阿斯麥的啟示：國(guó)產(chǎn)EUV何時(shí)到來(lái)？
2023-11-13 18:37:10曾文仁
看世界 2023年21期
曾文仁
2021年11月7日，第四屆進(jìn)博會(huì)，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(guó)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(guó)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(xiàng)目，是國(guó)家“十三五”的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施。
一個(gè)煞有介事的謠言，能在國(guó)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)廣泛散播，最后竟需要中國(guó)電子院出面澄清辟謠，背后反映著中國(guó)社會(huì)對(duì)科技發(fā)展未來(lái)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(huì)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(kāi)始。光刻是制造芯片的其中一項(xiàng)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(tái)版官網(wǎng)最簡(jiǎn)潔的描述，是“用光將電路設(shè)計(jì)圖微縮投印在硅芯片上—這是量產(chǎn)芯片時(shí)最重要的步驟”。
光刻系統(tǒng)本質(zhì)上是一個(gè)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(jì)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(guò)光線投射出光罩上的圖案，光刻系統(tǒng)中的光學(xué)器件會(huì)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(huì)稍微移動(dòng)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(jì)圖在硅晶圓上，從而有望制造更高階的芯片。在中國(guó)大陸，上海微電子是國(guó)內(nèi)龍頭企業(yè)，國(guó)內(nèi)市占率號(hào)稱(chēng)高達(dá)80%，機(jī)器主要售于中芯國(guó)際、海思半導(dǎo)這般的國(guó)內(nèi)芯片制造商，旗下600系列光刻機(jī)是最精密的型號(hào)。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(cè)試，該系統(tǒng)將用于ASML開(kāi)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(shì)，它為臺(tái)積電、英特爾、三星等國(guó)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(shí)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(jì)路徑投印至硅晶圓上，經(jīng)過(guò)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(dòng)力，亦即削減成本、利潤(rùn)最大化。除了不斷外包生產(chǎn)工序到發(fā)展中國(guó)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(yíng)利的追求，多年來(lái)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?shì)。
多年來(lái)，科學(xué)家不斷分析、拆解、優(yōu)化芯片制程的各個(gè)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(lái)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(shí)刻。
以往電晶體較大時(shí)，光刻機(jī)使用的光波長(zhǎng)度無(wú)關(guān)緊要，不過(guò)，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(zhǎng)的光波足以影響蝕刻電路的精度。
簡(jiǎn)單而言，光線的波長(zhǎng)愈小，可刻在芯片上的細(xì)節(jié)愈多。在1990年代，當(dāng)時(shí)的電晶體的量度單位已是數(shù)百納米，研究人員開(kāi)始努力尋找對(duì)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(shí)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(zhǎng)是肉眼看不見(jiàn)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(zhǎng)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(kāi)發(fā)波長(zhǎng)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(guò)商討后，發(fā)現(xiàn)他們別無(wú)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(jiàn)光，這是肉眼看不到、波長(zhǎng)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(méi)有計(jì)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(lái)愈微觀的電路。
阿斯麥的崛起與EUV革命
這就迎來(lái)了當(dāng)今光刻機(jī)龍頭企業(yè)阿斯麥崛起的時(shí)刻。1984年，荷蘭飛利浦將光刻技術(shù)部門(mén)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(gòu)多個(gè)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(zhǎng)的供應(yīng)鏈風(fēng)險(xiǎn)管理能力，成為阿斯麥的看家本領(lǐng)，為其日后開(kāi)發(fā)EUV機(jī)臺(tái)創(chuàng)造極大優(yōu)勢(shì)。
