兵进光刻机，中国芯片血勇突围战
科技深水区2020-01-31 16:25
中学课本上有一篇文章叫《核舟记》，讲述了古人在桃核上刻出苏轼泛舟赤壁图的奇巧技艺。
几百年后，半导体产业已经将这种细微处创造天地的技艺发展到超乎想象的境地。
本文要说的，就是让半导体真正能够妙至颠毫的工具，也是人类工业最伟大的发明之一……
一、引子
从1947年美国贝尔实验室里诞生的点接触型的锗晶体管开始，芯片半导体产业迅猛发展，如今已精密到在一粒米上刻下整部《红楼梦》不成问题。
这背后需要一个强大的工具——光刻机。
说到光刻机，这个一直低调隐匿在芯片产业幕后的人类伟大发明，仿佛一夜之间受到了全世界的关注。
今天，IT之家小编汐元就和大家聊聊光刻机的那些事。
二、贸易风云裹挟下的半导体行业
中美贸易摩擦从2018年开始不断升级，影响全球，其中技术封锁和非法断供是美国一系列施压措施的武器之一，以打击国内一批高科技企业。首当其冲就是芯片半导体产业。
2018年美国制裁中兴的手段立竿见影，正是锁住了国内企业在芯片产业上无法自主的咽喉。
而华为能够抵挡到现在的关键，也是因为华为本身的海思芯片业务发展得风生水起。
但前不久，IT之家报道了台积电因美国施压可能无法向华为稳定供货14nm芯片的消息，虽然还不确定结果，但不得不令人担忧。
根据美国《出口管理条例》的限制，产品涵盖硬件、软件等的美国技术含量超过25%，就会被要求禁止销售给中国。
哪怕国外制造，但源自美国的内容超过25%，也在限制范围内。
报道中称，台积电内部评估，其7nm工艺源自美国技术比重不到10%，14nm比重大约15%。
这意味着若美国真的将“源自美国技术”的标准从25%下调至10%，那么14nm芯片的供货将受到限制。
作为台积电重要客户之一，华为将深受不利影响。更让人担忧的是，万一未来7nm、甚至5nm芯片供应也被限制，那华为无疑也将被扼住7寸。
三、华为的难关
芯片行业的玩家大概能分成三种：IDM、Foundry和Fabless。
IDM意思是芯片的设计、制造、封测都能做，有完整能力，像三星；Foundry的意思是只做代工，例如台积电；Fabless就是专注于芯片设计与销售，例如华为海思。
是的，华为海思只负责做芯片的产品设计和销售，不具备制造、封测的能力，所以要依赖代工厂。
而纵观国际市场，能满足华为代工要求的，只有三星和台积电两家。三星本身和华为有着竞争关系，所以一直以来华为和台积电合作紧密。
但如果这次台积电在美国的施压下停止对华为14nm芯片供货，后果很难想象。
并且最近市场还有传闻，台积电担心华为过度建立库存，因而减少华为7nm芯片的供货，重新分配产能。
最终结果还未可知，但这些消息都在给我们敲响警钟：一旦我们依赖的供应商断货，我们将束手无策。
而这一天很可能来得比想象中快，就像去年美国政府将华为列入实体清单，几天之后谷歌就暂停了安卓和其他服务对华为的支持。
风暴来临的速度永远会让人措手不及。
四、中芯国际，买一台EUV光刻机好难
还好华为意识到了这一点，IT之家之前也报道，华为正积极将14nm芯片订单转交给大陆芯片代工厂中芯国际。
▲图自：中芯国际官网
中芯国际2019年已经成功实现第一代14纳米FinFET工艺量产。2020年1月14日，中芯南方厂投产国内首条14nm生产线，月产能可达到3.5万片。同时，他们的12nm技术已经进入客户导入阶段，这是一个令人振奋的消息。
对于目前十分关键的7nm工艺，中芯国际早在2017年就开始布局，并打算在今年年内进行风险试产。
但是，目前有一个问题横亘在面前：他们缺少一台7nm EUV光刻机。这是决定能否大规模量产7nm芯片的关键设备。
根据日媒披露，中芯国际在2018年就向荷兰光刻机巨头ASML订购了一台EUV光刻机。
ASML是目前全球唯一能生产这种设备的厂商。双方计划的是2019年初交付设备。
然而，这台光刻机的交付之路可谓崎岖多舛，但直到目前，仍然没有在中国落地。
2018年末，就在接近7nm EUV光刻机向中芯国际交付的时间点上，ASML的元器件供应商Prodrive突遇火灾，工厂部分库存、生产线被烧毁，2019年的交货计划也被迫延迟。
