5月15日，中國科技行業(yè)迎來噩耗，美國對中國半導(dǎo)體領(lǐng)域最尖端企業(yè)華為的制裁終于來到最后階段。
 
　　在將華為納入商品管制目錄剛剛1周年之時，美國商務(wù)部加大了對其技術(shù)封鎖的力度，而且一次就使出了全力——從之前含有25%美國技術(shù)和組件的產(chǎn)品禁止出口，跳過了10%的階段，直接宣布，只要使用美國技術(shù)和設(shè)備的廠商，想要向華為提供產(chǎn)品時，都要向美國商務(wù)部申請。
 
　　考慮到美國在半導(dǎo)體領(lǐng)域的技術(shù)積累，這基本上等于切斷了華為從外界獲得芯片技術(shù)和產(chǎn)品支持的可能。
 
　　在科技行業(yè)的全球領(lǐng)先地位、每年巨量的研發(fā)投入和長期被美國針對，使得在許多人眼中，華為已經(jīng)成了中國科技領(lǐng)域的標(biāo)桿。而它被美國封殺，再次引發(fā)了國內(nèi)民眾對于中國高科技行業(yè)發(fā)展得探討和反思。
 
　　作為科技領(lǐng)域最尖端的產(chǎn)業(yè)之一，中國的芯片產(chǎn)業(yè)有哪些弱點和“命門”?
 
　　事到如今，大多數(shù)人對這個問題都有一定的認(rèn)識，其中最受關(guān)注的無疑是光刻機。經(jīng)過多年討論，大家對“光刻機”“阿斯麥”“ASML”乃至對中國禁運光刻機的《瓦森納協(xié)定》這些詞都已經(jīng)很熟悉了。
 
　　不過到目前為止，很多人其實并不十分了解相關(guān)領(lǐng)域的內(nèi)容，只有一個大體的“落后”印象。那么，中國在這方面到底有多落后?又有哪些關(guān)鍵技術(shù)需要突破?
 
　　復(fù)雜流程
 
　　首先要介紹一下芯片制造的流程。整個芯片產(chǎn)業(yè)鏈基本上可以分成4大塊:最上游是芯片設(shè)計和晶圓制造，中游的芯片制造廠拿到設(shè)計圖后，在晶圓片上刻出芯片，然后送往下游的封測廠進(jìn)行封裝和測試。
 
　　目前在芯片設(shè)計領(lǐng)域，海思已經(jīng)在今年一季度超越聯(lián)發(fā)科，成為全球第4、亞洲第1的IC設(shè)計企業(yè);在晶圓制造領(lǐng)域，我國晶圓雖無法滿足需求，但已有大量的8寸晶圓產(chǎn)線投產(chǎn)，12寸晶圓產(chǎn)線也在快速建設(shè)中;在芯片封測方面，國內(nèi)封測企業(yè)全球市占率已達(dá)到20%，技術(shù)上也處于第一梯隊。
 
　　我國芯片產(chǎn)業(yè)落后的地方集中在芯片制造環(huán)節(jié)。
 
　　光刻是將掩模版上的圖形轉(zhuǎn)移到涂有光致抗蝕劑(或稱光刻膠)的硅片上，通過一系列生產(chǎn)步驟將硅片表面薄膜的特定部分除去的一種圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)。光刻機則是完成這一工作的機器。
 
　　其主要過程為:首先紫外光通過掩膜版照射到附有一層光刻膠薄膜的基片表面，引起曝光區(qū)域的光刻膠發(fā)生化學(xué)反應(yīng);再通過顯影技術(shù)溶解去除曝光區(qū)域或未曝光區(qū)域的光刻膠(前者稱正性光刻膠，后者稱負(fù)性光刻膠)，使掩膜版上的圖形被復(fù)制到光刻膠薄膜上;最后利用刻蝕技術(shù)將圖形轉(zhuǎn)移到基片上。
 
　　有一件事需要注意——雖然光刻機頻繁出現(xiàn)在各種科技新聞頭條中，但是它并非芯片制造的全部?？傮w來看，整個芯片制造流程要經(jīng)過清洗烘干、涂底、旋涂光刻膠、軟烘、對準(zhǔn)曝光、后烘、顯影、硬烘、刻蝕、檢測等多個環(huán)節(jié)，光刻只是其中一部分。
 
