為什么光刻機(jī)比原子彈還難造

光刻機(jī)，這個(gè)生僻的工業(yè)制造設(shè)備名稱，在2020年成為了網(wǎng)絡(luò)熱搜詞：它和下一代工業(yè)革命的核心產(chǎn)品，芯片，關(guān)系密切。沒有高精度的芯片，那些改變?nèi)祟惿詈徒?jīng)濟(jì)的核心技術(shù)，如人工智能，虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）,物聯(lián)網(wǎng)，下一代無線通信，都不可能實(shí)現(xiàn)。

　　在下一次工業(yè)革命中，先進(jìn)的芯片技術(shù)是決定一切的核心

　　可以說，光刻機(jī)之于我們這個(gè)時(shí)代，如同蒸汽機(jī)，發(fā)電機(jī)，以及計(jì)算機(jī)之于前三次工業(yè)革命一樣重要，是衡量一國(guó)科技研發(fā)與工業(yè)水平的標(biāo)桿。不少專家指出，我國(guó)制造先進(jìn)水平光刻機(jī)的難度，堪比當(dāng)年制造原子彈。

　　微雕，以光為刀

　　那么，首先讓我們先來看，光刻機(jī)是什么？

　　阿斯麥公司生產(chǎn)的EUV光刻機(jī) | www.asml.com

　　光刻機(jī)，這臺(tái)可以賣到上億歐元的精密設(shè)備，是通過紫外光作為“畫筆”，把預(yù)先設(shè)計(jì)好的芯片電子線路書寫到硅晶圓旋涂的光刻膠上，精度可以達(dá)到頭發(fā)絲的千分之一。舉個(gè)例子，華為海思成功設(shè)計(jì)開發(fā)了麒麟系列芯片，想要真正做成手機(jī)芯片，就需要臺(tái)積電利用光刻工藝來進(jìn)行代工制造。

　　一臺(tái)荷蘭阿斯邁光刻機(jī)內(nèi)部的紫外光源 | www.asml.com

　　光刻的原理和過程一般是這樣的：首先制備出芯片電路圖的掩膜版，然后在硅片上旋涂上光刻膠，利用紫外光源通過掩膜版照射到光刻膠上。經(jīng)過對(duì)準(zhǔn)曝光后，紫外光照射到區(qū)域的光刻膠會(huì)因?yàn)榛瘜W(xué)效應(yīng)而發(fā)生變性，再通過顯影作用將曝光的光刻膠去除，下一步采用干法刻蝕將芯片電路圖傳遞到硅晶圓上。

　　光刻工藝直接決定了芯片中晶體管的尺寸和性能，是芯片生產(chǎn)中最為關(guān)鍵的過程。光刻機(jī)中的曝光光源決定了光刻工藝加工器件的線寬等特征尺寸，當(dāng)前市場(chǎng)主流采用深紫外(DUV，193 nm)光源，最先進(jìn)的是采用極紫外(EUV，13.5 nm)光源的的EUV光刻機(jī)。

　　現(xiàn)代光刻工藝一般包含硅晶圓的清洗烘干，光刻膠的旋涂烤膠，對(duì)準(zhǔn)曝光，顯影，刻蝕以及檢測(cè)等多重工序。由于現(xiàn)代芯片的復(fù)雜性，生產(chǎn)過程往往需要經(jīng)過幾十次的光刻，耗時(shí)占據(jù)了芯片生產(chǎn)環(huán)節(jié)的一半，光刻成本也達(dá)到了生產(chǎn)成本的三分之一。

　　阿斯麥，皇冠上的珍珠

　　聽完光刻原理和過程，你可能覺得這也沒什么啊，一臺(tái)光刻機(jī)怎么能比造原子彈還難?。?br/>

　　要知道隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)代高端手機(jī)芯片中的晶體管達(dá)到上百億個(gè)，華為5nm制程的麒麟1020芯片密度高達(dá)每平方毫米1.7億個(gè)。這樣的加工精度決定著光刻機(jī)是半導(dǎo)體制造過程中技術(shù)含量最高的設(shè)備，涉及到從紫外光源、光學(xué)鏡頭、精密運(yùn)動(dòng)和環(huán)境控制等多項(xiàng)世界各國(guó)頂級(jí)科技成就的運(yùn)用。

