中學(xué)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(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已經(jīng)將這種細(xì)微處創(chuàng)造天地的技藝發(fā)展到超乎想象的境地。
本文要說的，就是讓半導(dǎo)體真正能夠妙至顛毫的工具，也是人類工業(yè)最偉大的發(fā)明之一……
一、引子
從1947年美國貝爾實驗室里誕生的點(diǎn)接觸型的鍺晶體管開始，芯片半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)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(qiáng)大的工具——光刻機(jī)。
說到光刻機(jī)，這個一直低調(diào)隱匿在芯片產(chǎn)業(yè)幕后的人類偉大發(fā)明，仿佛一夜之間受到了全世界的關(guān)注。
今天，IT之家小編汐元就和大家聊聊光刻機(jī)的那些事。
二、貿(mào)易風(fēng)云裹挾下的半導(dǎo)體行業(yè)
中美貿(mào)易摩擦從2018年開始不斷升級，影響全球，其中技術(shù)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(nèi)一批高科技企業(yè)。首當(dāng)其沖就是芯片半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。
2018年美國制裁中興的手段立竿見影，正是鎖住了國內(nèi)企業(yè)在芯片產(chǎn)業(yè)上無法自主的咽喉。
而華為能夠抵擋到現(xiàn)在的關(guān)鍵，也是因為華為本身的海思芯片業(yè)務(wù)發(fā)展得風(fēng)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(wěn)定供貨14nm芯片的消息，雖然還不確定結(jié)果，但不得不令人擔(dān)憂。
根據(jù)美國《出口管理條例》的限制，產(chǎn)品涵蓋硬件、軟件等的美國技術(shù)含量超過25%，就會被要求禁止銷售給中國。
哪怕國外制造，但源自美國的內(nèi)容超過25%，也在限制范圍內(nèi)。
報道中稱，臺積電內(nèi)部評估，其7nm工藝源自美國技術(shù)比重不到10%，14nm比重大約15%。
這意味著若美國真的將“源自美國技術(shù)”的標(biāo)準(zhǔn)從25%下調(diào)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(dān)憂的是，萬一未來7nm、甚至5nm芯片供應(yīng)也被限制，那華為無疑也將被扼住7寸。
三、華為的難關(guān)
芯片行業(yè)的玩家大概能分成三種：IDM、Foundry和Fabless。
IDM意思是芯片的設(shè)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(shè)計與銷售，例如華為海思。
是的，華為海思只負(fù)責(zé)做芯片的產(chǎn)品設(shè)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(guān)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。
并且最近市場還有傳聞，臺積電擔(dān)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(chǎn)能。
最終結(jié)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(yīng)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(wù)對華為的支持。
風(fēng)暴來臨的速度永遠(yuǎn)會讓人措手不及。
四、中芯國際，買一臺EUV光刻機(jī)好難
還好華為意識到了這一點(diǎn)，IT之家之前也報道，華為正積極將14nm芯片訂單轉(zhuǎn)交給大陸芯片代工廠中芯國際。
▲圖自：中芯國際官網(wǎng)
中芯國際2019年已經(jīng)成功實現(xiàn)第一代14納米FinFET工藝量產(chǎn)。2020年1月14日，中芯南方廠投產(chǎn)國內(nèi)首條14nm生產(chǎn)線，月產(chǎn)能可達(dá)到3.5萬片。同時，他們的12nm技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入客戶導(dǎo)入階段，這是一個令人振奮的消息。
對于目前十分關(guān)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(nèi)進(jìn)行風(fēng)險試產(chǎn)。
但是，目前有一個問題橫亙在面前：他們?nèi)鄙僖慌_7nm EUV光刻機(jī)。這是決定能否大規(guī)模量產(chǎn)7nm芯片的關(guān)鍵設(shè)備。
根據(jù)日媒披露，中芯國際在2018年就向荷蘭光刻機(jī)巨頭ASML訂購了一臺EUV光刻機(jī)。
ASML是目前全球唯一能生產(chǎn)這種設(shè)備的廠商。雙方計劃的是2019年初交付設(shè)備。