然后，英国路透社称援引不具名的知情人士消息，美国政府从2018年开始就与荷兰官员至少进行了4轮会谈，企图阻止ASML向中国出售EUV光刻机。为此美国国务卿蓬佩奥甚至亲自游说荷兰政府。
这中间，还有荷兰当地媒体报道称ASML美国子公司的中国员工窃取ASML的技术并泄露给中国企业的事件。
……
不过好在，ASML方面都及时作出了澄清，他们表示媒体有关“延迟交货”的说法是存在错误的，所谓“中国间谍”窃取技术的事件也存在误读，ASML只是在几年前被硅谷的一小部分员工侵犯了知识产权，其中恰好部分涉案员工是中国人而已。
他们表示：不会对中国断供光刻机。
同时ASML解释了EUV光刻机目前还没有交货的原因：
根据瓦圣纳协议，ASML出口EUV到中国，必须取得荷兰政府出口许可，但该出口许可在今年到期，所以ASML在到期前重新进行申请，目前正等待荷兰政府核准。
只是到目前，这台EUV光刻机究竟何时交付，还是未知数。
五、从沙子到芯片
说到这里，可能有IT之家小伙伴仍然不清楚光刻机对于芯片行业的重要意义，它到底是什么？汐元利用这一节给大家科普一下。
首先要从一枚芯片到底是什么制造出来的说起。
我们经常听说，芯片是沙子做成的。没错。芯片制造第一步就是将沙子液态化，然后去除杂质，提取高纯度的硅。
▲高温熔化的沙子
接着通过精密控制温度和旋转的速度，将硅拉成硅棒。然后将硅棒切成一片一片的，形成晶圆。
▲拉硅棒
▲切成晶圆
晶圆需要进一步处理，包括在表面形成矽化合物、植入离子、化学气相沉积等各种操作，最后在晶圆表面覆盖光阻（一种光敏材料）。
▲形成化合物
▲植入离子
这些通常被统称为“光刻胶”。
▲形成光阻材料
然后，关键的操作来了，我们需要将芯片设计师设计的电路图写到很多层的光罩（掩膜）上，然后用光源透过光罩，像幻灯机一样把光罩上的电路图显影在晶圆表面。
▲投影
由于光敏材料和光的反应，等于将电路图“画”在了晶圆上。
这个过程就是光刻，需要符合要求的光刻机才能完成。
接下来，还要对已经显影了电路图的晶圆进行蚀刻、物理气相沉积等操作，就是给晶圆表面的元件加入金属导线。
▲蚀刻
然后，就是对晶圆进行化学机械研磨，使晶圆表面的材质平坦化。
最后，就是对晶圆进行切割、封装、测试等，最终形成我们使用的芯片。
虽然汐元几句话说完了，但是实际生产的时候，前后可多达5000道工序，极度复杂。
回到刚才说到的光刻环节。光刻光刻，是把光当作刀子一样在晶圆表面刻画电路图。所以，这里的光源，非常重要。
光源的精密程度，决定了写入晶圆的电路的精密程度，也就决定了芯片上的晶体管能做多小，这，也就和我们挂在嘴边的XX纳米工艺直接相关。
怎样定义这个精密程度呢？答案就是光源的波长。
翻一下电磁波的波谱，可以发现在所有的光线中，紫外线的波长几乎是最短的了。
所以，整个半导体制程的进化过程就是考虑怎么使用波长更短的紫外光的过程。
给大家看一张表格：
在此之前，行业里主流的光刻机使用的是DUV深紫外光源。深紫外光源就是波长短于300nm的紫外光线，主要使用的是KrF和ArF两个波段，他们制造40nm制程以下半导体已经比较吃力了。
但是科技厂商们发挥聪明才智，一直让DUV的支持延续到了10nm甚至7nm（也就是所谓的第一代7nm工艺），但是再往下，DUV就真Hold不住了，只能使用波长为13nm左右的EUV极紫外光线。
我们知道，工艺制程越小，技术挑战的难度就越高，当工艺制程小于10nm的时候，逼进物理极限，摩尔定律也面临失效，这种极限挑战下，需要投入的技术资源以及研发资金是不可想象的，全球其实没有多少家半导体企业能支撑。
而当今世界，唯一能够造出EUV极紫外光刻机的，就是ASML。所以它被人们誉为“摩尔定律的拯救者”。
六、EUV光刻机，到底难在哪里？
可能有IT之家小伙伴会问：为什么只有ASML能造出EUV光刻机呢？这个EUV光刻机到底难在哪里？
我们首先需要明白EUV光刻机的工作原理。当然，细节极度复杂，汐元尽量用简单的话讲清楚。
上一节我们讲过，光刻这部分原理其实很简单，就是让光透过写有电路图的多层光罩，将电路图显影在晶圆上。
▲再看一遍这个图
所以有两个关键点，一个是光源，一个是光罩。
