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兵進光刻機,中國芯片血勇突圍戰

2020/1/31 16:25:09來源:IT之家作者:汐元責編:汐元評論:

中學課本上有一篇文章叫《核舟記》,講述了古人在桃核上刻出蘇軾泛舟赤壁圖的奇巧技藝。

幾百年后,半導體產業已經將這種細微處創造天地的技藝發展到超乎想象的境地。

本文要說的,就是讓半導體真正能夠妙至顛毫的工具,也是人類工業最偉大的發明之一……

一、引子

從1947年美國貝爾實驗室里誕生的點接觸型的鍺晶體管開始,芯片半導體產業迅猛發展,如今已精密到在一粒米上刻下整部《紅樓夢》不成問題。

這背后需要一個強大的工具——光刻機。

偷窥438 电影說到光刻機,這個一直低調隱匿在芯片產業幕后的人類偉大發明,仿佛一夜之間受到了全世界的關注。

今天,IT之家小編汐元就和大家聊聊光刻機的那些事。

二、貿易風云裹挾下的半導體行業

中美貿易摩擦從2018年開始不斷升級,影響全球,其中技術封鎖和非法斷供是美國一系列施壓措施的武器之一,以打擊國內一批高科技企業。首當其沖就是芯片半導體產業。

2018年美國制裁中興的手段立竿見影,正是鎖住了國內企業在芯片產業上無法自主的咽喉。

而華為能夠抵擋到現在的關鍵,也是因為華為本身的海思芯片業務發展得風生水起。

但前不久,IT之家報道了臺積電因美國施壓可能無法向華為穩定供貨14nm芯片的消息,雖然還不確定結果,但不得不令人擔憂。

根據美國《出口管理條例》的限制,產品涵蓋硬件、軟件等的美國技術含量超過25%,就會被要求禁止銷售給中國。

偷窥438 电影哪怕國外制造,但源自美國的內容超過25%,也在限制范圍內。

偷窥438 电影報道中稱,臺積電內部評估,其7nm工藝源自美國技術比重不到10%,14nm比重大約15%。

偷窥438 电影這意味著若美國真的將“源自美國技術”的標準從25%下調至10%,那么14nm芯片的供貨將受到限制。

作為臺積電重要客戶之一,華為將深受不利影響。更讓人擔憂的是,萬一未來7nm、甚至5nm芯片供應也被限制,那華為無疑也將被扼住7寸。

三、華為的難關

芯片行業的玩家大概能分成三種:IDM、Foundry和Fabless。

IDM意思是芯片的設計、制造、封測都能做,有完整能力,像三星;Foundry的意思是只做代工,例如臺積電;Fabless就是專注于芯片設計與銷售,例如華為海思。

是的,華為海思只負責做芯片的產品設計和銷售,不具備制造、封測的能力,所以要依賴代工廠。

而縱觀國際市場,能滿足華為代工要求的,只有三星和臺積電兩家。三星本身和華為有著競爭關系,所以一直以來華為和臺積電合作緊密。

但如果這次臺積電在美國的施壓下停止對華為14nm芯片供貨,后果很難想象。

偷窥438 电影并且最近市場還有傳聞,臺積電擔心華為過度建立庫存,因而減少華為7nm芯片的供貨,重新分配產能。

最終結果還未可知,但這些消息都在給我們敲響警鐘:一旦我們依賴的供應商斷貨,我們將束手無策。

而這一天很可能來得比想象中快,就像去年美國政府將華為列入實體清單,幾天之后谷歌就暫停了安卓和其他服務對華為的支持。

風暴來臨的速度永遠會讓人措手不及。

四、中芯國際,買一臺EUV光刻機好難

還好華為意識到了這一點,IT之家之前也報道,華為正積極將14nm芯片訂單轉交給大陸芯片代工廠中芯國際。

▲圖自:中芯國際官網

中芯國際2019年已經成功實現第一代14納米FinFET工藝量產。2020年1月14日,中芯南方廠投產國內首條14nm生產線,月產能可達到3.5萬片。同時,他們的12nm技術已經進入客戶導入階段,這是一個令人振奮的消息。