　　與之對應(yīng)，整個流程需要的高端機械也是多種多樣，包括光刻機、刻蝕機、離子注入機、晶圓劃片機、晶片減薄機等等。
 
　　之所以國內(nèi)對光刻機宣傳得最多，一方面是因為光刻確實是整個芯片制造環(huán)節(jié)中非常重要的流程，另一方面可能是因為全世界能生產(chǎn)頂級光刻機的只有1家企業(yè)，容易被卡脖子。
 
　　芯片制造的詳細(xì)步驟如下:
 
　　1、清潔和準(zhǔn)備。先用化學(xué)溶液除去晶片表面的有機或無機污染物，然后將晶片加熱烘干，涂上粘合促進(jìn)劑，讓后續(xù)光刻膠更好地粘附在硅片上。
 
　　2、光刻膠旋涂。將光刻膠涂在硅片中心，然后高速旋轉(zhuǎn)硅片，用離心力讓其均勻覆蓋在硅片表面，并且揮發(fā)掉一部分溶劑，隨后將旋涂好的硅片進(jìn)行預(yù)烘烤，再除去部分溶劑。
 
　　3、去除邊緣光刻膠。光刻膠涂覆后，在硅片邊緣的正反兩面都會有光刻膠的堆積，會影響成品，要使用化學(xué)溶劑或曝光的方法將之去除。
 
　　4、對準(zhǔn)。由于硅片是圓的，所以需要在硅片上剪一個缺口來確認(rèn)硅片的坐標(biāo)系，再通過激光自動對準(zhǔn)。
 
　　5、曝光。將覆蓋著光刻膠的硅片暴露在通過掩膜版照射過來強光下，使被照射到的光刻膠發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。
 
　　6、后烘。加熱烘烤，減少入射光的破壞性和建設(shè)性干涉圖樣所引起的駐波現(xiàn)象。
 
　　7、顯影。
 
　　8、硬烘。加熱一段時間，完全蒸發(fā)掉光刻膠里面的溶劑，提高光刻膠在離子注入或刻蝕中保護(hù)下表面的能力。
 
　　9、蝕刻。用液體(濕法刻蝕)或等離子體(干法刻蝕)，去除掉不受光刻膠保護(hù)區(qū)域中的最上層硅片。
 
　　10、去除光刻膠。使用化學(xué)剝離劑將光刻膠從硅片表明剝離，或者用等離子體將其除去，后一種方法也叫灰化。
 
　　其中，從2到8的步驟都屬于光刻工序。此外，上述步驟只是最基本的芯片制造步驟，在如FinFET等新架構(gòu)發(fā)現(xiàn)后，芯片制造又多了許多離子注入等步驟。
 
　　可能會有人覺得光刻的原理很復(fù)雜，實際上很簡單。
 
　　首先要準(zhǔn)備一張晶圓，也就是硅片，然后將光致抗蝕劑(又名光刻膠)涂在上面。這種光刻膠，你可以簡單把它理解為老式相機里的膠卷，平日里是黑色的，一旦見光就會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)變白。你想要什么圖案，就用什么圖案的光源打上去。
 
　　那么，怎么保證打在“膠片”上的是自己想要的準(zhǔn)確圖案呢?這里的原理就如同老式皮影戲——用紙剪裁出兔子的輪廓，再擋在光源前，幕布上就會投影出兔子的形狀。
 
　　剪法分成2種，一種是將不要的地方裁掉，這樣投影出來被遮擋的部分就是需要的形狀;另一種相反，將需要的地方裁掉留空，這樣投影出來未被遮擋的部分就是需要的形狀。
 
　　用來遮擋光源的“剪紙”就是上文提到的掩膜版，也叫“光罩”，業(yè)內(nèi)交流時也會直接用英文“mask”。而2種裁剪方法則對應(yīng)正性/負(fù)性光刻。
 
　　在用這種方法將需要的圖案投映到光刻膠后，用顯影液將不需要的部分溶解掉，這樣，需要的部分就留在了硅片上，接下來就可以使用刻蝕機在硅片上刻出形狀，或者使用新材料，將所需的圖案沉積在光刻膠下面的硅片上。
 
　　那么，這項技術(shù)關(guān)鍵點在哪里?是硅片?是光刻膠?是掩膜版?還是顯影液?
 