然而，這臺光刻機(jī)的交付之路可謂崎嶇多舛，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(jī)向中芯國際交付的時間點(diǎn)上，ASML的元器件供應(yīng)商Prodrive突遇火災(zāi)，工廠部分庫存、生產(chǎn)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(jìn)行了4輪會談，企圖阻止ASML向中國出售EUV光刻機(jī)。為此美國國務(wù)卿蓬佩奧甚至親自游說荷蘭政府。
這中間，還有荷蘭當(dāng)?shù)孛襟w報道稱ASML美國子公司的中國員工竊取ASML的技術(shù)并泄露給中國企業(yè)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(guān)“延遲交貨”的說法是存在錯誤的，所謂“中國間諜”竊取技術(shù)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(chǎn)權(quán)，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(jī)。
同時ASML解釋了EUV光刻機(jī)目前還沒有交貨的原因：
根據(jù)瓦圣納協(xié)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(jìn)行申請，目前正等待荷蘭政府核準(zhǔn)。
只是到目前，這臺EUV光刻機(jī)究竟何時交付，還是未知數(shù)。
五、從沙子到芯片
說到這里，可能有IT之家小伙伴仍然不清楚光刻機(jī)對于芯片行業(yè)的重要意義，它到底是什么？汐元利用這一節(jié)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(jīng)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(tài)化，然后去除雜質(zhì)，提取高純度的硅。
▲高溫熔化的沙子
接著通過精密控制溫度和旋轉(zhuǎn)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(jìn)一步處理，包括在表面形成矽化合物、植入離子、化學(xué)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(tǒng)稱為“光刻膠”。
▲形成光阻材料
然后，關(guān)鍵的操作來了，我們需要將芯片設(shè)計師設(shè)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(jī)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(yīng)，等于將電路圖“畫”在了晶圓上。
這個過程就是光刻，需要符合要求的光刻機(jī)才能完成。
接下來，還要對已經(jīng)顯影了電路圖的晶圓進(jìn)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(dǎo)線。
▲蝕刻
然后，就是對晶圓進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨，使晶圓表面的材質(zhì)平坦化。
最后，就是對晶圓進(jìn)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(chǎn)的時候，前后可多達(dá)5000道工序，極度復(fù)雜。
回到剛才說到的光刻環(huán)節(jié)。光刻光刻，是把光當(dāng)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(guān)。
怎樣定義這個精密程度呢？答案就是光源的波長。
翻一下電磁波的波譜，可以發(fā)現(xiàn)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(dǎo)體制程的進(jìn)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(yè)里主流的光刻機(jī)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(dǎo)體已經(jīng)比較吃力了。
但是科技廠商們發(fā)揮聰明才智，一直讓DUV的支持延續(xù)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(shù)挑戰(zhàn)的難度就越高，當(dāng)工藝制程小于10nm的時候，逼進(jìn)物理極限，摩爾定律也面臨失效，這種極限挑戰(zhàn)下，需要投入的技術(shù)資源以及研發(fā)資金是不可想象的，全球其實沒有多少家半導(dǎo)體企業(yè)能支撐。
而當(dāng)今世界，唯一能夠造出EUV極紫外光刻機(jī)的，就是ASML。所以它被人們譽(yù)為“摩爾定律的拯救者”。
六、EUV光刻機(jī)，到底難在哪里？
可能有IT之家小伙伴會問：為什么只有ASML能造出EUV光刻機(jī)呢？這個EUV光刻機(jī)到底難在哪里？
我們首先需要明白EUV光刻機(jī)的工作原理。當(dāng)然，細(xì)節(jié)極度復(fù)雜，汐元盡量用簡單的話講清楚。
上一節(jié)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(guān)鍵點(diǎn)，一個是光源，一個是光罩。
極紫外光源怎么產(chǎn)生？方法不止一種，ASML的辦法是，用強(qiáng)烈的雷射光兩次轟擊“錫液滴”，就可以產(chǎn)生波長13.5nm的極紫外光。
