义，而这些只占10-15%。而所有其他微电子器件，包括微控制器、电力电子器件、电信电路、汽车电子以及许多其他器件，因为技术和成本的原因，将在未来许多年内对65-350nm的工艺保持需求，而且占市场的60%。对于现阶段的俄罗斯来说，这台光刻机的问世不仅可以使其一定程度摆脱西方制裁，更给予了俄罗斯国内极大的信心，未来将大幅减少对外依赖。俄罗斯光刻机，再曝新进展对于高端光刻机攻关，不少人抱有着一种朴素的信念：既然ASML已经证明了LPP-EUV技术路线走得通，就好像一道别人已经解出来的难题，作为亦步亦趋的后来者只要资源投入足够多，再复杂的工程问题也总能解决。这样的想法，确实在大部分情况下都是成立的，学习消化再创新的效果毋庸置疑。但与此同时，集成电路、工业软件、量测仪器等领域存在的“卡脖子”现象足以提醒我们，某些对于基础理论积累要求很高的环节，“理论不够，工程来凑”也有其局限性，原理理解不充分的情况下，工程成本、进度乃至最终结果将面临巨大不确定性。深谙此道的俄罗斯，依托其在高能激光、等离子体物理基础研究上的积累，在光刻机研发上选择了一条颇具特色和“章法”的新路。据cnews近日消息报道，俄罗斯科学院微结构物理研究所（IPM RAS）提出了一项新计划，旨在制造比荷兰ASML公司更经济、更高效的光刻机。据介绍，该光刻机旨在打造“高性能X射线光刻发展新概念”，俄罗斯选择不完全复制ASML的技术路线，而是开发工作波长为11.2nm的新型光刻设备，而非ASML的13.5nm，以降低研发成本并简化制造流程，并将设备的分辨率提高20%。俄罗斯有众多机构，在参与这项复杂庞大的项目此外，IPM RAS计划用氙代替锡作为激光等离子光源，这将显著减少光学元件的污染，并延长昂贵零部件如反射镜和保护膜的使用寿命。该计划分为三个阶段：第一阶段：技术突破进行科学研究与工程设计，解决关键技术难题，提出纠正技术解决方案的建议。制定合作框架和设备清单，为后续阶段奠定基础。创建光刻实验样本，以测试真实技术流程中的所有元素，开发抗蚀剂并开发使用 X 射线光刻形成纳米结构的技术。NCFM参与了波长为11.2nm的光刻机的开发（来自NCFM演示的框架）第二阶段：实验验证制造用于测试的实验性光刻设备，并整合X射线光刻技术。集成高效多镜头投影系统和多千瓦激光器，用于200/300毫米晶圆的工艺测试。第三阶段：产业化开发适合工业应用的高性能光刻设备，计划量产直径300毫米晶圆的设备，生产能力超每小时60片。文件中没有指定各个阶段的时间安排。不过，CNews报道了RAS应用物理研究所于 2022 年 10 月开始进行光刻工作的情况。预计到2028年，该设备将全面运行，能够生产使用7nm拓扑的芯片，效率预计比ASML光刻机高1.5-2倍。为了支持这一项目，俄罗斯科学院已经向其提供了约100亿卢布的信贷支持，并资助了两家企业，分别是在集成电路成套工艺方面领先的Integral公司和在精密光刻设备领域拥有丰富经验的Planar公司。此前，俄罗斯政府启动了一项国家计划，俄罗斯工业和贸易部在2023年10月提出了一份路线图。根据该路线图，俄罗斯将在2028年开始量产28nm芯片，并在2030年开始生产14nm芯片，对尽可能多的外国芯片进行逆向工程，并培养本土人才从事国产芯片替代工作。同期，据俄罗斯媒体援引俄新社报道，圣彼得堡理工大学的研究人员开发了一种国产光刻复合体，包括两个设备，一个是在基板上进行无掩膜的光刻装置，另一个是硅的等离子体化学蚀刻设备。该设备的成本令业界惊讶，用于无掩膜光刻的设备成本仅为500万卢布（约合36.6万人民币），另一种工具的成本暂未公开。