芯片之源

華慶富

編者按：在網(wǎng)絡(luò)信息產(chǎn)業(yè)中，芯片被比喻為心臟，操作系統(tǒng)被比喻為靈魂。“缺芯少魂”是我國信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一大難題，特別是在中美貿(mào)易摩擦的大背景下，我國的中興公司、華為公司接連遭遇美國芯片“斷供”事件，把這一難題進(jìn)一步凸顯出來，引起全國和國際社會(huì)的廣泛關(guān)注。很多讀者也許會(huì)問：我們?yōu)槭裁床蛔约荷a(chǎn)芯片？芯片研制真有那么難嗎？下面給大家介紹一下芯片制造的核心設(shè)備之一——光刻機(jī)，也許你能從中窺斑見豹。

還記得小時(shí)候我們?cè)?jīng)愛不釋手的激光筆玩具嗎？那時(shí)候?yàn)榱艘恢膬x已久的激光筆，放學(xué)后可能要瞞著爸爸媽媽，偷偷摸摸地在學(xué)校附近的文具店里挑來挑去，最終將其藏在書包里層的口袋里，趁爸爸媽媽睡著的時(shí)候，悄悄地掏出來對(duì)著關(guān)了燈的小臥室的墻壁，展示著一個(gè)個(gè)光罩所變幻出的炫目圖案！

現(xiàn)在我們可以從簡(jiǎn)單的激光筆玩具開始，認(rèn)識(shí)一下時(shí)下風(fēng)頭正勁的光刻機(jī)這種高大上的設(shè)備。

光刻機(jī)又叫掩模對(duì)準(zhǔn)曝光機(jī)、曝光系統(tǒng)、光刻系統(tǒng)等，光刻的意思是用光來制作一個(gè)圖形（工藝）。光刻機(jī)通過一系列的光源能量、形狀控制手段，將光束透射過畫著線路圖的掩模，經(jīng)物鏡補(bǔ)償各種光學(xué)誤差，將線路圖成比例縮小后映射到硅片上，不同光刻機(jī)的成像比例不同，有5∶1的，也有4∶1的。然后使用化學(xué)方法顯影，得到刻在硅片上的電路圖（即芯片）。光刻機(jī)發(fā)出的光通過具有圖形的光罩后，不是像我們的激光筆玩具那樣照射到地面或者墻壁上顯示出各種圖案，而是對(duì)涂有一種對(duì)光線高度敏感的光刻膠的薄片曝光，光刻膠曝光后會(huì)發(fā)生性質(zhì)變化，將光罩上的圖形復(fù)印到薄片上?？雌饋砉饪虣C(jī)的作用，類似照相機(jī)照相。照相機(jī)拍攝的照片是印在底片上，而光刻機(jī)刻的不是照片，是大規(guī)模集成電路的電路圖。

光刻機(jī)的原理看似簡(jiǎn)單，但實(shí)現(xiàn)起來非常困難。

就拿光刻機(jī)的反射鏡來說，它的制造工藝就是一個(gè)難以攀登的高峰，它的誤差大小僅能以皮米（納米的千分之一）計(jì)算。也就是說，如果反射鏡面積有安徽和湖南兩省的面積這么大，其表面光滑度要求最高的突起處不能高于1厘米。另外，光刻機(jī)里有兩個(gè)同步運(yùn)動(dòng)的工作臺(tái)，一個(gè)載底片，一個(gè)載膠片，兩者須始終同步，誤差不能超過2納米。兩個(gè)工作臺(tái)由靜到動(dòng)，加速度跟導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)的速度差不多。打個(gè)比方說，就相當(dāng)于兩架大飛機(jī)從起飛到降落，始終齊頭并進(jìn)，而且在飛行過程中，如果從一架飛機(jī)上伸出一把刀，在另一架飛機(jī)的米粒上刻字，而且不得刻壞了！

光刻機(jī)的激光光源又是一道難關(guān)，光刻運(yùn)用的準(zhǔn)分子激光器光源需要窄線寬、大能量和高脈沖頻率，這些參數(shù)互相矛盾，研制難度極大。目前經(jīng)兼并組合后，全世界除一家日本公司能獨(dú)立生產(chǎn)這種激光光源外，其余皆被荷蘭的ASML公司收購。

