9月份的时候,苹果发布会上A14仿生芯片意外亮相,作为业界首款5nm制程的AI芯片,封装集成了118亿颗晶体管,而十月下旬华为发布的Mate40 Pro系列搭载的麒麟9000 5G Soc芯片晶体管更是高达153亿颗,整整比A14多容纳了三分之一的晶体管数量。为什么现在的芯片制程可以随便达到如此巨量的地步,其中的功劳都要归功于半导体行业的光刻机。

半导体集成电路的明珠

作为半导体集成行业的利器,光刻机的技术决定着整个行业的发展与未来!

光刻机根据其工作原理,可分为照明系统单元(IU)、掩膜板(Mask)硅片Scaner Stage、Lens Project投影系统、Auto Align对位系统、减震系统、环境温湿度循环系统等单元构成。

目前行业内的一台EUV极紫外高端光刻机仅仅是单价就可达数亿美金,其中光是精密零部件数量就高达上万,这里面涉及到的学科之多,包含了数学学、光学、流体力学、自动化、高分子物化、图像识别处理等,可以说是集全球之大成,我们称之为半导体集成电路的明珠并不为过!

千分之一头发丝粗细的极限工艺

在半导体集成行业,通常面板(FPD)光刻机工艺精度可以达到微米级,而晶圆芯片行业生产工艺的精度更是精细到nm级。这种精度非要形容的话,几乎是一千分之一头发丝大小。

因此在晶圆的光刻制程过程中,设备不论是光学系统的投影成像或是工艺扫描过程中的对位补偿等等,这些都是需要设备在硬件和软件算法上有极高调配能力。

就目前仅有的技术而言,没有光刻机技术,就没有芯片。

现代工业的“石油”

自二十一世纪的以来,国内的最大的商品进口项目逐渐由石油原油转变为电子芯片,而芯片也常常被称为现代工业的“石油”。

据统计,光是在2018年国内对芯片的进口金额已高达3000多亿美元,占了全球一半以上的芯片消费量。

国内在半导体集成行业上国产环节薄弱,极度依赖进口。这些足以说明,国内半导体产业链的匮乏。

现象的背后是技术土壤的贫瘠

芯片之小,其制程已到纳米,非人眼可识别的地步。正是这小小的一块硅片,方寸间凝聚了现代信息集成电路的智慧结晶。

作为电子设备的心脏,芯片晶圆行业一直是国内的痛楚。也难怪,上世纪七八十年代左右,西方世界对国内全面技术封锁的我们还被迫自主创新,到90年代市场开放后就开始以技术引入为主,渐渐的就失去了原有的创造力。

就目前非但国外《瓦森纳协议》限制高精尖技术流入中国,国内部分企业已陷入低水平重复建设、购买淘汰产线设备等烂尾潮流。

这种乱象背后,急需拨乱反正。

技术研究需要专注 更需要开放创新

早在上世纪90年代的时候,ASML还只是名不见经传刚从飞利浦分离出来的小公司,而日本尼康、佳能两大公司分食着全球光刻机行业大半的市场。

在2000年之前的十多个年头,光刻机领域几乎可以说是尼康精机的后花园,而ASML连百分之十的市场占有率都很勉强。

而在这一期间,光刻机技术随着摩尔定律的发展也遇到了瓶颈,那就是怎么改进技术实现光刻光源波长由193n m氟化氩激光缩短到157n m。(这里单独解释一下,宏观上通常光学系统中的光源波长越小,光学系统的成像分辨率会更高,而光刻机中的微影技术也可以获得更精细的制程能力)

就在整个半导体业界人士集体往157n m光源的“南墙”上撞的时候,时任台积电的林本坚研发团队则向ASML展示了独具创新的“浸润式”光刻方案。其大致原理也就是将光刻机光学投影系统模组间透镜与硅片之间的传播介质由空气替代为具有更高折射率的水。这样一来,根据水的折射率约1．4,可大致推算出193n m波长等效缩短为132n m,这样就可以轻松得到波长更短的光源。

这项方案在当时优势非常明显,原因有二:其一,由于是利用现有的成熟光刻技术进行改造,因此研发资金投入相对较少,对于半导体设备制造商和晶圆芯片制造商都是不小的成本降低;其二,针对这种“浸润式”技术,传播介质不仅仅可以是水,还能替代为其他具有更高折射率的液体,这对于光刻机解像分辨率的提升十分有效。

其实林博士很早就提出过这种方案,但当时干式微影技术这一方向由于未触碰到波长天花板,大家也是屡试不爽,因此根本就没在意这项创新技术。

最终在十多年后,林本坚博士在荷兰阿斯迈尔找到了知音,同时也得到了摩尔定律的坚定拥护者—老牌半导体厂商英特尔的埋单。随后一拍即合,在2004年,研发诞生了全球第一台浸润式微影光刻机。

虽然尼康也不甘示弱,硬着头皮研制出来全新的干式微影技术以此实现157n m制程能力。但是和132n m的浸润式相比,前者几乎为技术首创,而后者则在以前成熟技术上进行改进,因此阿斯迈尔自此在光刻机市场大受青睐,而尼康从这个技术分水岭后一蹶不振。

随后的EUV极紫外高端光刻机研发历程中,尼康更是小角色都没得当,直接被美国技术限制拒之于高端光刻机门外。

正是由于对新技术的准确判断与把握,加上各项前沿技术的不断容纳尝试,ASML也一举成为当今半导体设备行业的一大霸主。

光刻机作为半导体行业的重要推手,代表着整个上游产业链的门槛,国内半导体如要摆脱目前这种困境,则须借助十三五规划的春风打破国外企业早期建立的技术壁垒。

在科技领域,要想真正强大,必须要提升自己的硬实力。曾经的好高骛远,都应该在这次华为制裁事件中,安稳落地,踏踏实实砥砺前行才是王道。

技术需要专注,更需要开放创新。