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从华为被制裁想到光刻机

从华为被制裁想到光刻机
好消息是由于技术进步空间非常有限 ， 后摩尔时代 ， 随着制程的不断缩小 ， 继续压缩制程的难度越来越大 ， 留给我们还有相对充足的追赶时间出品 | 每日财报作者 | 刘雨辰华为前不久又被美国制裁了 ， 大国竞争的背景之下 ， 我们要习惯来自外部的围追堵截 。 在之前的文章中 ， 《每日财报》对半导体材料进行了完整的系列介绍 ， 但对半导体设备的阐述较少 。事实上 ， 在这一场没有硝烟的斗争中 ， 以光刻机为代表的半导体设备扮演了非常重要的角色 ， 但国内在这一领域差距太大 ， 所以要想在短期内实现国产替代并不现实 ， 这也是之前没有进行介绍的主要原因 。但既然事情已经发展到如今的地步 ， 我们有必要将事实呈现出来 。 如果说制裁华为是打了中国的七寸 ， 那么限制向中国提供光刻机技术就是打了华为的七寸 ， 今天就向大家介绍一下国内芯片产业的痛点——光刻机 。什么是光刻机？1959年 ， 仙童公司和德州仪器公司分别在硅片和锗片上完成了微缩电路的制造 ， 集成电路正式诞生 。 自问世以来 ， 单个芯片上集成的元件数量不断增长 。 1965年英特尔的创始人之一戈登摩尔提出 ， 在价格不变的情况下一块集成电路上可容纳的元器件的数目将每18-24个月增加一倍 ， 性能也将提升一倍 ， 这就是著名的摩尔定律 。 随后成千上万的元器件和导线经过一系列工艺被“雕刻”在硅片上 ， 完成这些“雕刻”步骤的工具就是半导体设备 ， 在背后支撑摩尔定律的其实就是不断进步的半导体设备 ， 其中最重要的就是光刻机 。据《每日财报》了解 ， 光刻机是芯片制造的核心设备 ， 按照用途可以分为三种：用于生产芯片的光刻机、用于封装的光刻机、用于LED制造领域的投影光刻机 ， 其中用于生产芯片的光刻机是中国在半导体设备制造上最大的短板 ， 国内晶圆厂所需的高端光刻机完全依赖进口 。按照官方的说法 ， 在加工芯片的过程中 ， 光刻机通过一系列的光源能量、形状控制手段 ， 将光束透射过画着线路图的掩模 ， 经物镜补偿各种光学误差 ， 将线路图层比例缩小后映射到硅片上 ， 然后使用化学方法显影 ， 得到刻在硅片上的电路图 ， 简单地说就是在极小的晶圆上画电路 ， 刻画的电路越多 ， 计算能力就越强 ， 现代芯片性能的不断提升 ， 根源就在于芯片光刻技术的不断进步 。 现在最先进的EUV光刻机可以做到的“雕刻精度”是7nm ， 这相当于一根头发的万分之一 。 由于要达到这样的雕刻精度 ， 在雕刻的过程中晶圆需要被快速移动 ， 每次移动10厘米 ， 但误差必须被控制在纳米级别 。 为了达到这种精度效果 ， 目前世界上最先进的光刻机上有10万个零件 ， 要知道汽车上的零部件也才只有5000个 ， 有人甚至将认为光刻机是人类迄今为止做出的最精密的机械 。遗憾的是 ， 截止到目前 ， 中国大陆没有制造7nm制程芯片的能力 ， 核心因素就是没有制造这一制程的光刻机 。 国内最先进的芯片代工厂只能生产14nm制程的芯片 ， 但另一方面 ， 目前最尖端的芯片 ， 例如华为手机的最新芯片（麒麟980、麒麟990）已经是7nm制程的 ， 华为的代工厂是台积电 ， 如果台积电被限制向华为出售产品 ， 那么中国大陆的企业将会非常难受 。光刻机的发展历程毋庸置疑的是 ， 荷兰的阿斯麦是当今世界光刻机市场上的绝对霸主 ， 市占率超过70% 。 虽然尼康和佳能还拥有一定市场份额 ， 但在主流的逻辑芯片加工领域 ， 尼康和佳能完全无力和阿斯麦竞争 ， 7nm以下制程的光刻机只有阿斯麦能制造 。这种单一霸主的格局经过了一个漫长的发展过程 ， 上世纪60年代末 ， 尼康和佳能开始制造光刻机 ， 当时的光刻机的复杂程度和相机差不多 。 