　　答案是:都不是。
 
　　光刻光刻，顧名思義，重點在“光”。
 
　　光的藝術(shù)
 
　　決定芯片整體性能的是晶體管密度。同樣面積的芯片，放進(jìn)的晶體管越多，基本上性能就越強。與晶體管密度對應(yīng)的是晶體管的寬度，也叫線寬，晶體管線寬越小，密度就越大。
 
　　我們平時聽到的“7nm工藝”、“5nm工藝”等詞語，實際上就是指的相應(yīng)光刻工藝能加工出的晶體管線寬。
 
　　而決定光刻工藝的，是光的波長。
 
　　要提高光在硅片上的加工精度，就需要提高光刻分辨，也就是能清晰分辨出硅片上相隔很近的特征圖形的能力。根據(jù)瑞利公式，光刻分辨率R=kλ/NA，k代表工藝因子，λ表示波長，NA表示曝光系統(tǒng)的數(shù)值孔徑。
 
　　顯然，要提高光刻分辨率，要么提高工藝(降低k)，要么減小波長(降低λ)，要么提高數(shù)值孔徑。其中最直接的手段是做出更短波長的光源。
 
　　于是從上世紀(jì)80年代到本世紀(jì)初，半導(dǎo)體工程師們將光刻波長從436nm降到365nm，再降到248nm，在世紀(jì)初開始應(yīng)用著名的ArF準(zhǔn)分子激光，并發(fā)展處成熟的激光產(chǎn)業(yè)。包括近視眼手術(shù)在內(nèi)的多種應(yīng)用都應(yīng)用這種激光，相關(guān)激光發(fā)生器和光學(xué)鏡片等都比較成熟。
 
　　與此同時，光刻技術(shù)的工藝制程也從最初的1200nm降至800nm，再降至500nm，繼而是350nm……直到90nm。
 
　　但誰也沒想到，光刻光源的發(fā)展在這個階段卡了很長時間。從2003年使用193nm波長光源開始，直到今天，我們用的所有手機電腦主芯片仍舊大多是193nm光源光刻出來的，制造工藝雖然勉強從90nm發(fā)展到7nm，但這已經(jīng)是極限了。
 
　　此時，英特爾扮演了很重要角色。早在1997年，他們就預(yù)見到了193nm的巨大難度，策劃了一項龐大的行動，召集全球精英，一起開發(fā)新的光刻技術(shù)——極紫外光刻，也就是今天常說的EUV。
 
　　他們說服美國能源部共同牽頭，集合了當(dāng)時如日中天的摩托羅拉以及AMD，以及享有盛譽的美國三大國家實驗室:勞倫斯利弗莫爾實驗室，勞倫斯伯克利實驗室和桑迪亞國家實驗室。更重要的是，他們還說服美國政府，希望允許ASML和尼康加入。
 
　　最終，尼康被拒絕加入，ASML做了一堆對美國貢獻(xiàn)的許諾后獲得允許，埋下了今后走向巔峰的伏筆。
 
　　在此后6年間，項目投資2億美元，召集了數(shù)百位人類科學(xué)精英，發(fā)表了數(shù)百篇論文，驗證了EUV光刻機的可行性。
 
　　極紫外光源(EUV)采用將二氧化碳激光照射在錫等靶材上的方法，將激發(fā)出的13.5 nm光子，一下子將波長縮短了1個數(shù)量級。
 
　　整個光源系統(tǒng)除了光的產(chǎn)生之外，還包括光的收集、光譜的純化與均勻化。由于氣體跟玻璃材料都會影響光源的收集，所以整個腔體必須是真空系統(tǒng)，同時透鏡也需要使用高反射的布拉格透鏡。同時光譜在實現(xiàn)均勻化之后才能得到平行的均勻光，曝光效果才會得到保證。
 
