在一顆芯片誕生的過(guò)程中，光刻是最關(guān)鍵又最復(fù)雜的一步。

說(shuō)最關(guān)鍵，是因?yàn)楣饪痰膶?shí)質(zhì)將掩膜版上的芯片電路圖轉(zhuǎn)移至硅片，化虛為實(shí)。說(shuō)最復(fù)雜，是因?yàn)楣饪坦に囆枰?jīng)歷硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻膠、軟烘、對(duì)準(zhǔn)曝光、后烘、顯影、硬烘、刻蝕、檢測(cè)等數(shù)十道工序才得以最終完成。

正因如此，集數(shù)學(xué)、光學(xué)、物理、化學(xué)等眾多學(xué)科技術(shù)于一身的光刻機(jī)，被稱(chēng)之為半導(dǎo)體工業(yè)皇冠上的明珠，占據(jù)晶圓廠(chǎng)設(shè)備投資總額的約25%。

在中美關(guān)系緊張的大背景下，這顆“明珠”備受關(guān)注，其光環(huán)似乎已經(jīng)蓋過(guò)了其他半導(dǎo)體設(shè)備，更是有聲音認(rèn)為只要擁有一臺(tái)EUV光刻機(jī)，中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的問(wèn)題基本就能解決。

但事實(shí)并非如此。

以光刻技術(shù)為中心的行業(yè)壁壘

盡管將整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的難題歸結(jié)到一臺(tái)EUV光刻機(jī)有失偏頗，但是以光刻技術(shù)為中心衍生出的眾多難題確實(shí)是全世界范圍內(nèi)業(yè)界研究的重點(diǎn)，也構(gòu)建起比較高的行業(yè)壁壘。

在本月初舉行的第四屆國(guó)際先進(jìn)光刻技術(shù)研討會(huì)上，來(lái)自中國(guó)、美國(guó)、德國(guó)、日本、荷蘭等世界各地眾多名企、廠(chǎng)商、科研機(jī)構(gòu)、高校的技術(shù)專(zhuān)家和學(xué)者，共同探討了光刻領(lǐng)域先進(jìn)節(jié)點(diǎn)的最新技術(shù)手段和解決方案，解決方案涵蓋范圍之廣，包括材料、設(shè)備、工藝、測(cè)量、計(jì)算光刻和設(shè)計(jì)優(yōu)化等。

先進(jìn)光刻技術(shù)解決方案涵蓋范圍之廣泛與光刻機(jī)自身屬性密切相關(guān)。如果將一臺(tái)光刻機(jī)的系統(tǒng)進(jìn)行拆分，可以分為光源系統(tǒng)、掩模態(tài)系統(tǒng)、自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)、調(diào)平調(diào)焦測(cè)量系統(tǒng)、框架減震系統(tǒng)、環(huán)境控制系統(tǒng)、掩模傳輸系統(tǒng)、投影物鏡系統(tǒng)、硅片傳輸系統(tǒng)、工作臺(tái)系統(tǒng)、整機(jī)控制系統(tǒng)、整機(jī)軟件系統(tǒng)等，這意味著如果想要讓一臺(tái)光刻機(jī)發(fā)揮出最大潛能，就需要各個(gè)系統(tǒng)保持高性能運(yùn)轉(zhuǎn)。

而為光刻機(jī)提供各個(gè)系統(tǒng)組件，本身就存在一定的壁壘。

以光源系統(tǒng)為例，光源公司發(fā)展到現(xiàn)在，世界上真正賣(mài)光源系統(tǒng)的公司只剩 Cymer和Gigaphoton兩家，且前者已被光刻機(jī)巨頭公司AMSL收購(gòu)。在第四屆國(guó)際光刻技術(shù)研討會(huì)會(huì)議上，來(lái)自Gigaphoton的Toshihiro Oga在同媒體交流時(shí)表示：“光源制造面臨的挑戰(zhàn)眾多，光刻機(jī)要求光源有很高的性能，例如高對(duì)比度和純凈無(wú)缺陷的成像質(zhì)量，同時(shí)也要控制成本和可靠性，這些東西往往很難互相匹配。另外從客戶(hù)的角度而言，通常光源系統(tǒng)不具有通用性，專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)?！?/p>

