9月份的時候,蘋果發(fā)布會上A14仿生芯片意外亮相,作為業(yè)界首款5nm制程的AI芯片,封裝集成了118億顆晶體管,而十月下旬華為發(fā)布的Mate40 Pro系列搭載的麒麟9000 5G Soc芯片晶體管更是高達153億顆,整整比A14多容納了三分之一的晶體管數(shù)量。為什么現(xiàn)在的芯片制程可以隨便達到如此巨量的地步,其中的功勞都要歸功于半導(dǎo)體行業(yè)的光刻機。

半導(dǎo)體集成電路的明珠

作為半導(dǎo)體集成行業(yè)的利器,光刻機的技術(shù)決定著整個行業(yè)的發(fā)展與未來!

光刻機根據(jù)其工作原理,可分為照明系統(tǒng)單元(IU)、掩膜板(Mask)硅片Scaner Stage、Lens Project投影系統(tǒng)、Auto Align對位系統(tǒng)、減震系統(tǒng)、環(huán)境溫濕度循環(huán)系統(tǒng)等單元構(gòu)成。

目前行業(yè)內(nèi)的一臺EUV極紫外高端光刻機僅僅是單價就可達數(shù)億美金,其中光是精密零部件數(shù)量就高達上萬,這里面涉及到的學(xué)科之多,包含了數(shù)學(xué)學(xué)、光學(xué)、流體力學(xué)、自動化、高分子物化、圖像識別處理等,可以說是集全球之大成,我們稱之為半導(dǎo)體集成電路的明珠并不為過!

千分之一頭發(fā)絲粗細的極限工藝

在半導(dǎo)體集成行業(yè),通常面板(FPD)光刻機工藝精度可以達到微米級,而晶圓芯片行業(yè)生產(chǎn)工藝的精度更是精細到nm級。這種精度非要形容的話,幾乎是一千分之一頭發(fā)絲大小。

因此在晶圓的光刻制程過程中,設(shè)備不論是光學(xué)系統(tǒng)的投影成像或是工藝掃描過程中的對位補償?shù)鹊?這些都是需要設(shè)備在硬件和軟件算法上有極高調(diào)配能力。

就目前僅有的技術(shù)而言,沒有光刻機技術(shù),就沒有芯片。

現(xiàn)代工業(yè)的“石油”

自二十一世紀的以來,國內(nèi)的最大的商品進口項目逐漸由石油原油轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮有酒?而芯片也常常被稱為現(xiàn)代工業(yè)的“石油”。

據(jù)統(tǒng)計,光是在2018年國內(nèi)對芯片的進口金額已高達3000多億美元,占了全球一半以上的芯片消費量。

國內(nèi)在半導(dǎo)體集成行業(yè)上國產(chǎn)環(huán)節(jié)薄弱,極度依賴進口。這些足以說明,國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的匱乏。

現(xiàn)象的背后是技術(shù)土壤的貧瘠

芯片之小,其制程已到納米,非人眼可識別的地步。正是這小小的一塊硅片,方寸間凝聚了現(xiàn)代信息集成電路的智慧結(jié)晶。

作為電子設(shè)備的心臟,芯片晶圓行業(yè)一直是國內(nèi)的痛楚。也難怪,上世紀七八十年代左右,西方世界對國內(nèi)全面技術(shù)封鎖的我們還被迫自主創(chuàng)新,到90年代市場開放后就開始以技術(shù)引入為主,漸漸的就失去了原有的創(chuàng)造力。

就目前非但國外《瓦森納協(xié)議》限制高精尖技術(shù)流入中國,國內(nèi)部分企業(yè)已陷入低水平重復(fù)建設(shè)、購買淘汰產(chǎn)線設(shè)備等爛尾潮流。