极紫外光源怎么产生？方法不止一种，ASML的办法是，用强烈的雷射光两次轰击“锡液滴”，就可以产生波长13.5nm的极紫外光。
▲轰击锡液滴
然后，利用复杂的光学结构将极紫外光变成极紫外光雷射。
具体的方法大家不用了解，涉及高端的化学知识和光学知识。
变成的雷射光还要经过一段复杂的照明光学系统，目的是将雷射光整形成需要的样子，然后通过光罩来成像。
▲图自ASML官方
这里有一点，前面我们说的，过去的光刻机是光线穿透光罩成像，像幻灯机一样。
但是极紫外光不一样，它很脆弱，会被光罩的材料吸收。这是个难点，对光学系统的要求极高。
为了避免极紫外光被吸收，EUV光刻机中，必须使用反射式光罩来成像。
EUV光刻机的原理基本就是这样。说起来简单，但实际有很多难点：
首先，如何让雷射准确击中锡液滴？而且是前脉冲和主脉冲能够击中锡液滴2次，同时每秒钟击50000次。怎么样，吓人吧。
再就是刚才说的，EUV光产生后，还需要经过复杂的光学系统，怎么样让光不被光学镜片吸收，保证转换效率？这需要极端强大的光学技术支持。
还有一个问题是电源，目前的电源无法产生足够的功率让EUV大幅度提高效率。
然后，还有光刻胶光阻的敏感度、光子散射噪音引起的随机现象等，都是EUV光刻机面临的问题。
有数据说，每台EUV光刻机有超过10万个零件、3千条电线、4万个螺栓、2公里长的软管等零组件，最大重量达180公吨。
制造难度可想而知。
这样一台光刻机多少钱呢？
根据媒体报道，此前中芯国际订购的EUV光刻机是1.2亿欧元，相当于人民币9亿多元，而先进的EUV光刻机可以达到1.5亿美元，约合人民币10亿元！这比美国第四代战斗机F35的价格还贵！
虽然这么贵，但想买EUV光刻机还不止是钱的问题，关键是它的产量极低，ASML一年也就能生产十几到二十台EUV光刻机，全球那么多半导体企业，争破头皮也不一定买得到。
七、ASML，舍我其谁的背后
那么ASML凭什么能造出这种设备呢？
这家公司的崛起之路其实也颇为曲折，日后有时间汐元可以详细为大家讲一讲。
简单来说，其实早期的光刻机制造并不复杂，最早是日本的尼康和佳能进入这个领域，但后来让美国的Perkin Elmer和GCA公司捷足先登。
不过尼康和佳能也不是吃素的，在上世纪80年代，逐步击败前面两家美国公司。
那个时候，还没有ASML什么事，他们在1984年成立，当时只是飞利浦的一个小部门。
不过他们很给力，第二年就和蔡司合作改进光学系统，1986年就推出了自家很棒的第二代产品PAS-2500。
到了八十年代末，GCA衰亡，Perkin Elmer卖身给美国另一家巨头光刻机SVG。但后来，SVG发展也不行了，在2000年被ASML收购，ASML在这次收购中获得了关键的反射技术。
90年代末21世纪初，行业需要超越193nm的解决方案，这实际上是ASML和尼康的决战。ASML在2002年接受台积电提出的浸入式193nm的技术方案，光源也就是DUV深紫外光。
而尼康作了一回死，它和英特尔合作一起研发了一个非常超前的技术，结果失败了。
于是ASML从此逐渐超越尼康，成为光刻机领域的霸主。后来英特尔离开了尼康，转身投向ASML阵营。
至于EUV光刻机，其实最早是英特尔牵头搞的，还联合很多公司以及实验室成立了一个专门研究EUV的组织，其中就包括ASML。
后来这个组织解散了，就剩ASML还笃定要做EUV。
2012年，英特尔、三星和台积电分别以41亿、5.03亿、8.38亿欧元入股ASML，因为要打造EUV光刻机，耗资巨大。
当然，英特尔、三星和台积电也没吃亏，后来事实证明，他们不仅享有EUV光刻机的优先供货权，并且由于ASML股价暴涨，在后来出售或减持ASML股份时，这三巨头都获利颇丰。
从这简短的发展历程能看出，之所以只有ASML能造出EUV光刻机，汐元总结，有三个原因：
一是几十年技术积淀，足够耐心。
这个积淀有两个途径，一个是自身研发投入，另一个是并购，例如前面说的，收购SVG获得了关键的反射技术，还有收购美国光学技术供应商Cymer得到了光源技术，收购蔡司半导体公司24.9%的股权，并与之共同研发最顶尖的光学技术。