▲轟擊錫液滴
然后，利用復(fù)雜的光學(xué)結(jié)構(gòu)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(xué)知識和光學(xué)知識。
變成的雷射光還要經(jīng)過一段復(fù)雜的照明光學(xué)系統(tǒng)，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(diǎn)，前面我們說的，過去的光刻機(jī)是光線穿透光罩成像，像幻燈機(jī)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(diǎn)，對光學(xué)系統(tǒng)的要求極高。
為了避免極紫外光被吸收，EUV光刻機(jī)中，必須使用反射式光罩來成像。
EUV光刻機(jī)的原理基本就是這樣。說起來簡單，但實際有很多難點(diǎn)：
首先，如何讓雷射準(zhǔn)確擊中錫液滴？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(chǎn)生后，還需要經(jīng)過復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，怎么樣讓光不被光學(xué)鏡片吸收，保證轉(zhuǎn)換效率？這需要極端強(qiáng)大的光學(xué)技術(shù)支持。
還有一個問題是電源，目前的電源無法產(chǎn)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(jī)現(xiàn)象等，都是EUV光刻機(jī)面臨的問題。
有數(shù)據(jù)說，每臺EUV光刻機(jī)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(dá)180公噸。
制造難度可想而知。
這樣一臺光刻機(jī)多少錢呢？
根據(jù)媒體報道，此前中芯國際訂購的EUV光刻機(jī)是1.2億歐元，相當(dāng)于人民幣9億多元，而先進(jìn)的EUV光刻機(jī)可以達(dá)到1.5億美元，約合人民幣10億元！這比美國第四代戰(zhàn)斗機(jī)F35的價格還貴！
雖然這么貴，但想買EUV光刻機(jī)還不止是錢的問題，關(guān)鍵是它的產(chǎn)量極低，ASML一年也就能生產(chǎn)十幾到二十臺EUV光刻機(jī)，全球那么多半導(dǎo)體企業(yè)，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(shè)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(xì)為大家講一講。
簡單來說，其實早期的光刻機(jī)制造并不復(fù)雜，最早是日本的尼康和佳能進(jìn)入這個領(lǐng)域，但后來讓美國的Perkin Elmer和GCA公司捷足先登。
不過尼康和佳能也不是吃素的，在上世紀(jì)80年代，逐步擊敗前面兩家美國公司。
那個時候，還沒有ASML什么事，他們在1984年成立，當(dāng)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(jìn)光學(xué)系統(tǒng)，1986年就推出了自家很棒的第二代產(chǎn)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(jī)SVG。但后來，SVG發(fā)展也不行了，在2000年被ASML收購，ASML在這次收購中獲得了關(guān)鍵的反射技術(shù)。
90年代末21世紀(jì)初，行業(yè)需要超越193nm的解決方案，這實際上是ASML和尼康的決戰(zhàn)。ASML在2002年接受臺積電提出的浸入式193nm的技術(shù)方案，光源也就是DUV深紫外光。
而尼康作了一回死，它和英特爾合作一起研發(fā)了一個非常超前的技術(shù)，結(jié)果失敗了。
于是ASML從此逐漸超越尼康，成為光刻機(jī)領(lǐng)域的霸主。后來英特爾離開了尼康，轉(zhuǎn)身投向ASML陣營。
至于EUV光刻機(jī)，其實最早是英特爾牽頭搞的，還聯(lián)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。
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(jī)，耗資巨大。
當(dāng)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(jī)的優(yōu)先供貨權(quán)，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。
從這簡短的發(fā)展歷程能看出，之所以只有ASML能造出EUV光刻機(jī)，汐元總結(jié)，有三個原因：
一是幾十年技術(shù)積淀，足夠耐心。
這個積淀有兩個途徑，一個是自身研發(fā)投入，另一個是并購，例如前面說的，收購SVG獲得了關(guān)鍵的反射技術(shù)，還有收購美國光學(xué)技術(shù)供應(yīng)商Cymer得到了光源技術(shù)，收購蔡司半導(dǎo)體公司24.9%的股權(quán)，并與之共同研發(fā)最頂尖的光學(xué)技術(shù)。
二是賭對了技術(shù)方向，能制造7nm工藝的芯片技術(shù)不止一種，但EUV是比較可行的；
第三點(diǎn)，也是最重要的，不缺錢，不缺資源。