1984年 ， 阿斯麦成立 ， 当时的光刻机还是尼康的天下 ， 市场份额一度超过50% ， 而阿斯麦的份额长时间不超过10% 。进入90年代 ， 光刻机迎来了新的技术革命 ， 开始进入光源波长的竞争 。 光刻机将掩膜版上的图形刻画到晶圆上 ， 利用的就是光走直线性质 。 但是微观世界下光的衍射作用会使光线不一定走直线 ， 这直接影响光刻机的最高分辨率 ， 若要提高分辨率就需要缩小光源的波长 。 到90年代末的时候 ， 193nm波长的DUV（深紫外光）光刻机也已经研制成功 ， 但人们迟迟没能完成下一代的157nm波长产品的研发 。 就在此时 ， 时任台积电研发副经理的林本坚提出了利用水的折射缩短光波长的方案 ， 即后来的“浸没式光刻” 。 但是业界龙头尼康不愿意放弃前期在157nm波长研发上投入的巨额成本 ， 拒绝了林本坚的方案 ， 只有阿斯麦决定押注这个方向 ， 命运的转折就在此刻发生了 。 2004年 ， 阿斯麦和台积电共同研发的浸没式光刻机诞生 ， 由于是在成熟的193nm技术上改进的 ， 设备稳定性和改造成本明显优于尼康同时推出的157nm干式刻蚀机 。 阿斯麦的市场份额随之大幅提升 ， 从原来的不到10%到2009年达到了70% ， 成为绝对的领先者 。 尼康在此关键节点上的决策错误使其在短短几年时间内失去了行业领先的地位 。真正奠定阿斯麦霸主地位的是13.5nm波长EUV（极紫外光）光刻机的研发 ， EUV光刻机早在90年代就已经提出 ， 由于其技术难度高 ， 2012年的时候 ， 在研究最新的EUV光刻机时 ， 阿斯麦也觉得研发费用无底洞 ， 想要放弃 。 但那些需要光刻机的芯片企业顿时心慌 ， intel、三星、台积电出资几十亿美元支持阿斯麦研发 ， 独立研发的尼康也无力再参与竞争 。 EUV 光刻机的研发可谓集中了欧洲和美国的最先进技术 ， 阿斯麦终于造出了能制造7nm制程芯片的光刻机 ， 每台卖一亿美元 。 2019年 ， 历20年研发的EUV光刻机终于应用于产线 ， 它的诞生将大幅缩减 7nm和5nm制程的工艺步骤 。如今 ， 用于先进制程逻辑芯片的浸没式193nmDUV和 EUV光刻机基本被阿斯麦垄断 。 尼康和佳能只在193nm以下的领域拥有一定份额 ， 这些设备主要用于对制程需求不高的领域 ， 如存储器、模拟芯片、功率半导体以及普通逻辑芯片等 。很多人会问中国能生产光刻机吗？答案是会的 ， 但相对于目前顶尖的光刻机要落后的多 ， 中国最牛的光刻机生产商是上海微电子装备公司（SMEE） ， 它可以做到的最精密的加工制程是90nm ， 相当于2004年最新款的intel奔腾四处理器的水平 。又有人提出 ， 既然自己不能制造就花钱买 ， 反正中国有钱 ， 但光刻机不是有钱就能买到 。 说到这里 ， 就要提到1996年签署的《瓦森纳协定》 ， 瓦森纳协定本名叫“瓦森纳安排机制” 。 简单来说就是美国带着他的全球盟友限制向别的国家出口特定商品 ， 中国就是被针对的对象 ， 中芯国际之前花大价钱从阿斯麦订购了光刻机 ， 但始终未能到货 。我国在重大专项计划中提出 ， 2020年要实现22nm制程光刻机的突破 ， 目前还没有传来相关的消息 ， 即便实现这一突破 ， 距离最先进的7nm以下的EUV光刻机还有很大差距 ， 如果依靠独立自主的研发制造 ， 中国在未来一段时间内几乎不可能做到领先 。 但好消息是 ， 技术进步的空间已经非常有限 ， 后摩尔时代 ， 随着制程的不断缩小 ， 继续压缩制程的难度越来越大 ， 上文已经提到过 ， 在7nm这一关口阿斯麦差点放弃 ， 这也就意味着西方国家要想在这一领域再上一个台阶也是难上加难 ， 这就留给我们相对充足的追赶时间 。声明：此文出于传递更多信息之目的 ， 文章内容仅供参考 ， 不构成投资建议 。 投资者据此操作 ， 风险自担 。


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