這種亂象背后,急需撥亂反正。

技術(shù)研究需要專注 更需要開放創(chuàng)新

早在上世紀90年代的時候,ASML還只是名不見經(jīng)傳剛從飛利浦分離出來的小公司,而日本尼康、佳能兩大公司分食著全球光刻機行業(yè)大半的市場。

在2000年之前的十多個年頭,光刻機領(lǐng)域幾乎可以說是尼康精機的后花園,而ASML連百分之十的市場占有率都很勉強。

而在這一期間,光刻機技術(shù)隨著摩爾定律的發(fā)展也遇到了瓶頸,那就是怎么改進技術(shù)實現(xiàn)光刻光源波長由193n m氟化氬激光縮短到157n m。(這里單獨解釋一下,宏觀上通常光學(xué)系統(tǒng)中的光源波長越小,光學(xué)系統(tǒng)的成像分辨率會更高,而光刻機中的微影技術(shù)也可以獲得更精細的制程能力)

就在整個半導(dǎo)體業(yè)界人士集體往157n m光源的“南墻”上撞的時候,時任臺積電的林本堅研發(fā)團隊則向ASML展示了獨具創(chuàng)新的“浸潤式”光刻方案。其大致原理也就是將光刻機光學(xué)投影系統(tǒng)模組間透鏡與硅片之間的傳播介質(zhì)由空氣替代為具有更高折射率的水。這樣一來,根據(jù)水的折射率約1．4,可大致推算出193n m波長等效縮短為132n m,這樣就可以輕松得到波長更短的光源。

這項方案在當時優(yōu)勢非常明顯,原因有二:其一,由于是利用現(xiàn)有的成熟光刻技術(shù)進行改造,因此研發(fā)資金投入相對較少,對于半導(dǎo)體設(shè)備制造商和晶圓芯片制造商都是不小的成本降低;其二,針對這種“浸潤式”技術(shù),傳播介質(zhì)不僅僅可以是水,還能替代為其他具有更高折射率的液體,這對于光刻機解像分辨率的提升十分有效。

其實林博士很早就提出過這種方案,但當時干式微影技術(shù)這一方向由于未觸碰到波長天花板,大家也是屢試不爽,因此根本就沒在意這項創(chuàng)新技術(shù)。

最終在十多年后,林本堅博士在荷蘭阿斯邁爾找到了知音,同時也得到了摩爾定律的堅定擁護者—老牌半導(dǎo)體廠商英特爾的埋單。隨后一拍即合,在2004年,研發(fā)誕生了全球第一臺浸潤式微影光刻機。

雖然尼康也不甘示弱,硬著頭皮研制出來全新的干式微影技術(shù)以此實現(xiàn)157n m制程能力。但是和132n m的浸潤式相比,前者幾乎為技術(shù)首創(chuàng),而后者則在以前成熟技術(shù)上進行改進,因此阿斯邁爾自此在光刻機市場大受青睞,而尼康從這個技術(shù)分水嶺后一蹶不振。

隨后的EUV極紫外高端光刻機研發(fā)歷程中,尼康更是小角色都沒得當,直接被美國技術(shù)限制拒之于高端光刻機門外。

正是由于對新技術(shù)的準確判斷與把握,加上各項前沿技術(shù)的不斷容納嘗試,ASML也一舉成為當今半導(dǎo)體設(shè)備行業(yè)的一大霸主。

光刻機作為半導(dǎo)體行業(yè)的重要推手,代表著整個上游產(chǎn)業(yè)鏈的門檻,國內(nèi)半導(dǎo)體如要擺脫目前這種困境,則須借助十三五規(guī)劃的春風(fēng)打破國外企業(yè)早期建立的技術(shù)壁壘。

在科技領(lǐng)域,要想真正強大,必須要提升自己的硬實力。曾經(jīng)的好高騖遠,都應(yīng)該在這次華為制裁事件中,安穩(wěn)落地,踏踏實實砥礪前行才是王道。

技術(shù)需要專注,更需要開放創(chuàng)新。