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        阿斯麥的啟示:國產(chǎn)EUV何時到來?

        2023-11-13 18:37:10曾文仁
        看世界 2023年21期
        關(guān)鍵詞:光刻機(jī)光刻機(jī)臺

        曾文仁

        2021年11月7日,第四屆進(jìn)博會,阿斯麥以裸眼3D視頻形式展示EUV光刻機(jī)的內(nèi)部運(yùn)作原理

        所謂中國清華大學(xué)成功突破EUV光刻機(jī)技術(shù)難關(guān),且工廠已于雄安新區(qū)運(yùn)行的虛假新聞,近日得到了求證并非為事實(shí),卻依然引起了廣泛討論。中國電子院其后澄清,虛假新聞?wù)掌皇枪饪虣C(jī),而是北京高能同步輻射光源(HEPS)項目,是國家“十三五”的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施。

        一個煞有介事的謠言,能在國內(nèi)網(wǎng)絡(luò)廣泛散播,最后竟需要中國電子院出面澄清辟謠,背后反映著中國社會對科技發(fā)展未來的焦慮,以及在芯片和光刻機(jī)層面被“卡脖子”憂心忡忡的社會心理。

        光刻機(jī)是制造芯片的工具

        了解事實(shí)應(yīng)從基本概念開始。光刻是制造芯片的其中一項重要工序,而光刻機(jī)是芯片的制造裝置。光刻又名微影制程,據(jù)龍頭企業(yè)阿斯麥(ASML)臺版官網(wǎng)最簡潔的描述,是“用光將電路設(shè)計圖微縮投印在硅芯片上—這是量產(chǎn)芯片時最重要的步驟”。

        光刻系統(tǒng)本質(zhì)上是一個投影系統(tǒng),利用光線穿透印有電路圖的光罩,在芯片上投印出電路設(shè)計圖,而光罩上的電路圖是實(shí)際芯片呈現(xiàn)圖案的4倍大。透過光線投射出光罩上的圖案,光刻系統(tǒng)中的光學(xué)器件會微縮,并將圖案聚焦到感光的硅晶圓上。當(dāng)圖案投印完成后,系統(tǒng)會稍微移動晶圓,并在晶圓上進(jìn)行另一次復(fù)制。

        精密的光刻系統(tǒng)有助更精確投印更細(xì)致的電路設(shè)計圖在硅晶圓上,從而有望制造更高階的芯片。在中國大陸,上海微電子是國內(nèi)龍頭企業(yè),國內(nèi)市占率號稱高達(dá)80%,機(jī)器主要售于中芯國際、海思半導(dǎo)這般的國內(nèi)芯片制造商,旗下600系列光刻機(jī)是最精密的型號。消息指出,上海微電子現(xiàn)正著力研制能提高至28納米的光刻機(jī)。

        2022年5月,在真空室中進(jìn)行的蔡司光學(xué)系統(tǒng)測試,該系統(tǒng)將用于ASML開發(fā)的最新光刻機(jī)中

        在全球?qū)用妫商m的阿斯麥則占盡優(yōu)勢,它為臺積電、英特爾、三星等國際芯片制造商提供機(jī)器。阿斯麥在14納米制程以下高端制程的市占率近100%,且已可覆蓋5納米的制程,現(xiàn)更進(jìn)一步向2納米等更精密的制程邁進(jìn)。

        在芯片的制程中,數(shù)字越小,意味同等面積的芯片放置更多電路,制造出的芯片亦更為精密。電子裝置配置這些先進(jìn)芯片,運(yùn)算能力更高,亦意味著能夠以更少時間作更多運(yùn)算。在光刻工序而言,數(shù)字越少,意味需更精確將更多電路設(shè)計路徑投印至硅晶圓上,經(jīng)過研磨、蝕刻等其他工序,最后形成精密的芯片。

        兩家在地球兩側(cè)的企業(yè),有著共同的“祖先”。

        縮小芯片是光刻技術(shù)的初心

        談及光刻技術(shù)前,我們需要了解芯片業(yè)發(fā)展的原動力,亦即削減成本、利潤最大化。除了不斷外包生產(chǎn)工序到發(fā)展中國家,技術(shù)層面的一大方向是不斷縮小芯片的面積,讓同等面積的硅晶圓能制造出更多、電路更細(xì)致的芯片。隨著科技進(jìn)步和芯片公司營利的追求,多年來芯片的體積持續(xù)下降—這就是我們耳熟能詳?shù)哪柖擅枋龅内厔荨?/p>

        多年來,科學(xué)家不斷分析、拆解、優(yōu)化芯片制程的各個步驟,削尖了腦袋也要研究進(jìn)一步縮小芯片的辦法。然而,當(dāng)制造的芯片面積越小,進(jìn)一步縮小其面積的難度亦越來越大,最終光波也成為需要克服的難關(guān),那就是光刻技術(shù)的科技革命時刻。

        以往電晶體較大時,光刻機(jī)使用的光波長度無關(guān)緊要,不過,當(dāng)芯片量度單位已踏入日常生活難以想象的微米(?m)甚至納米(nm)階段,數(shù)百納米長的光波足以影響蝕刻電路的精度。