偷窥438 电影對于目前十分關鍵的7nm工藝,中芯國際早在2017年就開始布局,并打算在今年年內進行風險試產。

但是,目前有一個問題橫亙在面前:他們缺少一臺7nm EUV光刻機。這是決定能否大規模量產7nm芯片的關鍵設備。

根據日媒披露,中芯國際在2018年就向荷蘭光刻機巨頭ASML訂購了一臺EUV光刻機。

ASML是目前全球唯一能生產這種設備的廠商。雙方計劃的是2019年初交付設備。

然而,這臺光刻機的交付之路可謂崎嶇多舛偷窥438 电影,但直到目前,仍然沒有在中國落地。

2018年末,就在接近7nm EUV光刻機向中芯國際交付的時間點上,ASML的元器件供應商Prodrive突遇火災,工廠部分庫存、生產線被燒毀,2019年的交貨計劃也被迫延遲。

然后,英國路透社稱援引不具名的知情人士消息,美國政府從2018年開始就與荷蘭官員至少進行了4輪會談,企圖阻止ASML向中國出售EUV光刻機。為此美國國務卿蓬佩奧甚至親自游說荷蘭政府。

偷窥438 电影這中間,還有荷蘭當地媒體報道稱ASML美國子公司的中國員工竊取ASML的技術并泄露給中國企業的事件。

……

不過好在,ASML方面都及時作出了澄清,他們表示媒體有關“延遲交貨”的說法是存在錯誤的,所謂“中國間諜”竊取技術的事件也存在誤讀,ASML只是在幾年前被硅谷的一小部分員工侵犯了知識產權,其中恰好部分涉案員工是中國人而已。

他們表示:不會對中國斷供光刻機。

同時ASML解釋了EUV光刻機目前還沒有交貨的原因:

偷窥438 电影根據瓦圣納協議,ASML出口EUV到中國,必須取得荷蘭政府出口許可,但該出口許可在今年到期,所以ASML在到期前重新進行申請,目前正等待荷蘭政府核準。

只是到目前,這臺EUV光刻機究竟何時交付,還是未知數。

五、從沙子到芯片

偷窥438 电影說到這里,可能有IT之家小伙伴仍然不清楚光刻機對于芯片行業的重要意義,它到底是什么?汐元利用這一節給大家科普一下。

首先要從一枚芯片到底是什么制造出來的說起。

我們經常聽說,芯片是沙子做成的。沒錯。芯片制造第一步就是將沙子液態化,然后去除雜質,提取高純度的硅。

▲高溫熔化的沙子

偷窥438 电影接著通過精密控制溫度和旋轉的速度,將硅拉成硅棒。然后將硅棒切成一片一片的,形成晶圓。

▲拉硅棒

▲切成晶圓

晶圓需要進一步處理,包括在表面形成矽化合物、植入離子、化學氣相沉積等各種操作,最后在晶圓表面覆蓋光阻(一種光敏材料)。

▲形成化合物

▲植入離子

這些通常被統稱為“光刻膠”。

▲形成光阻材料

偷窥438 电影然后,關鍵的操作來了,我們需要將芯片設計師設計的電路圖寫到很多層的光罩(掩膜)上,然后用光源透過光罩,像幻燈機一樣把光罩上的電路圖顯影在晶圓表面。