　　光刻機(jī)被稱為現(xiàn)代半導(dǎo)體行業(yè)皇冠上的明珠，現(xiàn)在單臺(tái)EUV光刻機(jī)配件多達(dá)10萬個(gè)，價(jià)格高達(dá)1.2億美元。當(dāng)前世界上光刻機(jī)市場(chǎng)的老大是荷蘭的阿斯麥ASML，占據(jù)了全球高端光刻機(jī)市場(chǎng)份額的89%，剩下的被日本的尼康和佳能所瓜分。而7納米以下的EUV光刻機(jī)市場(chǎng)則被阿斯麥完全壟斷，把尼康和佳能等競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手踢出場(chǎng)外。

　　環(huán)顧世界，能造原子彈的國(guó)家已經(jīng)很多，但高端的EUV光刻機(jī)，現(xiàn)在能制造的只有荷蘭的阿斯麥公司。一方面，一臺(tái)EUV光刻機(jī)10萬配件，集結(jié)了全球頂級(jí)技術(shù)，不是一個(gè)國(guó)家的技術(shù)儲(chǔ)備力量能夠獨(dú)立實(shí)現(xiàn)的。另一方面，光刻機(jī)畢竟只是生產(chǎn)工具，不像原子彈這樣的國(guó)之重器，可以不計(jì)成本靠舉國(guó)之力進(jìn)行制造，光刻機(jī)只是芯片制造中的一個(gè)環(huán)節(jié)，還需要上下游產(chǎn)業(yè)鏈的支持，能造出來不稀奇，重要的是還能靠它賺錢。

　　那小伙伴們的問題又來了，為什么全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展主力集中在美日韓以及中國(guó)臺(tái)灣，為何全球最大的光刻機(jī)設(shè)備提供商，竟然不是來自世界科技霸主美利堅(jiān)，而是荷蘭這個(gè)風(fēng)車之國(guó)？

　　其實(shí)，阿斯麥的前身屬于著名的電子廠商飛利浦，1984年才開始獨(dú)立運(yùn)營(yíng)。在阿斯麥早期發(fā)展時(shí)，就面臨著要和崛起的日本芯片廠商尼康和佳能的激烈競(jìng)爭(zhēng)，但阿斯麥把握住了國(guó)際風(fēng)云的變化，專注于光刻機(jī)核心技術(shù)的研發(fā)，通過與歐美大學(xué)以及研究機(jī)構(gòu)的合作，打造上下游利益鏈條，奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)，用了30年時(shí)間建立起了極高的技術(shù)壁壘。

　　對(duì)于荷蘭阿斯麥來講，與臺(tái)積電合作研制浸潤(rùn)式光刻設(shè)備機(jī)，就是它的諾曼底登陸之戰(zhàn)。

　　它抓住了這個(gè)技術(shù)發(fā)展關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)高端光刻機(jī)的技術(shù)突破，獲得芯片制造市場(chǎng)的主導(dǎo)地位。

　　2002年左右，傳統(tǒng)193 nm深紫外光刻機(jī)推進(jìn)到芯片的65nm水平時(shí)，遇到了前所未有的瓶頸。日本的微影雙雄尼康和佳能選擇的技術(shù)路線是：繼續(xù)降低曝光波長(zhǎng)，開發(fā)波長(zhǎng)更短的157 nm深紫外光刻機(jī)。

　　這時(shí)，臺(tái)積電的一名工程師林本堅(jiān)提出：以水為介質(zhì)可以制造浸潤(rùn)式光刻機(jī)，在鏡頭與晶圓曝光區(qū)域之間的空隙充滿高折射率的水，水對(duì)193 nm紫外光的折射率為1.44，從而實(shí)現(xiàn)在水中等效波長(zhǎng)為134 nm，從而一舉實(shí)現(xiàn) 45nm以下制程。

