為什么光刻機比原子彈還難造

光刻機，這個(gè)生僻的工業(yè)制造設備名稱(chēng)，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(méi)有高精度的芯片，那些改變人類(lèi)生活和經(jīng)濟的核心技術(shù)，如人工智能，虛擬現實(shí)（VR）,物聯(lián)網(wǎng)，下一代無(wú)線(xiàn)通信，都不可能實(shí)現。

　　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(shuō)，光刻機之于我們這個(gè)時(shí)代，如同蒸汽機，發(fā)電機，以及計算機之于前三次工業(yè)革命一樣重要，是衡量一國科技研發(fā)與工業(yè)水平的標桿。不少專(zhuān)家指出，我國制造先進(jìn)水平光刻機的難度，堪比當年制造原子彈。

　　微雕，以光為刀

　　那么，首先讓我們先來(lái)看，光刻機是什么？

　　阿斯麥公司生產(chǎn)的EUV光刻機 | www.asml.com

　　光刻機，這臺可以賣(mài)到上億歐元的精密設備，是通過(guò)紫外光作為“畫(huà)筆”，把預先設計好的芯片電子線(xiàn)路書(shū)寫(xiě)到硅晶圓旋涂的光刻膠上，精度可以達到頭發(fā)絲的千分之一。舉個(gè)例子，華為海思成功設計開(kāi)發(fā)了麒麟系列芯片，想要真正做成手機芯片，就需要臺積電利用光刻工藝來(lái)進(jìn)行代工制造。

　　一臺荷蘭阿斯邁光刻機內部的紫外光源 | www.asml.com

　　光刻的原理和過(guò)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(guò)掩膜版照射到光刻膠上。經(jīng)過(guò)對準曝光后，紫外光照射到區域的光刻膠會(huì )因為化學(xué)效應而發(fā)生變性，再通過(guò)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(guò)程。光刻機中的曝光光源決定了光刻工藝加工器件的線(xiàn)寬等特征尺寸，當前市場(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。

　　現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，對準曝光，顯影，刻蝕以及檢測等多重工序。由于現代芯片的復雜性，生產(chǎn)過(guò)程往往需要經(jīng)過(guò)幾十次的光刻，耗時(shí)占據了芯片生產(chǎn)環(huán)節的一半，光刻成本也達到了生產(chǎn)成本的三分之一。

　　阿斯麥，皇冠上的珍珠

　　聽(tīng)完光刻原理和過(guò)程，你可能覺(jué)得這也沒(méi)什么啊，一臺光刻機怎么能比造原子彈還難??？

　　要知道隨著(zhù)科技的發(fā)展，現代高端手機芯片中的晶體管達到上百億個(gè)，華為5nm制程的麒麟1020芯片密度高達每平方毫米1.7億個(gè)。這樣的加工精度決定著(zhù)光刻機是半導體制造過(guò)程中技術(shù)含量最高的設備，涉及到從紫外光源、光學(xué)鏡頭、精密運動(dòng)和環(huán)境控制等多項世界各國頂級科技成就的運用。

　　光刻機被稱(chēng)為現代半導體行業(yè)皇冠上的明珠，現在單臺EUV光刻機配件多達10萬(wàn)個(gè)，價(jià)格高達1.2億美元。當前世界上光刻機市場(chǎng)的老大是荷蘭的阿斯麥ASML，占據了全球高端光刻機市場(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光刻機市場(chǎng)則被阿斯麥完全壟斷，把尼康和佳能等競爭對手踢出場(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，現在能制造的只有荷蘭的阿斯麥公司。一方面，一臺EUV光刻機10萬(wàn)配件，集結了全球頂級技術(shù)，不是一個(gè)國家的技術(shù)儲備力量能夠獨立實(shí)現的。另一方面，光刻機畢竟只是生產(chǎn)工具，不像原子彈這樣的國之重器，可以不計成本靠舉國之力進(jìn)行制造，光刻機只是芯片制造中的一個(gè)環(huán)節，還需要上下游產(chǎn)業(yè)鏈的支持，能造出來(lái)不稀奇，重要的是還能靠它賺錢(qián)。

　　那小伙伴們的問(wèn)題又來(lái)了，為什么全球半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展主力集中在美日韓以及中國臺灣，為何全球最大的光刻機設備提供商，竟然不是來(lái)自世界科技霸主美利堅，而是荷蘭這個(gè)風(fēng)車(chē)之國？

　　其實(shí)，阿斯麥的前身屬于著(zhù)名的電子廠(chǎng)商飛利浦，1984年才開(kāi)始獨立運營(yíng)。在阿斯麥早期發(fā)展時(shí)，就面臨著(zhù)要和崛起的日本芯片廠(chǎng)商尼康和佳能的激烈競爭，但阿斯麥把握住了國際風(fēng)云的變化，專(zhuān)注于光刻機核心技術(shù)的研發(fā)，通過(guò)與歐美大學(xué)以及研究機構的合作，打造上下游利益鏈條，奠定了堅實(shí)的技術(shù)基礎，用了30年時(shí)間建立起了極高的技術(shù)壁壘。