要知道，一台ASML的DUV价格是8000万美元（约合人民币5.8亿元），而EUV价格更是高达1.9亿美元（约合人民币12亿元）。价格悬殊可谓巨大。从技术思路上来评价，采用无掩膜光刻，意味着物镜系统可以得到很大简化，EUV光反射次数更少，损耗自然更小，连带着对光源输出功率的要求也可以放宽，因此无论选择锡源的传统方案还是氙源创新方案，至少ASML在提升光源功率和可维护性上耗费的天量资金、十余年时间以及积累的大量独家knowhow有希望被绕开。MEMS微镜调制的图案只需三片反射镜就能够投影于晶圆这一研发成果对于俄罗斯芯片的自给自足至关重要，圣彼得堡理工大学的专家表示，这将使“解决俄罗斯在微电子领域的技术主权问题”成为可能。俄罗斯开发的全新EUV光刻机，将计划使用X射线技术，不需要光掩膜就能生产芯片（现在ASML的EUV光刻机使用的是极紫外光）。与传统光刻技术相比，X射线光刻机无论是在经济成本还是时间成本方面，这项技术都便宜得多，因为传统光刻技术需要使用专门的光掩膜来获取图像。而X射线光刻机则不需要光掩膜，可以直写光刻，因此节省了一大笔费用。此外，X射线光刻机使用的X射线，波长介于0.01nm到10nm之间，比EUV极紫外光还要短，因此光刻分辨率要高很多。未来俄罗斯光刻机与现有ASML光刻机的特点对比该表将ASML制造的TWINSCAN NXE:3600D 光刻机的主要参数与IPM RAS正在开发的光刻机的预期参数进行了比较。可以看出，平均激光功率为3.6 kW，波长11.2nm下的预期性能将比ASML光刻机低约2.7倍。有专家指出，“对于非头部工厂来说，这个值已经足够了，考虑到芯片上的所有层中，X射线光刻仅用于几个关键层的形成。因此，这一概念的成功实施将实现在不牺牲分辨率的情况下提高用户X射线光刻的可及性的目标。”事实上，早在2022年4月，俄罗斯媒体就报道称，莫斯科电子技术学院 (MIET)承接了贸工部开发制造芯片的光刻机项目，该项目由俄罗斯政府首期投资6.7亿卢布资金（约合5100万元人民币）。研发的光刻机计划达到EUV级别，但技术原理与ASML的EUV完全不同，是基于“同步加速器和/或等离子体源”的无掩模X射线光刻机。2023年3月，俄罗斯科学院微结构物理研究所多层X射线光学系主任Nikolai Ivanovich Chkhalo在会上发表了一份报告“EUV光刻：俄罗斯发展的原则、现状和路线图”。在回答有关推广经典EUV光刻和无掩模光刻的问题时，Nikolai IvanovichChkhalo表示，在俄罗斯目前的研究框架和能力范围内，创造出MEMS振镜是不可能完成的任务。尽管进行了十年的研究，但仍无法令人满意地开发该技术。另一个技术方向——四百层X射线透镜——俄罗斯有可能创建它。尽管拥有优势，但X射线设备的生产能力和效率与ASML的机型相比仍显不足，不过在特定场景或小规模芯片生产中具有实用性。俄罗斯科学院微结构物理研究所副所长尼古拉·奇卡洛表示，作为光刻技术的全球领导者，ASML已研发其EUV光刻系统近20年，该技术已被证明非常复杂。而且，晶圆设备不仅限于光刻机，还需要有其他类型的设备用于执行蚀刻、沉积、光刻胶去除、计量以及检查操作，此外还有一些不太先进的设备，这些大部分都来自于西方市场。也就是说，即使俄罗斯成功制造出光刻机，仍需要数百台设备来建造一座现代化晶圆厂，而目前西方已经彻底切断了对俄罗斯的供应。但无论如何，俄罗斯为了实现半导体产业自主可控，首先加大了对光刻机领域的投入和支持，尽管目前350nm的工艺并不先进，但对于此时的俄罗斯来讲已经非常重要了。俄罗斯在光刻机技术领域虽然面临技术封锁和人才不足的挑战，但凭借国家政策的支持、技术积累和国际合作，逐步在这一关键技术领域取得了进展。