　　浸潤(rùn)式光刻機(jī)，這個(gè)想法是創(chuàng)造性的，但在技術(shù)上如何實(shí)現(xiàn)還是個(gè)大問題。

　　當(dāng)時(shí)，阿斯麥的主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手尼康和佳能，對(duì)浸潤(rùn)式光刻機(jī)前景并不看好，一直主攻更短波長(zhǎng)的深紫外光源。而阿斯麥則賭上了企業(yè)發(fā)展的命運(yùn)，與臺(tái)積電聯(lián)合攻關(guān)，經(jīng)過三年的全力投入研發(fā)，浸潤(rùn)式光刻機(jī)終獲成功，從而改寫了未來半導(dǎo)體十余年的發(fā)展藍(lán)圖，將芯片加工的技術(shù)節(jié)點(diǎn)從65 nm持續(xù)下降。光刻關(guān)鍵技術(shù)的重大突破，直接拉動(dòng)阿斯麥的市場(chǎng)占有率由25%攀升至80%，把尼康和佳能打的滿地找牙。

　　真正讓阿斯麥稱霸光刻機(jī)領(lǐng)域的戰(zhàn)役，是極紫外EUV光刻機(jī)技術(shù)的開發(fā)。

　　極紫外光刻的原理是20世紀(jì)80年代由日本人提出并驗(yàn)證的，但如何實(shí)現(xiàn)低成本的量產(chǎn)，是擺在日本和歐美各國(guó)半導(dǎo)體業(yè)界面前的巨大難題。

　　作為世界第一的科技霸主，美國(guó)面對(duì)當(dāng)時(shí)日本芯片產(chǎn)業(yè)的崛起，也是不能容忍的。出于國(guó)家安全和商業(yè)利益的考慮，為了奪取美國(guó)在半導(dǎo)體行業(yè)上的優(yōu)勢(shì)，為了在下一代半導(dǎo)體制程上把日本芯片企業(yè)趕出局，從EUV光刻機(jī)入手，美國(guó)政府和業(yè)界專門成立了復(fù)仇者聯(lián)盟，啊不，是EUV聯(lián)盟。由英特爾、AMD、摩托羅拉和IBM等業(yè)界巨頭，加上隸屬于美國(guó)能源部的桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室組成，可謂陣容強(qiáng)大， 共同攻克生產(chǎn)設(shè)備的難題。而歐洲30余國(guó)也緊跟潮流，集中了科研院所的研究力量，參與EUV光刻技術(shù)的開發(fā)。

　　荷蘭阿斯麥公司作為掌握光刻機(jī)系統(tǒng)集成和整體架構(gòu)的核心企業(yè)，自然成了歐美自家的小棉襖，順利趕上了歐美EUV技術(shù)研究發(fā)展的風(fēng)口，投資德國(guó)卡爾蔡司，收購(gòu)美國(guó)Cymer光源。集成世界各國(guó)頂尖科技的EUV光刻機(jī)研發(fā)成功，一舉奠定了阿斯麥在高端EUV光刻機(jī)領(lǐng)域的壟斷地位，EUV光刻機(jī)的精密程度已經(jīng)達(dá)到給你圖紙，也無可復(fù)制。

　　　當(dāng)前，ASML成為世界上唯一擁有EUV光刻機(jī)生產(chǎn)能力的產(chǎn)商，以波長(zhǎng)13.5 nm的極紫外光作為光源，可以實(shí)現(xiàn)7 nm以下制程的芯片，當(dāng)前蘋果和華為等旗艦手機(jī)的5nm 制程芯片都是由阿斯麥EUV光刻機(jī)生產(chǎn)。尼康和佳能面對(duì)技術(shù)壁壘和巨資開發(fā)投資，只能望EUV而興嘆，起個(gè)大早，沒趕上集。