        簡單而言,光線的波長愈小,可刻在芯片上的細(xì)節(jié)愈多。在1990年代,當(dāng)時的電晶體的量度單位已是數(shù)百納米,研究人員開始努力尋找對硅晶圓曝光最好的光束。制造能運(yùn)用這種光束的光刻機(jī),在當(dāng)時技術(shù)和資本要求已非常高。當(dāng)年的光刻機(jī)龍頭是日本的尼康和佳能,運(yùn)用的技術(shù)是深紫外光(DUV),波長是肉眼看不見的248或193納米。他們既生產(chǎn)芯片,也自行制造光刻機(jī)。

        1992年,在英特爾工作的科學(xué)家卡拉瑟斯希望進(jìn)一步研究更精密的光束,將更小波長的光線用于微影成像,于是向英特爾要求2億美元的經(jīng)費(fèi),開發(fā)波長僅為13.5納米的極紫外光(EUV)技術(shù)。

        英特爾的負(fù)責(zé)人經(jīng)過商討后,發(fā)現(xiàn)他們別無選擇,只能提供經(jīng)費(fèi)。英特爾最終投入數(shù)十億美元研發(fā)經(jīng)費(fèi),再額外投資數(shù)十億美元學(xué)習(xí)如何在芯片光刻中運(yùn)用極紫外光。

        EUV的光線接近X光線,而非介乎紅色與紫色之間的可見光,這是肉眼看不到、波長極短的光。不同于一般的紫外光技術(shù),EUV技術(shù)只能在低真空環(huán)境中運(yùn)作,技術(shù)難度更高。

        與日本芯片制造商迷戀“工匠精神”的路徑不同,英特爾一直沒有計劃自行生產(chǎn)EUV設(shè)備,但它需要確保世上最少有一家頂尖光刻機(jī)公司能夠生產(chǎn)EUV設(shè)備,讓英特爾能繼續(xù)蝕刻愈來愈微觀的電路。

        阿斯麥的崛起與EUV革命

        這就迎來了當(dāng)今光刻機(jī)龍頭企業(yè)阿斯麥崛起的時刻。1984年,荷蘭飛利浦將光刻技術(shù)部門分拆,成立阿斯麥。阿斯麥成立之初,正值芯片業(yè)低潮,公司管理層認(rèn)為不可能自行制造整套系統(tǒng),相反,應(yīng)從世界各地采購多個供應(yīng)商最頂尖的零件,從而組裝最強(qiáng)的系統(tǒng)。

        與當(dāng)年的日本企業(yè)試圖自行制造一切的做法完全相反,這種能兼采各家所長的供應(yīng)鏈風(fēng)險管理能力,成為阿斯麥的看家本領(lǐng),為其日后開發(fā)EUV機(jī)臺創(chuàng)造極大優(yōu)勢。

        EUV技術(shù)不是阿斯麥或荷蘭的創(chuàng)新,這是英特爾和六家美國芯片商,以及美國能源部國家實(shí)驗(yàn)室斥巨資開發(fā)的美國科研成果。這項研究成果需交由可信的公司,推動商業(yè)化、量產(chǎn)EUV機(jī)臺。

        當(dāng)時美國本土的光刻機(jī)企業(yè)硅谷集團(tuán)(SVG)技術(shù)落后,不堪大任。另一選項是日本廠商,不過上世紀(jì)80年代的日本企業(yè)與美國發(fā)生貿(mào)易糾紛,自然不可能充分信任對方。

        阿斯麥作為荷蘭公司,在1980年代的日美貿(mào)易糾紛中有著中立的地位,受美國政府和英特爾等美國芯片商信任,成為唯一選擇。1990年代正值冷戰(zhàn)結(jié)束,美國作為唯一超級大國意氣風(fēng)發(fā),“歷史終結(jié)論”盛行。部分美國參議員提出疑慮,EUV光刻機(jī)交由外國企業(yè)生產(chǎn)會危害國家安全,提出要不要拒絕阿斯麥?zhǔn)召徝绹饪虣C(jī)企業(yè)等單邊主義想法,這被美國社會和政界視為與全球化大勢不符的落伍觀點(diǎn)。

        阿斯麥為消除美國戒心,除交出在美國本土設(shè)廠、采購美國零件等“投名狀”外,更邀請英特爾、臺積電、韓國三星成為股東。這是阿斯麥能獲得美國科技“壓箱寶”的一大原因,也為自己帶來全球最頂尖的元件。

        有利的國際政治、經(jīng)濟(jì)環(huán)境,配以能兼采各國頂尖零件的供應(yīng)鏈管理能力,最終讓阿斯麥成為光刻機(jī)的龍頭。日本的尼康、佳能主動退出光刻機(jī)制造市場,加上阿斯麥在2001年成功收購美國唯一的光刻機(jī)公司SVG,讓阿斯麥成為量產(chǎn)EUV光刻機(jī)的唯一希望—值得注意的是,至此離EUV光刻機(jī)量產(chǎn)尚有十多年。