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(guó)芯片商，以及美國(guó)能源部國(guó)家實(shí)驗(yàn)室斥巨資開(kāi)發(fā)的美國(guó)科研成果。這項(xiàng)研究成果需交由可信的公司，推動(dòng)商業(yè)化、量產(chǎn)EUV機(jī)臺(tái)。
當(dāng)時(shí)美國(guó)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(xiàng)是日本廠商，不過(guò)上世紀(jì)80年代的日本企業(yè)與美國(guó)發(fā)生貿(mào)易糾紛，自然不可能充分信任對(duì)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(guó)政府和英特爾等美國(guó)芯片商信任，成為唯一選擇。1990年代正值冷戰(zhàn)結(jié)束，美國(guó)作為唯一超級(jí)大國(guó)意氣風(fēng)發(fā)，“歷史終結(jié)論”盛行。部分美國(guó)參議員提出疑慮，EUV光刻機(jī)交由外國(guó)企業(yè)生產(chǎn)會(huì)危害國(guó)家安全，提出要不要拒絕阿斯麥?zhǔn)召?gòu)美國(guó)光刻機(jī)企業(yè)等單邊主義想法，這被美國(guó)社會(huì)和政界視為與全球化大勢(shì)不符的落伍觀點(diǎn)。
阿斯麥為消除美國(guó)戒心，除交出在美國(guó)本土設(shè)廠、采購(gòu)美國(guó)零件等“投名狀”外，更邀請(qǐng)英特爾、臺(tái)積電、韓國(guó)三星成為股東。這是阿斯麥能獲得美國(guó)科技“壓箱寶”的一大原因，也為自己帶來(lái)全球最頂尖的元件。
有利的國(guó)際政治、經(jīng)濟(jì)環(huán)境，配以能兼采各國(guó)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(dòng)退出光刻機(jī)制造市場(chǎng)，加上阿斯麥在2001年成功收購(gòu)美國(guó)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(guó)國(guó)際半導(dǎo)體設(shè)備制造展覽會(huì)，參觀者了解尼康光刻機(jī)
2022年7月，德國(guó)博世半導(dǎo)體工廠
阿斯麥的EUV機(jī)臺(tái)不是真正的荷蘭產(chǎn)品，“這些神奇的機(jī)臺(tái)是許多國(guó)家的產(chǎn)物，沒(méi)有一個(gè)國(guó)家能宣稱(chēng)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(tái)可運(yùn)行的EUV面世前，英特爾、臺(tái)積電、三星都直接投資在阿斯麥，阿斯麥亦明白EUV是風(fēng)險(xiǎn)極高但利潤(rùn)亦極高的項(xiàng)目，亦把所有資源押上開(kāi)發(fā)機(jī)臺(tái)。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(tái)積電。
2002年，時(shí)任臺(tái)積電研發(fā)副總經(jīng)理林本堅(jiān)，發(fā)明出浸潤(rùn)式微影技術(shù)（Immersion Lithography），在鏡頭和晶圓之間注入水，光的波長(zhǎng)在水中縮短，改變以往干式曝光的方法。阿斯麥與臺(tái)積電一拍即合，2004年已造出第一臺(tái)樣機(jī)，先后奪下IBM和臺(tái)積電等大客戶(hù)的訂單。
阿斯麥全球副總裁暨技術(shù)開(kāi)發(fā)中心主任嚴(yán)濤南博士提及，臺(tái)積電與阿斯麥組成的團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)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(gè)龐大的跨國(guó)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(tái)積電成立之初的主要投資者，而臺(tái)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(gè)內(nèi)建的光刻機(jī)市場(chǎng)，兩家在地球兩側(cè)的企業(yè)，有著共同的“祖先”。臺(tái)積電在1989年的一場(chǎng)大火，意外地為阿斯麥帶來(lái)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(chēng)：“ASML是全世界唯一采用極紫外光的微影設(shè)備制造商。”他們持續(xù)投入研發(fā)，著力克服控制EUV極紫外光光源，推動(dòng)EUV系統(tǒng)商用化，更已發(fā)展下一代High-NA EUV平臺(tái)，號(hào)稱(chēng)能力優(yōu)于現(xiàn)有EUV平臺(tái)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(tái)的產(chǎn)品精密。臺(tái)積電、韓國(guó)三星能買(mǎi)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(guó)芯片制造商受限于荷蘭政府的出口限制，不能買(mǎi)到最先進(jìn)的EUV機(jī)臺(tái)，只能用阿斯麥較低階的機(jī)臺(tái)，甚至國(guó)產(chǎn)的DUV機(jī)臺(tái)，兩者芯片制成品的版本落差不難想象。至于中國(guó)能否自行生產(chǎn)EUV機(jī)臺(tái)，若仔細(xì)考察阿斯麥的案例，恐怕只是緣木求魚(yú)。
誠(chéng)如《芯片戰(zhàn)爭(zhēng)》作者克里斯·米勒所提及的，阿斯麥的EUV機(jī)臺(tái)不是真正的荷蘭產(chǎn)品，它的關(guān)鍵零件是來(lái)自美國(guó)加州的西盟、德國(guó)的蔡司和創(chuàng)浦，而科研技術(shù)來(lái)自美國(guó)德州、中國(guó)臺(tái)灣?！斑@些神奇的機(jī)臺(tái)是許多國(guó)家的產(chǎn)物，沒(méi)有一個(gè)國(guó)家能宣稱(chēng)自己擁有一切?！边@是作者一針見(jiàn)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(qián)、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(shí)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(xiàng)。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(yáng)煜 wyy@nfcmag.com
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