　　那么阿斯麥制造的EUV光刻機(jī)都賣給了誰？數(shù)據(jù)顯示，2019年該公司共生產(chǎn)了26臺(tái)EUV光刻機(jī)，其中有一半賣給了臺(tái)積電，剩余一半賣給了英特爾、三星等客戶。國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體代工企業(yè)中芯國(guó)際曾花了1.2億美元訂購(gòu)一臺(tái)，因?yàn)槟愣脑?，至今尚未交付?/p>

　　荷蘭阿斯麥的成功不是偶然的，也是有跡可循的，首先，它30年內(nèi)專注發(fā)展光刻機(jī)核心技術(shù)，保持穩(wěn)定的戰(zhàn)略目標(biāo)，不斷研發(fā)新技術(shù)新產(chǎn)品。從浸入式光刻機(jī)到EUV光刻機(jī)的生產(chǎn)，阿斯麥和它的合作伙伴不斷挑戰(zhàn)摩爾定律，突破芯片加工極限。而作為曾碾壓阿斯麥的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，佳能和尼康逐漸進(jìn)入數(shù)碼相機(jī)等來快錢的消費(fèi)電子市場(chǎng)，從而失去了光刻機(jī)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)。

　　其次，阿斯麥通過投資和入股等方式，獲取光刻系統(tǒng)的核心技術(shù)，而光刻機(jī)90%的其他部件都是合作和外購(gòu)世界頂級(jí)技術(shù)產(chǎn)品，比如德國(guó)機(jī)械、蔡司鏡頭和美國(guó)光源。同時(shí)引入英特爾、臺(tái)積電和三星等電子巨頭的注資，形成了無法復(fù)制的戰(zhàn)略利益共同體。

　　阿斯麥和臺(tái)積電等下游公司也同樣通過股份戰(zhàn)略合作，形成利益和研發(fā)共同體，臺(tái)積電用EUV磨練芯片加工技術(shù)，同時(shí)臺(tái)積電又把芯片加工中遇到的問題和新的要求不斷反饋給ASML，從而開創(chuàng)技術(shù)創(chuàng)新和質(zhì)量改進(jìn)的雙贏局面，臺(tái)積電也成為全球首家提供5nm制程代工業(yè)務(wù)的芯片廠商?！　?/p>

國(guó)產(chǎn)之路，任重道遠(yuǎn)

　　再來看看國(guó)內(nèi)的光刻機(jī)研發(fā)狀況，其實(shí)我國(guó)在60年代第一塊集成電路問世之后，就開始了光刻工藝的研究，但在80年代以后，隨著“造船不如買船，買船不如租船”的說法流行，由于也缺乏相應(yīng)的芯片產(chǎn)業(yè)鏈，很多自主攻關(guān)項(xiàng)目紛紛下馬。當(dāng)前，我國(guó)光刻機(jī)的主要生產(chǎn)廠家是上海微電子，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)90納米制程量產(chǎn)，28 nm工藝的國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)也預(yù)計(jì)在2021年交貨，雖然和國(guó)際領(lǐng)先的5 nm還有幾倍差距，但已經(jīng)可以滿足國(guó)內(nèi)芯片市場(chǎng)的中端需求。

　　2019年4月，光電團(tuán)隊(duì)武漢國(guó)家技術(shù)研究中心團(tuán)隊(duì)利用兩束激光在自主研發(fā)的光刻膠上突破光束衍射極限，利用遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)成功雕刻出一條寬9nm的線段，實(shí)現(xiàn)了從超分辨率成像到超擴(kuò)散極限光刻的重大創(chuàng)新。然而，從技術(shù)實(shí)驗(yàn)室成功，到可批量化大批制造的商用設(shè)備，依舊還有很長(zhǎng)的路要走。特別是需要幾萬個(gè)零部件要達(dá)到高精準(zhǔn)度的高端光刻機(jī)，其中的關(guān)鍵高精度零部件比如鏡頭、光源、軸承等，目前國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈的制造水平還暫時(shí)達(dá)不到，需要長(zhǎng)期聯(lián)合攻關(guān)，我們的任務(wù)依舊艱巨而繁重。