但別以為做出了光刻機(jī)就萬事大吉了，制約生產(chǎn)芯片的因素還有很多，比如光刻膠。光刻膠是芯片制造中必不可少的材料，2019年1月，臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司（簡(jiǎn)稱臺(tái)積電）就因?yàn)槭褂昧瞬缓细竦墓饪棠z而報(bào)廢了上萬片晶圓，影響到高通、華為、蘋果等客戶的芯片制造，自身損失超過5億美元。

正是因?yàn)橹圃旌途S護(hù)需要高度發(fā)達(dá)的光學(xué)和電子工業(yè)基礎(chǔ)，所以世界上只有少數(shù)廠家掌握了光刻機(jī)制造技術(shù)。這也直接導(dǎo)致了光刻機(jī)價(jià)格昂貴，通常在3000萬美元至5億美元之間。

光刻機(jī)市場(chǎng)，世界上只有荷蘭ASML一家獨(dú)大，因?yàn)楣饪虣C(jī)的研制投入巨大，并且需要常年的技術(shù)積累，荷蘭ASML公司僅員工就有23000名，所以很多公司不愿意從頭再來去研制光刻機(jī)。

我國正在加緊研制光刻機(jī)，早在1971年，我國清華大學(xué)精儀系就成功研制出了“激光干涉定位自動(dòng)分步重復(fù)照相機(jī)”。那時(shí)，現(xiàn)在的光刻機(jī)巨頭ASML公司還未創(chuàng)立，可以說跟歐美光刻技術(shù)處于同一水平，進(jìn)入20世紀(jì)80年代后，隨著國家放慢了對(duì)半導(dǎo)體工業(yè)支持的腳步，面對(duì)飛速發(fā)展的國際半導(dǎo)體行業(yè)，我國被遠(yuǎn)遠(yuǎn)甩在了后面。

2018年底，國家重大科研“超分辨光刻裝備研制”項(xiàng)目通過驗(yàn)收，該光刻機(jī)由中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所研制，光刻分辨力達(dá)到22納米，結(jié)合雙重曝光技術(shù)后，未來還可用于制造10納米級(jí)別的芯片。

現(xiàn)在世界上最先進(jìn)的芯片已經(jīng)達(dá)到7納米技術(shù)，想生產(chǎn)7納米芯片就需要高端的光刻機(jī)和蝕刻機(jī)，而高端光刻機(jī)現(xiàn)在一直被荷蘭的ASML公司壟斷，但在蝕刻機(jī)上我國已經(jīng)攻克了5納米技術(shù)。光刻機(jī)和蝕刻機(jī)是芯片制造過程中先后用到的關(guān)鍵設(shè)備，光刻機(jī)是把芯片的設(shè)計(jì)圖案印上去，然后再通過刻蝕機(jī)進(jìn)行刻蝕。光刻機(jī)的研制難度比刻蝕機(jī)大得多，目前我國光刻機(jī)和蝕刻機(jī)發(fā)展屬于嚴(yán)重地偏科，因?yàn)槲覈雽?dǎo)體行業(yè)7納米蝕刻機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，但是在光刻機(jī)技術(shù)上，離7納米技術(shù)還相差甚遠(yuǎn)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國連續(xù)多年從西方進(jìn)口芯片已經(jīng)超過1萬億人民幣，且這個(gè)趨勢(shì)還在不斷上升。專家指出，隨著國家對(duì)芯片領(lǐng)域大幅度投資和持續(xù)投入，中國的發(fā)展將不可阻擋，相信中國的光刻機(jī)發(fā)展也將最終突破桎梏，其發(fā)展也將光明萬丈，前程似錦！

走進(jìn)當(dāng)代工業(yè)領(lǐng)域，有兩顆光彩熠熠的明珠——航空發(fā)動(dòng)機(jī)和光刻機(jī)。它們復(fù)雜的制造工藝及集不同方向最新科技成果于一身的高科技身份，分別代表了人類當(dāng)代科技發(fā)展的頂級(jí)水平，所以稱它們是當(dāng)代工業(yè)皇冠上兩顆奪目的明珠是當(dāng)之無愧的。

今天的你我，愿意成為攀登世界頂級(jí)光刻機(jī)高峰中有力的一員嗎？

（編輯 文 墨）