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為什么光刻機(jī)比原子彈還難造

作者: 時(shí)間:2020-12-28 來源: 果殼 收藏

,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)。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202012/421623.htm

  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,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,是衡量一國科技研發(fā)與工業(yè)水平的標(biāo)桿。不少專家指出,我國制造先進(jìn)水平的難度,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之重器,可以不計(jì)成本靠舉國之力進(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?

  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。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。出于國家安全和商業(yè)利益的考慮,為了奪取美國在半導(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,加上隸屬于美國能源部的桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室和勞倫斯利弗莫爾國家實(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,投資德國卡爾蔡司,收購美國Cymer光源。集成世界各國頂尖科技的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。國內(nèi)半導(dǎo)體代工企業(yè)中芯國際曾花了1.2億美元訂購一臺(tái),因?yàn)槟愣脑颍两裆形唇桓丁?/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世界頂級(jí)技術(shù)產(chǎn)品,比如德國機(jī)械、蔡司鏡頭和美國光源。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>

國產(chǎn)之路,任重道遠(yuǎn)

  再來看看國內(nèi)的光刻機(jī)研發(fā)狀況,其實(shí)我國在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工藝的國產(chǎn)光刻機(jī)也預(yù)計(jì)在2021年交貨,雖然和國際領(lǐng)先的5 nm還有幾倍差距,但已經(jīng)可以滿足國內(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。




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