　　隨后，ASML經(jīng)過十來年的巨大投入和艱難研發(fā)，期間三星、臺積電、英特爾共同向ASML注資52.59億歐元，終于將EUV光刻機技術(shù)實現(xiàn)并產(chǎn)業(yè)化。2015年，可量產(chǎn)的樣機發(fā)布。雖然售價高達(dá)1.2億美元一臺，但還是收到雪片一樣的訂單。排隊等交貨，都要等好幾年。
 
　　而在ASML成功推出EUV光刻機后，在193nm時代就已經(jīng)落后的2家日本競爭對手——東芝和尼康，這時更加無力追趕，前者確立了在光刻機生產(chǎn)領(lǐng)域一家獨大的地位。
 
　　這似乎給我國光刻機發(fā)展蒙上了一層陰云。國內(nèi)光刻機制造企業(yè)上海微電子制造的光刻機還停留在90nm工藝的水平——剛剛進(jìn)入193nm波長瓶頸期，相當(dāng)于國外17年前的水平。
 
　　而且，美國集全球頂尖科學(xué)家之力才研發(fā)出EUV技術(shù)，ASML耗費十余年、投入數(shù)十億將其產(chǎn)業(yè)化，在當(dāng)前美國對中國技術(shù)封鎖的情況下，上海微電子將面臨獨自解決這一問題的挑戰(zhàn)。
 
　　難點
 
　　具體而言，光刻機有以下難點:
 
　　1、組裝。
 
　　光刻機最重要的技術(shù)之一是組裝，就是把所有的元件組裝起來，然后使分辨率達(dá)到最高，同時套刻精度達(dá)到最佳。
 
　　“機器內(nèi)部溫度的變化要控制在千分之五度，得有合適的冷卻方法，精準(zhǔn)的測溫傳感器?！毕嚓P(guān)業(yè)內(nèi)人員表示。SMEE最好的光刻機，包含13個分系統(tǒng)，3萬個機械件，200多個傳感器，每一個都要穩(wěn)定。
 
　　2、控制。
 
　　光刻機可能是制造業(yè)內(nèi)對精密性要求最高的產(chǎn)品。光刻的原理就像在米粒大小的面積上，雕刻納米級大小的文字，對于誤差的要求可想而知。
 
　　例如，光刻機里有2個同步運動的工件臺，一個載底片，一個載膠片。兩者需始終同步，誤差在2納米以下。兩個工作臺由靜到動，加速度跟導(dǎo)彈發(fā)射差不多。
 
　　而且，溫濕度和空氣壓力變化會影響對焦。
 
　　3、光源。
 
　　制造EUV需要極高的能量。EUV能被空氣吸收，所以光刻環(huán)節(jié)必須耗電保持真空環(huán)境。更夸張的是，EUV還能被透鏡吸收，所以只能用十幾次面透鏡，通過不斷反射將光源集中。
 
　　每反射1次，EUV的能量就會損失3成。十幾次反射后，到達(dá)晶圓的光線理論上只剩下2%。從能連趕上看，韓國企業(yè)海力士曾經(jīng)說過，極紫外光EUV的能源轉(zhuǎn)換效率只有0.02%左右。
 
　　以此計算，目前ASML的EUV光刻機輸出功率為250瓦，那么其輸入功率將高達(dá)1250000瓦!1臺EUV光刻機的光源工作1天，就要消耗30000度電。
 
　　電費且不說，如何制造出合格的光源，也是一個問題。當(dāng)初ASML收購了全球領(lǐng)先的準(zhǔn)分子激光器供應(yīng)商Cymer，才制造出了合格的產(chǎn)品。
 
　　4、鏡頭。光刻機的中心鏡頭對于鏡頭要求較高，位于光刻機中心的鏡頭，由20多塊鍋底大的鏡片串聯(lián)組成，需要高純度透光以及高拋光。
 
　　目前，符合光刻機要求的鏡片還無法靠機器制造，先進(jìn)光刻機鏡頭全部由手工打磨而成，能夠達(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn)的公司并不多(光刻機工藝制程越高，要求也就越高)。
 
　　早前，ASML以10億歐元現(xiàn)金入股德國著名光學(xué)系統(tǒng)生產(chǎn)商卡爾·蔡司，現(xiàn)在用的都是這家老牌光學(xué)企業(yè)經(jīng)驗豐富的匠人打磨的鏡頭。