二是赌对了技术方向，能制造7nm工艺的芯片技术不止一种，但EUV是比较可行的；
第三点，也是最重要的，不缺钱，不缺资源。
ASML有一项独特的规定，就是要想获得光刻机的优先供货权，必须入股自己，这样就等于将半导体巨头们绑定成利益共同体，无论是资金还是技术资源，都有保证。
其实，ASML光刻机设备90%的零部件都依赖外购，正是因为和众多技术供应商形成利益共同体的关系，ASML才能整合最顶尖的资源来办大事。
八，国产光刻机，走在曲折但奋进的路上
ASML虽然伟大，但毕竟是别人家的。
本文开头对当前局势的分析，相信IT之家小伙伴们也很清楚，对于中国来说，只有自己掌握了核心科技，才能不被外界掣肘。
所以最后一节，我们回到文章开头所说情势，聊一聊国产光刻机目前的发展现状。
中国对光刻机的研究起步并不晚，大概在上世纪70年代，早期的型号主要是接触式光刻机。所谓接触式光刻机，也就是光罩贴在晶圆上的。中科院1445所在1977年研制出了一台接触式光刻机，比美国晚了二十年左右。
1985年，机电部45所研制出了第一台分步投影式光刻机，而美国在1978年研制出这种光刻机，当时使用的是436nm G线光源
90年代的时候，国内光刻机在技术上和国外其实相差还不远，大概相当于国外80年代中期的水平。
不过要知道，光刻机这种东西，工艺（即采用光源的波长）每向前进一个台阶，制造的难度、需要的资金，都是指数级增长的，越往后越难搞。
2000年开始，我国开始启动研究193nm ArF光刻机的项目。正如前文所说，那个时候ASML已经正在研究EUV光刻机了。
2002年，光刻机被列入国家863重大科技攻关计划，由科技部和上海市共同推动成立上海微电子装备有限公司来承担。
上海微电子基本上也代表了目前国产光刻机的最高水平。经过十多年的发展，目前其自主研发的600系列光刻机可以实现90nm制程工艺芯片的量产，使用的还是193nm ArF光源。
很明显，从制程工艺的角度上看，国产光刻机目前和ASML差距非常大。不过，国际上其他国家也基本没有量产157nm及以下光刻机的，从这个角度看，国产光刻机和除ASML之外的国际水准也并未落后多少。
目前上海微电子还在研究为65nm制程芯片服务的光刻机，什么时候能够做出来，还不好说。
还有的，就是一些实验室取得的成果，以及一些媒体误读。
例如2019年4月，武汉光电国家研究中心的甘棕松团队成功研发出9nm工艺光刻机，这个就还是实验室里取得的成果，使用的也不是ASML的那一套方案。
再例如2018年11月，中国科学院光电技术研究所“超分辨光刻装备研制”项目通过验收，实现了22nm的分辨率，引起媒体一阵沸腾。
但其实，这个设备基本上可以说并不是用来制造芯片的，距离制造芯片也非常遥远。
所以这里也说明一下，光刻机不仅是用来制造芯片的，也可以用来制造一些光学领域的其他器件等。
总之，目前国产光刻机能实现的制程水平还卡在90nm，和ASML差距明显，高端光刻机还是要靠进口。
九、结语：半导体行业没有捷径
世界局势风云变幻，现实不断催促我们必须尽快在半导体技术领域有所突破。
但是，在这个产业里，其实也没有什么捷径或者弯道超车的路可走，只有一个制程节点一个制程节点地去攻破，积淀技术。想要追赶国际领先的水平，只有付出更多的精力，投入更多的资源。
光刻机，当然至关重要，但并不是说，花钱买来一台EUV光刻机，中国半导体产业就能一跃而上。
同时，这个行业进化节奏之快，对于科研人员来说，也没有太多成绩上的激励，必须十年甚至几十年如一日地沉下心来去做。
而这，是ASML能够崛起的原因，也是我们想要实现追赶的唯一途径。
参考
oFweek，2019-05-25，《中芯国际美国退市是怎么回事？为什么中芯国际美国退市？》
金捷幡，2019-05-06，《光刻机之战》
观察者网，2019-01-07 ，《40年前中国就能造光刻机？真是“开局一张图.....”》
澎湃新闻，2020-01-15，《国产光刻机的现状》
台积电官方资料，2017-06-08，《认识晶圆的制造过程》
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