Toshihiro Oga還透露，光源系統(tǒng)市場(chǎng)窄，但需要的投資卻很大。

雷鋒網(wǎng)了解到，Gigaphoton每年出貨的200個(gè)單元光源，其中80個(gè)用于浸沒(méi)式Arf光刻機(jī)，20個(gè)用于普通的Arf光刻機(jī)，剩余的100個(gè)用于Krf光刻機(jī)。

在光源系統(tǒng)領(lǐng)域，技術(shù)壁壘之外還面臨資金和市場(chǎng)的難題，因此也就不難理解為何20年前美國(guó)日本一眾的激光光源公司發(fā)展到今天僅剩兩家了。

在材料方面，廈門(mén)大學(xué)嘉庚創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室科技總監(jiān)Mark Neisser表示，越頂尖的光刻機(jī)對(duì)材料的精度越高，但評(píng)價(jià)光刻材料沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)槊總€(gè)代工廠(chǎng)在制造工藝上都有自己的喜好。一款光刻材料的誕生往往經(jīng)歷客戶(hù)定義需求和標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)室或材料公司選擇化學(xué)材料制作溶液進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)需要避免一些專(zhuān)利問(wèn)題。這意味著，從某種程度而言，光刻材料不具備通用性，這又是光刻技術(shù)在發(fā)展過(guò)程中的一大難點(diǎn)。

被忽略的半導(dǎo)體設(shè)備

在全球的光刻機(jī)公司中，ASML、Nikon和Canon長(zhǎng)期位列前三，其中ASML憑借上游供應(yīng)商的頂尖技術(shù)和下游廠(chǎng)商的巨額投資，出貨量位居世界第一，同時(shí)以“全球唯一能生產(chǎn)EUV光刻機(jī)”被大眾熟知。

通過(guò)上文的剖析，已經(jīng)足以理解光刻技術(shù)行業(yè)壁壘之高，而一臺(tái)光刻機(jī)尤其是頂尖光刻機(jī)的誕生，需要的是全球產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)作，僅憑一國(guó)之力難以造出。

事實(shí)上，目前需要用到EUV光刻機(jī)這樣頂尖工藝的地方只占據(jù)芯片制造的一小部分，例如消費(fèi)電子所需要的7nm、5nm工藝芯片。光刻機(jī)是芯片制造的關(guān)鍵，但從整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的角度來(lái)說(shuō)，并非是非EUV光刻機(jī)不可。

或許除了EUV光刻機(jī)，包括刻蝕機(jī)、薄膜設(shè)備、測(cè)試設(shè)備、清洗設(shè)備在內(nèi)的這些在常用制程中都會(huì)用到的半導(dǎo)體設(shè)備同樣值得關(guān)注。

尤其是隨著晶體管工藝制程的推進(jìn)，經(jīng)曝光后的晶體管結(jié)構(gòu)尺寸較大，沉積和刻蝕在制造FinFET 鰭式場(chǎng)效應(yīng)管中愈發(fā)重要。2017年，刻蝕機(jī)就取代光刻機(jī)的位置成為了晶圓加工廠(chǎng)投資最多的設(shè)備。

那么在其他半導(dǎo)體設(shè)備上，我國(guó)表現(xiàn)如何呢？

2016年9月主要制造涂膠顯影設(shè)備和清洗機(jī)的半導(dǎo)體設(shè)備制造商沈陽(yáng)芯源微電子成功出廠(chǎng)第500臺(tái)設(shè)備，成為國(guó)內(nèi)新興半導(dǎo)體設(shè)備制造廠(chǎng)家中首家邁過(guò)500臺(tái)設(shè)備出廠(chǎng)門(mén)檻的企業(yè)，創(chuàng)下里程碑式的發(fā)展。此后，沈陽(yáng)芯源作為國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備的代表也一直備受關(guān)注。