　　對于荷蘭阿斯麥來(lái)講，與臺積電合作研制浸潤式光刻設備機，就是它的諾曼底登陸之戰。

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

　　2002年左右，傳統193 nm深紫外光刻機推進(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(xiàn)是：繼續降低曝光波長(cháng)，開(kāi)發(fā)波長(cháng)更短的157 nm深紫外光刻機。

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

　　浸潤式光刻機，這個(gè)想法是創(chuàng )造性的，但在技術(shù)上如何實(shí)現還是個(gè)大問(wèn)題。

　　當時(shí)，阿斯麥的主要競爭對手尼康和佳能，對浸潤式光刻機前景并不看好，一直主攻更短波長(cháng)的深紫外光源。而阿斯麥則賭上了企業(yè)發(fā)展的命運，與臺積電聯(lián)合攻關(guān)，經(jīng)過(guò)三年的全力投入研發(fā)，浸潤式光刻機終獲成功，從而改寫(xiě)了未來(lái)半導體十余年的發(fā)展藍圖，將芯片加工的技術(shù)節點(diǎn)從65 nm持續下降。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(mǎn)地找牙。

　　真正讓阿斯麥稱(chēng)霸光刻機領(lǐng)域的戰役，是極紫外EUV光刻機技術(shù)的開(kāi)發(fā)。

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

　　作為世界第一的科技霸主，美國面對當時(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體行業(yè)上的優(yōu)勢，為了在下一代半導體制程上把日本芯片企業(yè)趕出局，從EUV光刻機入手，美國政府和業(yè)界專(zhuān)門(mén)成立了復仇者聯(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)驗室和勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗室組成，可謂陣容強大， 共同攻克生產(chǎn)設備的難題。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(kāi)發(fā)。

　　荷蘭阿斯麥公司作為掌握光刻機系統集成和整體架構的核心企業(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光刻機研發(fā)成功，一舉奠定了阿斯麥在高端EUV光刻機領(lǐng)域的壟斷地位，EUV光刻機的精密程度已經(jīng)達到給你圖紙，也無(wú)可復制。

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

　　那么阿斯麥制造的EUV光刻機都賣(mài)給了誰(shuí)？數據顯示，2019年該公司共生產(chǎn)了26臺EUV光刻機，其中有一半賣(mài)給了臺積電，剩余一半賣(mài)給了英特爾、三星等客戶(hù)。國內半導體代工企業(yè)中芯國際曾花了1.2億美元訂購一臺，因為你懂的原因，至今尚未交付。

　　荷蘭阿斯麥的成功不是偶然的，也是有跡可循的，首先，它30年內專(zhuān)注發(fā)展光刻機核心技術(shù)，保持穩定的戰略目標，不斷研發(fā)新技術(shù)新產(chǎn)品。從浸入式光刻機到EUV光刻機的生產(chǎn)，阿斯麥和它的合作伙伴不斷挑戰摩爾定律，突破芯片加工極限。而作為曾碾壓阿斯麥的競爭對手，佳能和尼康逐漸進(jìn)入數碼相機等來(lái)快錢(qián)的消費電子市場(chǎng)，從而失去了光刻機領(lǐng)域的優(yōu)勢。

　　其次，阿斯麥通過(guò)投資和入股等方式，獲取光刻系統的核心技術(shù)，而光刻機90%的其他部件都是合作和外購世界頂級技術(shù)產(chǎn)品，比如德國機械、蔡司鏡頭和美國光源。同時(shí)引入英特爾、臺積電和三星等電子巨頭的注資，形成了無(wú)法復制的戰略利益共同體。

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

國產(chǎn)之路，任重道遠

　　再來(lái)看看國內的光刻機研發(fā)狀況，其實(shí)我國在60年代第一塊集成電路問(wèn)世之后，就開(kāi)始了光刻工藝的研究，但在80年代以后，隨著(zhù)“造船不如買(mǎi)船，買(mǎi)船不如租船”的說(shuō)法流行，由于也缺乏相應的芯片產(chǎn)業(yè)鏈，很多自主攻關(guān)項目紛紛下馬。當前，我國光刻機的主要生產(chǎn)廠(chǎng)家是上海微電子，已經(jīng)實(shí)現90納米制程量產(chǎn)，28 nm工藝的國產(chǎn)光刻機也預計在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(mǎn)足國內芯片市場(chǎng)的中端需求。

　　2019年4月，光電團隊武漢國家技術(shù)研究中心團隊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，利用遠場(chǎng)光學(xué)成功雕刻出一條寬9nm的線(xiàn)段，實(shí)現了從超分辨率成像到超擴散極限光刻的重大創(chuàng )新。然而，從技術(shù)實(shí)驗室成功，到可批量化大批制造的商用設備，依舊還有很長(cháng)的路要走。特別是需要幾萬(wàn)個(gè)零部件要達到高精準度的高端光刻機，其中的關(guān)鍵高精度零部件比如鏡頭、光源、軸承等，目前國內產(chǎn)業(yè)鏈的制造水平還暫時(shí)達不到，需要長(cháng)期聯(lián)合攻關(guān)，我們的任務(wù)依舊艱巨而繁重。