▲投影

由于光敏材料和光的反應,等于將電路圖“畫”在了晶圓上。

偷窥438 电影這個過程就是光刻,需要符合要求的光刻機才能完成。

偷窥438 电影接下來,還要對已經顯影了電路圖的晶圓進行蝕刻、物理氣相沉積等操作,就是給晶圓表面的元件加入金屬導線。

▲蝕刻

然后,就是對晶圓進行化學機械研磨,使晶圓表面的材質平坦化。

最后,就是對晶圓進行切割、封裝、測試等,最終形成我們使用的芯片。

雖然汐元幾句話說完了,但是實際生產的時候,前后可多達5000道工序,極度復雜。

回到剛才說到的光刻環節。光刻光刻,是把光當作刀子一樣在晶圓表面刻畫電路圖。所以,這里的光源,非常重要。

光源的精密程度,決定了寫入晶圓的電路的精密程度,也就決定了芯片上的晶體管能做多小,這,也就和我們掛在嘴邊的XX納米工藝直接相關。

怎樣定義這個精密程度呢?答案就是光源的波長。

偷窥438 电影翻一下電磁波的波譜,可以發現在所有的光線中,紫外線的波長幾乎是最短的了。

所以,整個半導體制程的進化過程就是考慮怎么使用波長更短的紫外光的過程。

給大家看一張表格:

在此之前,行業里主流的光刻機使用的是DUV深紫外光源。深紫外光源就是波長短于300nm的紫外光線,主要使用的是KrF和ArF兩個波段,他們制造40nm制程以下半導體已經比較吃力了。

但是科技廠商們發揮聰明才智,一直讓DUV的支持延續到了10nm甚至7nm(也就是所謂的第一代7nm工藝),但是再往下,DUV就真Hold不住了,只能使用波長為13nm左右的EUV極紫外光線。

我們知道,工藝制程越小,技術挑戰的難度就越高,當工藝制程小于10nm的時候,逼進物理極限,摩爾定律也面臨失效,這種極限挑戰下,需要投入的技術資源以及研發資金是不可想象的,全球其實沒有多少家半導體企業能支撐。

而當今世界,唯一偷窥438 电影能夠造出EUV極紫外光刻機的,就是ASML。所以它被人們譽為“摩爾定律的拯救者”。

六、EUV光刻機,到底難在哪里?

偷窥438 电影可能有IT之家小伙伴會問:為什么只有ASML能造出EUV光刻機呢?這個EUV光刻機到底難在哪里?

我們首先需要明白EUV光刻機的工作原理。當然,細節極度復雜,汐元盡量用簡單的話講清楚。

偷窥438 电影上一節我們講過,光刻這部分原理其實很簡單,就是讓光透過寫有電路圖的多層光罩,將電路圖顯影在晶圓上。

▲再看一遍這個圖

所以有兩個關鍵點,一個是光源,一個是光罩。

極紫外光源怎么產生?偷窥438 电影方法不止一種,ASML的辦法是,用強烈的雷射光兩次轟擊“錫液滴”,就可以產生波長13.5nm的極紫外光。

▲轟擊錫液滴

然后,利用復雜的光學結構將極紫外光變成極紫外光雷射。

具體的方法大家不用了解,涉及高端的化學知識和光學知識。

變成的雷射光還要經過一段復雜的照明光學系統,目的是將雷射光整形成需要的樣子,然后通過光罩來成像。

▲圖自ASML官方

這里有一點,前面我們說的,過去的光刻機是光線穿透光罩成像,像幻燈機一樣。

但是極紫外光不一樣,它很脆弱,會被光罩的材料吸收。這是個難點,對光學系統的要求極高。

偷窥438 电影為了避免極紫外光被吸收,EUV光刻機中,必須使用反射式光罩來成像。

偷窥438 电影EUV光刻機的原理基本就是這樣。說起來簡單,但實際有很多難點:

首先,如何讓雷射準確擊中錫液滴?偷窥438 电影而且是前脈沖和主脈沖能夠擊中錫液滴2次,同時每秒鐘擊50000次。怎么樣,嚇人吧。

再就是剛才說的,EUV光產生后,還需要經過復雜的光學系統,怎么樣讓光不被光學鏡片吸收,保證轉換效率?這需要極端強大的光學技術支持。

還有一個問題是電源,目前的電源無法產生足夠的功率讓EUV大幅度提高效率。

然后,還有光刻膠光阻的敏感度、光子散射噪音引起的隨機現象等,都是EUV光刻機面臨的問題。

有數據說,每臺EUV光刻機有超過10萬個零件、3千條電線、4萬個螺栓、2公里長的軟管等零組件,最大重量達180公噸。

制造難度可想而知。

偷窥438 电影這樣一臺光刻機多少錢呢?