        2023年6月30日,上海,中國國際半導(dǎo)體設(shè)備制造展覽會,參觀者了解尼康光刻機(jī)

        2022年7月,德國博世半導(dǎo)體工廠

        阿斯麥的EUV機(jī)臺不是真正的荷蘭產(chǎn)品,“這些神奇的機(jī)臺是許多國家的產(chǎn)物,沒有一個國家能宣稱自己擁有一切?!?/blockquote>

        全球協(xié)作芯片制造生態(tài)系統(tǒng)

        阿斯麥第一臺可運(yùn)行的EUV面世前,英特爾、臺積電、三星都直接投資在阿斯麥,阿斯麥亦明白EUV是風(fēng)險極高但利潤亦極高的項目,亦把所有資源押上開發(fā)機(jī)臺。但當(dāng)年,日本廠商尼康不相信EUV技術(shù)可行,看好阿斯麥的只有臺積電。

        2002年,時任臺積電研發(fā)副總經(jīng)理林本堅,發(fā)明出浸潤式微影技術(shù)(Immersion Lithography),在鏡頭和晶圓之間注入水,光的波長在水中縮短,改變以往干式曝光的方法。阿斯麥與臺積電一拍即合,2004年已造出第一臺樣機(jī),先后奪下IBM和臺積電等大客戶的訂單。

        阿斯麥全球副總裁暨技術(shù)開發(fā)中心主任嚴(yán)濤南博士提及,臺積電與阿斯麥組成的團(tuán)隊長期緊密合作,而阿斯麥為確保供應(yīng)鏈穩(wěn)固,亦不惜工本投資下游供應(yīng)商。阿斯麥與合作伙伴歷經(jīng)二十多年的努力,已構(gòu)成一個龐大的跨國生態(tài)系統(tǒng),彼此早已是最親密的戰(zhàn)友。

        值得一提是,飛利浦也是臺積電成立之初的主要投資者,而臺積電的芯片則按照飛利浦規(guī)格制造。這為阿斯麥創(chuàng)造了一個內(nèi)建的光刻機(jī)市場,兩家在地球兩側(cè)的企業(yè),有著共同的“祖先”。臺積電在1989年的一場大火,意外地為阿斯麥帶來19部新光刻機(jī)的業(yè)務(wù),這種協(xié)作關(guān)系持續(xù)30多年,直到今天。

        今天,阿斯麥在官網(wǎng)大膽宣稱:“ASML是全世界唯一采用極紫外光的微影設(shè)備制造商?!彼麄兂掷m(xù)投入研發(fā),著力克服控制EUV極紫外光光源,推動EUV系統(tǒng)商用化,更已發(fā)展下一代High-NA EUV平臺,號稱能力優(yōu)于現(xiàn)有EUV平臺高達(dá)70%。阿斯麥和EUV的成功延續(xù)了摩爾定律的發(fā)展,讓3納米等高端芯片制造成為可能。

        集合全球最優(yōu)解

        回到芯片制造的討論,使用EUV技術(shù)光刻機(jī)能夠制造的芯片,遠(yuǎn)比DUV技術(shù)機(jī)臺的產(chǎn)品精密。臺積電、韓國三星能買到最頂尖的EUV光刻機(jī),故能進(jìn)行14納米以下的先進(jìn)制程,各憑實(shí)力制造3或5納米的尖端芯片。

        中國芯片制造商受限于荷蘭政府的出口限制,不能買到最先進(jìn)的EUV機(jī)臺,只能用阿斯麥較低階的機(jī)臺,甚至國產(chǎn)的DUV機(jī)臺,兩者芯片制成品的版本落差不難想象。至于中國能否自行生產(chǎn)EUV機(jī)臺,若仔細(xì)考察阿斯麥的案例,恐怕只是緣木求魚。

        誠如《芯片戰(zhàn)爭》作者克里斯·米勒所提及的,阿斯麥的EUV機(jī)臺不是真正的荷蘭產(chǎn)品,它的關(guān)鍵零件是來自美國加州的西盟、德國的蔡司和創(chuàng)浦,而科研技術(shù)來自美國德州、中國臺灣?!斑@些神奇的機(jī)臺是許多國家的產(chǎn)物,沒有一個國家能宣稱自己擁有一切?!边@是作者一針見血的結(jié)論。

        參考阿斯麥的發(fā)跡史,光刻機(jī)研發(fā)和制造是燒錢、燒腦且極耗光陰的玩意,不能急功近利,更不應(yīng)成為浮夸的空談。

        “他山之石,可以攻玉”,科技發(fā)展尤是。全球化的時代中,科技發(fā)展應(yīng)講求與全球的精英合作,使用全世界最好的設(shè)備和零件,追求最優(yōu)的解方,盲目的單干不應(yīng)成為選項。日本30年前抱殘守缺的“工匠精神”,使之與頂尖技術(shù)失之交臂,難道我們今天要重蹈覆轍嗎?

        責(zé)任編輯吳陽煜 wyy@nfcmag.com

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