ASML有一項獨(dú)特的規(guī)定，就是要想獲得光刻機(jī)的優(yōu)先供貨權(quán)，必須入股自己，這樣就等于將半導(dǎo)體巨頭們綁定成利益共同體，無論是資金還是技術(shù)資源，都有保證。
其實，ASML光刻機(jī)設(shè)備90%的零部件都依賴外購，正是因為和眾多技術(shù)供應(yīng)商形成利益共同體的關(guān)系，ASML才能整合最頂尖的資源來辦大事。
八，國產(chǎn)光刻機(jī)，走在曲折但奮進(jìn)的路上
ASML雖然偉大，但畢竟是別人家的。
本文開頭對當(dāng)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。
所以最后一節(jié)，我們回到文章開頭所說情勢，聊一聊國產(chǎn)光刻機(jī)目前的發(fā)展現(xiàn)狀。
中國對光刻機(jī)的研究起步并不晚，大概在上世紀(jì)70年代，早期的型號主要是接觸式光刻機(jī)。所謂接觸式光刻機(jī)，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(jī)，比美國晚了二十年左右。
1985年，機(jī)電部45所研制出了第一臺分步投影式光刻機(jī)，而美國在1978年研制出這種光刻機(jī)，當(dāng)時使用的是436nm G線光源
90年代的時候，國內(nèi)光刻機(jī)在技術(shù)上和國外其實相差還不遠(yuǎn)，大概相當(dāng)于國外80年代中期的水平。
不過要知道，光刻機(jī)這種東西，工藝（即采用光源的波長）每向前進(jìn)一個臺階，制造的難度、需要的資金，都是指數(shù)級增長的，越往后越難搞。
2000年開始，我國開始啟動研究193nm ArF光刻機(jī)的項目。正如前文所說，那個時候ASML已經(jīng)正在研究EUV光刻機(jī)了。
2002年，光刻機(jī)被列入國家863重大科技攻關(guān)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(dān)。
上海微電子基本上也代表了目前國產(chǎn)光刻機(jī)的最高水平。經(jīng)過十多年的發(fā)展，目前其自主研發(fā)的600系列光刻機(jī)可以實現(xiàn)90nm制程工藝芯片的量產(chǎn)，使用的還是193nm ArF光源。
很明顯，從制程工藝的角度上看，國產(chǎn)光刻機(jī)目前和ASML差距非常大。不過，國際上其他國家也基本沒有量產(chǎn)157nm及以下光刻機(jī)的，從這個角度看，國產(chǎn)光刻機(jī)和除ASML之外的國際水準(zhǔn)也并未落后多少。
目前上海微電子還在研究為65nm制程芯片服務(wù)的光刻機(jī)，什么時候能夠做出來，還不好說。
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(tuán)隊成功研發(fā)出9nm工藝光刻機(jī)，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。
再例如2018年11月，中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所“超分辨光刻裝備研制”項目通過驗收，實現(xiàn)了22nm的分辨率，引起媒體一陣沸騰。
但其實，這個設(shè)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(yuǎn)。
所以這里也說明一下，光刻機(jī)不僅是用來制造芯片的，也可以用來制造一些光學(xué)領(lǐng)域的其他器件等。
總之，目前國產(chǎn)光刻機(jī)能實現(xiàn)的制程水平還卡在90nm，和ASML差距明顯，高端光刻機(jī)還是要靠進(jìn)口。
九、結(jié)語：半導(dǎo)體行業(yè)沒有捷徑
世界局勢風(fēng)云變幻，現(xiàn)實不斷催促我們必須盡快在半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域有所突破。
但是，在這個產(chǎn)業(yè)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(jié)點(diǎn)一個制程節(jié)點(diǎn)地去攻破，積淀技術(shù)。想要追趕國際領(lǐng)先的水平，只有付出更多的精力，投入更多的資源。
光刻機(jī)，當(dāng)然至關(guān)重要，但并不是說，花錢買來一臺EUV光刻機(jī)，中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)就能一躍而上。
同時，這個行業(yè)進(jìn)化節(jié)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(xiàn)追趕的唯一途徑。
參考
oFweek，2019-05-25，《中芯國際美國退市是怎么回事？為什么中芯國際美國退市？》
金捷幡，2019-05-06，《光刻機(jī)之戰(zhàn)》
觀察者網(wǎng)，2019-01-07 ，《40年前中國就能造光刻機(jī)？真是“開局一張圖.....”》
澎湃新聞，2020-01-15，《國產(chǎn)光刻機(jī)的現(xiàn)狀》
臺積電官方資料，2017-06-08，《認(rèn)識晶圓的制造過程》
天下網(wǎng)商，2020-01-09，《14nm芯片面臨斷供，7nm芯片遭大幅砍單，華為迎來最難一關(guān)》
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