根據媒體報道,此前中芯國際訂購的EUV光刻機是1.2億歐元,相當于人民幣9億多元,而先進的EUV光刻機可以達到1.5億美元,約合人民幣10億元!這比美國第四代戰斗機F35的價格還貴!

雖然這么貴,但想買EUV光刻機還不止是錢的問題,關鍵是它的產量極低,ASML一年也就能生產十幾到二十臺EUV光刻機,偷窥438 电影全球那么多半導體企業,爭破頭皮也不一定買得到。

七、ASML,舍我其誰的背后

那么ASML憑什么能造出這種設備呢?

這家公司的崛起之路其實也頗為曲折,日后有時間汐元可以詳細為大家講一講。

偷窥438 电影簡單來說,其實早期的光刻機制造并不復雜,最早是日本的尼康和佳能進入這個領域,但后來讓美國的Perkin Elmer和GCA公司捷足先登。

偷窥438 电影不過尼康和佳能也不是吃素的,在上世紀80年代,逐步擊敗前面兩家美國公司。

偷窥438 电影那個時候,還沒有ASML什么事,他們在1984年成立,當時只是飛利浦的一個小部門。

不過他們很給力,第二年就和蔡司合作改進光學系統,1986年就推出了自家很棒的第二代產品PAS-2500。

到了八十年代末,GCA衰亡,Perkin Elmer賣身給美國另一家巨頭光刻機SVG。但后來,SVG發展也不行了,在2000年被ASML收購,ASML在這次收購中獲得了關鍵的反射技術。

90年代末21世紀初,行業需要超越193nm的解決方案,這實際上是ASML和尼康的決戰。ASML在2002年接受臺積電提出的浸入式193nm的技術方案,光源也就是DUV深紫外光。

偷窥438 电影而尼康作了一回死,它和英特爾合作一起研發了一個非常超前的技術,結果失敗了。

于是ASML從此逐漸超越尼康,成為光刻機領域的霸主。后來英特爾離開了尼康,轉身投向ASML陣營。

偷窥438 电影至于EUV光刻機,其實最早是英特爾牽頭搞的,還聯合很多公司以及實驗室成立了一個專門研究EUV的組織,其中就包括ASML。

偷窥438 电影后來這個組織解散了,就剩ASML還篤定要做EUV。

2012年,英特爾、三星和臺積電分別以41億、5.03億、8.38億歐元入股ASML,因為要打造EUV光刻機,耗資巨大。

偷窥438 电影當然,英特爾、三星和臺積電也沒吃虧,后來事實證明,他們不僅享有EUV光刻機的優先供貨權,并且由于ASML股價暴漲,在后來出售或減持ASML股份時,這三巨頭都獲利頗豐。

偷窥438 电影從這簡短的發展歷程能看出,之所以只有ASML能造出EUV光刻機,汐元總結,有三個原因:

一是幾十年技術積淀,足夠耐心。

偷窥438 电影這個積淀有兩個途徑,一個是自身研發投入,另一個是并購,例如前面說的,收購SVG獲得了關鍵的反射技術,還有收購美國光學技術供應商Cymer得到了光源技術,收購蔡司半導體公司24.9%的股權,并與之共同研發最頂尖的光學技術。

二是賭對了技術方向,能制造7nm工藝的芯片技術不止一種,但EUV是比較可行的;

第三點,也是最重要的,不缺錢,不缺資源。

偷窥438 电影ASML有一項獨特的規定,就是要想獲得光刻機的優先供貨權,必須入股自己,這樣就等于將半導體巨頭們綁定成利益共同體,無論是資金還是技術資源,都有保證。