2019年12月，沈陽(yáng)芯源成為第一批上市科創(chuàng)板的公司之一，且在該公司的最新官方報(bào)道中，第900臺(tái)設(shè)備于10月30日成功出廠(chǎng)，2020年3季度公司凈利潤(rùn)2268.61萬(wàn)元，同比增長(zhǎng)4761%。

在第四屆國(guó)際光刻技術(shù)研討會(huì)期間，芯源微前道事業(yè)部總經(jīng)理謝永剛給出了可供國(guó)內(nèi)其他半導(dǎo)體設(shè)備廠(chǎng)商參考的經(jīng)驗(yàn)，他表示：“國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體設(shè)備普遍起步晚、發(fā)展晚，因此需要經(jīng)歷相對(duì)漫長(zhǎng)的探索過(guò)程，在探索的過(guò)程首先需要定位清晰，然后需要抓住合適的時(shí)機(jī)切入，最重要的是獲得客戶(hù)的認(rèn)同感，這需要良好的工藝能力、設(shè)備的穩(wěn)定性、品質(zhì)控管體系以及值得信任的售后服務(wù)。”

同時(shí)，芯源公司也表示，芯源的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手是世界級(jí)廠(chǎng)商，目前在頂尖技術(shù)的發(fā)展上已經(jīng)引入了一些技術(shù)專(zhuān)家，正在努力追趕當(dāng)中。

設(shè)備之外，還有對(duì)基本原理和極限的理解不足

不過(guò)，無(wú)論是光刻機(jī)設(shè)備，還是其他半導(dǎo)體設(shè)備，都只不過(guò)是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的其中一環(huán)，解決了設(shè)備問(wèn)題，可能還需要解決設(shè)備維護(hù)、材料、人才等方面的問(wèn)題。

中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)秘書(shū)長(zhǎng)、浙江大學(xué)教授、現(xiàn)代光學(xué)儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任劉旭在第四屆國(guó)際光刻技術(shù)研討會(huì)上就表示：“中國(guó)半導(dǎo)體的發(fā)展不是一個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題，不要把一個(gè)很復(fù)雜的全行業(yè)問(wèn)題變成只有一個(gè)局部點(diǎn)上的問(wèn)題，重要的問(wèn)題不等于唯一的問(wèn)題。”

此外，對(duì)于中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)與其他先進(jìn)國(guó)家的差距，劉旭教授還認(rèn)為：“一些器件的設(shè)計(jì)和制造，非?？简?yàn)基礎(chǔ)工業(yè)實(shí)力，很多時(shí)候基于同樣的原理，別人能做好，我們做不好，實(shí)質(zhì)上是我們?nèi)狈?duì)基礎(chǔ)的理解和對(duì)材料極限特性的理解。”

同時(shí)，對(duì)于是否應(yīng)該建立中國(guó)自己的半導(dǎo)體行業(yè)體系，劉旭教授表示，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)建設(shè)不應(yīng)該一擁而上，而應(yīng)該找到合適的技術(shù)、合適的人在合適的時(shí)間去做這件事，之后國(guó)家才有可能將其湊成一條線(xiàn)，目前半導(dǎo)體行業(yè)的熱不一定是一件是好事，很可能造成資源的浪費(fèi)，需要警惕一些利益團(tuán)隊(duì)借此機(jī)會(huì)掠奪社會(huì)資源。

小結(jié)

近一兩年來(lái)，半導(dǎo)體行業(yè)火熱，以EUV光刻機(jī)為代表的關(guān)鍵技術(shù)備受社會(huì)關(guān)注，有聲音認(rèn)為只要我們能夠自己制造出一臺(tái)EUV光刻機(jī)，國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展問(wèn)題就基本解決，但事實(shí)并非如此。EUV光刻機(jī)只不過(guò)是中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展路上需要解決的問(wèn)題的一個(gè)縮影，重要的，但絕非唯一的問(wèn)題。

責(zé)任編輯：PSY