9月份的時(shí)候,蘋(píng)果發(fā)布會(huì)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(dá)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(dá)到如此巨量的地步,其中的功勞都要?dú)w功于半導(dǎo)體行業(yè)的光刻機(jī)。

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(jī)的技術(shù)決定著整個(gè)行業(yè)的發(fā)展與未來(lái)!

光刻機(jī)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(duì)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(tái)EUV極紫外高端光刻機(jī)僅僅是單價(jià)就可達(dá)數(shù)億美金,其中光是精密零部件數(shù)量就高達(dá)上萬(wàn),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(dòng)化、高分子物化,、圖像識(shí)別處理等,可以說(shuō)是集全球之大成,我們稱(chēng)之為半導(dǎo)體集成電路的明珠并不為過(guò)!

千分之一頭發(fā)絲粗細(xì)的極限工藝

在半導(dǎo)體集成行業(yè),通常面板(FPD)光刻機(jī)工藝精度可以達(dá)到微米級(jí),而晶圓芯片行業(yè)生產(chǎn)工藝的精度更是精細(xì)到nm級(jí),。這種精度非要形容的話(huà),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(guò)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(guò)程中的對(duì)位補(bǔ)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(méi)有光刻機(jī)技術(shù),就沒(méi)有芯片,。

現(xiàn)代工業(yè)的“石油”

自二十一世紀(jì)的以來(lái),國(guó)內(nèi)的最大的商品進(jìn)口項(xiàng)目逐漸由石油原油轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮有酒?而芯片也常常被稱(chēng)為現(xiàn)代工業(yè)的“石油”。

據(jù)統(tǒng)計(jì),光是在2018年國(guó)內(nèi)對(duì)芯片的進(jìn)口金額已高達(dá)3000多億美元,占了全球一半以上的芯片消費(fèi)量,。

國(guó)內(nèi)在半導(dǎo)體集成行業(yè)上國(guó)產(chǎn)環(huán)節(jié)薄弱,極度依賴(lài)進(jìn)口,。這些足以說(shuō)明,國(guó)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(shí)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(guó)內(nèi)的痛楚。也難怪,上世紀(jì)七八十年代左右,西方世界對(duì)國(guó)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(chǎng)開(kāi)放后就開(kāi)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(guó)外《瓦森納協(xié)議》限制高精尖技術(shù)流入中國(guó),國(guó)內(nèi)部分企業(yè)已陷入低水平重復(fù)建設(shè),、購(gòu)買(mǎi)淘汰產(chǎn)線(xiàn)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(zhuān)注 更需要開(kāi)放創(chuàng)新

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

在2000年之前的十多個(gè)年頭,光刻機(jī)領(lǐng)域幾乎可以說(shuō)是尼康精機(jī)的后花園,而ASML連百分之十的市場(chǎng)占有率都很勉強(qiáng),。

而在這一期間,光刻機(jī)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(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)光刻光源波長(zhǎng)由193n m氟化氬激光縮短到157n m,。(這里單獨(dú)解釋一下,宏觀(guān)上通常光學(xué)系統(tǒng)中的光源波長(zhǎng)越小,光學(xué)系統(tǒng)的成像分辨率會(huì)更高,而光刻機(jī)中的微影技術(shù)也可以獲得更精細(xì)的制程能力)

就在整個(gè)半導(dǎo)體業(yè)界人士集體往157n m光源的“南墻”上撞的時(shí)候,時(shí)任臺(tái)積電的林本堅(jiān)研發(fā)團(tuán)隊(duì)則向ASML展示了獨(dú)具創(chuàng)新的“浸潤(rùn)式”光刻方案。其大致原理也就是將光刻機(jī)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(lái),根據(jù)水的折射率約1．4,可大致推算出193n m波長(zhǎng)等效縮短為132n m,這樣就可以輕松得到波長(zhǎng)更短的光源,。

這項(xiàng)方案在當(dāng)時(shí)優(yōu)勢(shì)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(jìn)行改造,因此研發(fā)資金投入相對(duì)較少,對(duì)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(duì)這種“浸潤(rùn)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(duì)于光刻機(jī)解像分辨率的提升十分有效。

其實(shí)林博士很早就提出過(guò)這種方案,但當(dāng)時(shí)干式微影技術(shù)這一方向由于未觸碰到波長(zhǎng)天花板,大家也是屢試不爽,因此根本就沒(méi)在意這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù),。

最終在十多年后,林本堅(jiān)博士在荷蘭阿斯邁爾找到了知音,同時(shí)也得到了摩爾定律的堅(jiān)定擁護(hù)者—老牌半導(dǎo)體廠(chǎng)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(tái)浸潤(rùn)式微影光刻機(jī)。

雖然尼康也不甘示弱,硬著頭皮研制出來(lái)全新的干式微影技術(shù)以此實(shí)現(xiàn)157n m制程能力,。但是和132n m的浸潤(rùn)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(jìn)行改進(jìn),因此阿斯邁爾自此在光刻機(jī)市場(chǎng)大受青睞,而尼康從這個(gè)技術(shù)分水嶺后一蹶不振,。

隨后的EUV極紫外高端光刻機(jī)研發(fā)歷程中,尼康更是小角色都沒(méi)得當(dāng),直接被美國(guó)技術(shù)限制拒之于高端光刻機(jī)門(mén)外。

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

光刻機(jī)作為半導(dǎo)體行業(yè)的重要推手,代表著整個(gè)上游產(chǎn)業(yè)鏈的門(mén)檻,國(guó)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(guó)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(qiáng)大,必須要提升自己的硬實(shí)力。曾經(jīng)的好高騖遠(yuǎn),都應(yīng)該在這次華為制裁事件中,安穩(wěn)落地,踏踏實(shí)實(shí)砥礪前行才是王道,。

技術(shù)需要專(zhuān)注,更需要開(kāi)放創(chuàng)新。