未来，俄罗斯将继续加大对光刻设备技术的研发投入，努力实现从中低端到高端设备的跨越式发展。通过持续的创新和广泛的国际合作，俄罗斯有望在光刻机技术领域取得更大突破，为全球半导体产业的发展作出积极贡献。昔日微电子霸主，能否重拾辉煌？苏联曾是世界上微电子技术最强大的国家之一，甚至一度领先美国。然而，苏联解体后，大量科研人才前往美国，俄罗斯在经济衰退、政治不稳的局势下，微电子产业也逐渐走向衰败。尽管如此，以及多年来面临西方制裁，包括资金不足和人才匮乏等诸多困境，俄罗斯并没有就此摆烂，为了避免技术受制于人，这些年来依然在潜心搞研发，渴望厚积薄发扭转局面。尤其是在光刻技术上，俄罗斯决心通过创新路线图来突破目前的困局，并希望在2028年前完成研发工作。若这一进程顺利，俄罗斯可能会成为中小型芯片制造商的重要设备供应商为全球芯片生产提供新选择，也为整个行业格局带来新的变化。总体而言，面对卡脖子，俄罗斯坚持自主研发、另辟蹊径的精神依然值得敬佩。俄罗斯这一光刻机的研发方向在技术上具有一定的创新性，若能克服各项挑战，真的在X射线光刻技术上取得突破，将可能重写全球半导体产业的竞争态势。随着芯片制造的需求不断增长，这一新兴市场对于技术自主权和性价比优化的要求也愈加迫切。未来，俄罗斯有望在全球芯片制造竞争中占据一席之地，成为新兴市场的重要参赛者。俄罗斯绕开ASML的技术钳制，对于我国半导体产业的发展也是一个启发。但相比之下，我国科技界、产业界对俄罗斯的认识，似乎还普遍有所滞后。在一篇分析中俄科技创新合作风险挑战的权威文章中，作者忧心地指出：“俄罗斯在基础研究、核能技术、空间科学技术、新材料、生物技术等众多领域拥有雄厚实力并取得了令人瞩目的成绩，但我国某些产业界，甚至科技界本身对俄罗斯科技水平都缺乏足够认识和应有评价，存在贬低俄罗斯科技实力而盲目推崇西方的倾向，在寻求科技合作伙伴时，往往优先考虑美、欧、日，对俄罗斯却不予重视，常常多方寻觅无果后才把目光转向俄罗斯，贻误了合作时机”。值得注意的是，随着俄乌冲突爆发，俄罗斯科技界正常的国际交流活动遭到了全面围堵打压，从奥数竞赛到学术会议，“将俄罗斯科学与国际合作隔离的企图将反映在所有指标中”，当数百名俄罗斯科学家被从欧洲核子研究中心（CERN）驱逐，标志着这种歇斯底里的抵制达到了顶点。但也正是在这种刺激下，俄罗斯科学研究与高技术产业发展，似乎正焕发出新的气象，或者说，重新唤起一种民族的坚强韧性。在工业母机、关键软件等领域，俄罗斯国产替代工作业已全面铺开。而光刻机，正是这一浪潮的小小缩影。","kind":"news","is_publish_news":true,"is_publish_highlight":false,"is_publish_live":false,"is_publish_wemedia":null,"editions":null,"column":"","sentiment":"0","news_tag":"","news_rank":0,"symbols":[],"gpt_button":0},"commentList":[],"isCommentEnd":true,"newsSizeData":{"likeSize":0,"commentSize":0,"repostSize":0,"favoriteSize":1,"likeStatus":false,"favoriteStatus":false},"APP":{"userAgent":"Mozilla/5.0 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