其實,ASML光刻機設備90%的零部件都依賴外購,正是因為和眾多技術供應商形成利益共同體的關系,ASML才能整合最頂尖的資源來辦大事。

八,國產光刻機,走在曲折但奮進的路上

ASML雖然偉大,但畢竟是別人家的。

偷窥438 电影本文開頭對當前局勢的分析,相信IT之家小伙伴們也很清楚,對于中國來說,只有自己掌握了核心科技,才能不被外界掣肘。

偷窥438 电影所以最后一節,我們回到文章開頭所說情勢,聊一聊國產光刻機目前的發展現狀。

中國對光刻機的研究起步并不晚,大概在上世紀70年代,早期的型號主要是接觸式光刻機。所謂接觸式光刻機,也就是光罩貼在晶圓上的。中科院1445所在1977年研制出了一臺接觸式光刻機,比美國晚了二十年左右。

1985年,機電部45所研制出了第一臺分步投影式光刻機,而美國在1978年研制出這種光刻機,當時使用的是436nm G線光源

90年代的時候,國內光刻機在技術上和國外其實相差還不遠,大概相當于國外80年代中期的水平。

不過要知道,光刻機這種東西,工藝(即采用光源的波長)每向前進一個臺階,制造的難度、需要的資金,都是指數級增長的,越往后越難搞。

偷窥438 电影2000年開始,我國開始啟動研究193nm ArF光刻機的項目。正如前文所說,那個時候ASML已經正在研究EUV光刻機了。

2002年,光刻機被列入國家863重大科技攻關計劃,由科技部和上海市共同推動成立上海微電子裝備有限公司來承擔。

偷窥438 电影上海微電子基本上也代表了目前國產光刻機的最高水平。經過十多年的發展,目前其自主研發的600系列光刻機可以實現90nm制程工藝芯片的量產,使用的還是193nm ArF光源。

很明顯,從制程工藝的角度上看,國產光刻機目前和ASML差距非常大偷窥438 电影。不過,國際上其他國家也基本沒有量產157nm及以下光刻機的,從這個角度看,國產光刻機和除ASML之外的國際水準也并未落后多少。

偷窥438 电影目前上海微電子還在研究為65nm制程芯片服務的光刻機,什么時候能夠做出來,還不好說。

偷窥438 电影還有的,就是一些實驗室取得的成果,以及一些媒體誤讀。

例如2019年4月,武漢光電國家研究中心的甘棕松團隊成功研發出9nm工藝光刻機,這個就還是實驗室里取得的成果,使用的也不是ASML的那一套方案。

偷窥438 电影再例如2018年11月,中國科學院光電技術研究所“超分辨光刻裝備研制”項目通過驗收,實現了22nm的分辨率,引起媒體一陣沸騰。

但其實,這個設備基本上可以說并不是用來制造芯片的,距離制造芯片也非常遙遠。

所以這里也說明一下,光刻機不僅是用來制造芯片的,也可以用來制造一些光學領域的其他器件等。

總之,目前國產光刻機能實現的制程水平還卡在90nm,和ASML差距明顯,高端光刻機還是要靠進口。

九、結語:半導體行業沒有捷徑

偷窥438 电影世界局勢風云變幻,現實不斷催促我們必須盡快在半導體技術領域有所突破。

但是,在這個產業里,其實也沒有什么捷徑或者彎道超車的路可走,只有一個制程節點一個制程節點地去攻破,積淀技術。想要追趕國際領先的水平,只有付出更多的精力,投入更多的資源。

光刻機,當然至關重要,但并不是說,花錢買來一臺EUV光刻機,中國半導體產業就能一躍而上。

偷窥438 电影同時,這個行業進化節奏之快,對于科研人員來說,也沒有太多成績上的激勵,必須十年甚至幾十年如一日地沉下心來去做。

而這,是ASML能夠崛起的原因,也是我們想要實現追趕的唯一途徑。

參考

  • 偷窥438 电影oFweek,2019-05-25,《》

  • 偷窥438 电影金捷幡,2019-05-06,《》

  • 觀察者網,2019-01-07 ,《》

  • 澎湃新聞,2020-01-15,《》

  • 臺積電官方資料,2017-06-08,《》

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