9月份的時候,蘋果發布會上A14仿生芯片意外亮相,作為業界首款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量。為什么現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體行業的光刻機。

半導體集成電路的明珠

作為半導體集成行業的利器,光刻機的技術決定著整個行業的發展與未來!

光刻機根據其工作原理,可分為照明系統單元(IU)、掩膜板(Mask)硅片Scaner Stage、Lens Project投影系統、Auto Align對位系統、減震系統、環境溫濕度循環系統等單元構成。

目前行業內的一臺EUV極紫外高端光刻機僅僅是單價就可達數億美金,其中光是精密零部件數量就高達上萬,這里面涉及到的學科之多,包含了數學學、光學、流體力學、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,我們稱之為半導體集成電路的明珠并不為過!

千分之一頭發絲粗細的極限工藝

在半導體集成行業,通常面板(FPD)光刻機工藝精度可以達到微米級,而晶圓芯片行業生產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絲大小。

因此在晶圓的光刻制程過程中,設備不論是光學系統的投影成像或是工藝掃描過程中的對位補償等等,這些都是需要設備在硬件和軟件算法上有極高調配能力。

就目前僅有的技術而言,沒有光刻機技術,就沒有芯片。

現代工業的“石油”

自二十一世紀的以來,國內的最大的商品進口項目逐漸由石油原油轉變為電子芯片,而芯片也常常被稱為現代工業的“石油”。

據統計,光是在2018年國內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。

國內在半導體集成行業上國產環節薄弱,極度依賴進口。這些足以說明,國內半導體產業鏈的匱乏。

現象的背后是技術土壤的貧瘠

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,方寸間凝聚了現代信息集成電路的智慧結晶。

作為電子設備的心臟,芯片晶圓行業一直是國內的痛楚。也難怪,上世紀七八十年代左右,西方世界對國內全面技術封鎖的我們還被迫自主創新,到90年代市場開放后就開始以技術引入為主,漸漸的就失去了原有的創造力。

就目前非但國外《瓦森納協議》限制高精尖技術流入中國,國內部分企業已陷入低水平重復建設、購買淘汰產線設備等爛尾潮流。

這種亂象背后,急需撥亂反正。

技術研究需要專注 更需要開放創新

早在上世紀90年代的時候,ASML還只是名不見經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大半的市場。

在2000年之前的十多個年頭,光刻機領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,光刻機技術隨著摩爾定律的發展也遇到了瓶頸,那就是怎么改進技術實現光刻光源波長由193n m氟化氬激光縮短到157n m。(這里單獨解釋一下,宏觀上通常光學系統中的光源波長越小,光學系統的成像分辨率會更高,而光刻機中的微影技術也可以獲得更精細的制程能力)

就在整個半導體業界人士集體往157n m光源的“南墻”上撞的時候,時任臺積電的林本堅研發團隊則向ASML展示了獨具創新的“浸潤式”光刻方案。其大致原理也就是將光刻機光學投影系統模組間透鏡與硅片之間的傳播介質由空氣替代為具有更高折射率的水。這樣一來,根據水的折射率約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。

這項方案在當時優勢非常明顯,原因有二:其一,由于是利用現有的成熟光刻技術進行改造,因此研發資金投入相對較少,對于半導體設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,傳播介質不僅僅可以是水,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新技術。

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—老牌半導體廠商英特爾的埋單。隨后一拍即合,在2004年,研發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以此實現157n m制程能力。但是和132n m的浸潤式相比,前者幾乎為技術首創,而后者則在以前成熟技術上進行改進,因此阿斯邁爾自此在光刻機市場大受青睞,而尼康從這個技術分水嶺后一蹶不振。

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

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

光刻機作為半導體行業的重要推手,代表著整個上游產業鏈的門檻,國內半導體如要擺脫目前這種困境,則須借助十三五規劃的春風打破國外企業早期建立的技術壁壘。

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

技術需要專注,更需要開放創新。