提到晶片製造,光刻機始終是繞不過去的一個關卡,因此光刻機巨頭阿斯麥ASML的每一個動作也都一直受到外界極大地關注。在6月30日,荷蘭政府發布了《先進半導體製造設備法規》,隨機ASML也發布了公告稱,其目前最先進的浸沒式DUV出口需得到荷蘭政府認可。
TWINSCAN NXT:2000i
實際上,就如同大家所知道的,ASML的EUV光刻(極紫外光刻)系統已經受限制。現在,部分最先進的浸潤式DUV系統(即TWINSCAN NXT:2000i及後續推出的浸潤式光刻系統)也遭受了限制,這顯然是美國為了制裁中國半導體所採取的新手段。
儘管ASML也做了回應,受到此次事件影響,限制了部分DUV光刻系統的出口,但並非限制中國購買所有浸潤式DUV光刻系統,中國依然可以從ASML進口部分低端DUV光刻機,只是在技術上相對落後。
TWINSCAN NXT:1980Di
而到了本月早些時候,有媒體報道稱,ASML正在試圖規避荷蘭新銷售許可禁令,計劃面向中國市場推出「特供版」的TWINSCAN NXT:1980 DUV光刻機。這是一款10年前推出的老型號DUV光刻機,並不在官方的限制範圍內,不過其解析度可以達到≤38nm,並且在理論上可以支持到7nm左右的工藝生產。針對這一傳言,7月6日,ASML回應稱,「一直以來ASML都遵守所適用的法律條例,我們並沒有面向中國市場推出特別版的光刻機」。
中國光刻機走到哪一步了?
那ASML對中國的限制,緣何會引起這麼大的關注呢?蓋因為在關係到晶片製造的光刻機領域,ASML可以說是一家獨大的地位了。數據顯示,ASML的設備占據了整個市場月92%的占比,限制了ASML,幾乎就等於限制了所有光刻機的進口了。既然進口ASML光刻機受阻,那中國光刻機的進度如何了呢?畢竟在幾年前中國晶片受到制裁的時候,自研光刻機就成為了時常被提及的話題。
當然,成果也是有的,比如雙工台系統、物鏡這兩項核心技術在過去兩年陸續被突破,算是不小的進步。此外,前段時間的報道稱,首台中國EUV光源工程樣機也在中科院的主導下正式落地。雖然距離進入到量產還有很長的路要走,但也算是為中國光刻機奠定了不小的一步。
在光刻機中,光源系統算是非常核心的組成部分,那這套系統的落地,就意味著後續其他測試將可以順利開展,並且一步一步地實現中國光刻機的量產。
而除了EUV光刻機之外,在其他工藝上也陸續取得了不少的成績。比如中國電科旗下的電科裝備,實現了中國離子注入機28nm工藝製程全覆蓋;再比如南大廣電開發出了多款ArF光刻膠,能夠覆蓋28-90nm工藝製程。
這一系列的技術成果是值得欣喜的,但回到產業這個層面,要把這些產品轉變為量產的光刻機,並進行新品生產,還有很長的路要走。
晶片製造是一個系統工程
可以說,無論是進口ASML,還是中國光刻機,短時間恐怕都是一個難題。但話說回來,如果現在解決了光刻機的問題,就能順利的生產晶片了麼?恐怕也不是那麼簡單。
光刻機是晶片製造過程中比較重要的一環,但不僅僅是全部。整個過程,簡單來說,包括了設計、製造、封測。去打造一款晶片,首先自然是需要設計,這部分就會涉及到EDA軟體,全稱是Electronic Design Automation ,翻譯過來就是電子設計自動化,它是設計大規模集成電路必備的工具,因此也被稱為EDA工具。在晶片的設計初期,它是一個非常重要的工具,它的算法會直接決定最終晶片的優劣。
目前EDA三大巨頭包括了Synopsys(新思科技)、Cadence(鏗騰電子)、Siemens EDA(西門子),這三家基本上壟斷了整個行業,並且非常明顯,都是外企,之前在對話晶片制裁的時候,同樣也包括了EDA制裁。因此,想要發展中國晶片,中國EDA是第一步。但比較遺憾的是,在這個領域,目前中國還沒有做晶片設計、製造、封測全產業鏈EDA的企業,另外就是中國EDA主要還是針對低端晶片。
那我們再假定,EDA軟體不是問題,光刻機不是問題,那就可以生產高端的晶片了麼?實際上還是不能,在晶片的整個生產過程中,還需要晶圓,以及前面提到的光刻機等材料,而像晶圓,又涉及到矽材料,自然而然就會又需要矽提純工藝。實際上,整個晶片的生產,是一整個產業鏈、系統化的過程。
這樣看或許不是那麼直觀,我們以一顆晶片的生產流程來簡單舉個例。首先,需要生產晶圓,這裡我們需要先把沙子加熱,分離一氧化碳和矽,並且需要不斷反覆這個過程直到蝴蝶高純度的矽材料。隨後將這些矽材料融化再凝固,得到用於製造晶圓的矽錠。這些矽錠進一步切割為薄片,就是製作晶片用的晶圓了。當然,僅僅是切割也是不夠的,切割完的裸片還需要打磨拋光,並且進行氧化,以確保其表面形成一層保護膜。僅僅是生產最基本的晶圓,就包括矽提純、鑄錠、切割、氧化多個步驟。
而在取得了晶圓之後,就需要把設計好的電路板刻制到晶圓上了,這裡就是光刻機發揮作用的時候了。當然,光刻的步驟也不是那麼簡單的,你需要使用到光刻膠,並以一定的工藝將其塗敷在晶圓上,隨後通過光刻機,進行曝光、顯影等步驟,完成光刻。
光刻,實際上就是把電路圖刻制到晶圓上的步驟,在其完成之後,還需要蝕刻工藝,來去除多餘的氧化膜,這樣才能留下半導體電路圖,所以在光刻之後就會進入到蝕刻工藝,這個工藝也涉及到不同的類型,包括干法蝕刻和濕法蝕刻,相應地,也會涉及到不同的材質。
我們知道,如今的晶片,隨著工藝的提升,它的結構是非常複雜的,並且通常有很多層的電路,因此在製造的過程中,還需要進行薄膜沉積的工藝,以便將這些不同電路薄膜堆積在一起,它也包含了化學氣相沉積、原子層沉積、物理氣相沉積等不同工藝。而在完成沉積之後,就是需要將這些電路連接起來,這就是互連工藝了。
到這一步,這顆晶片就算是製作好了。接下來就是測試、切割、封裝的環節了。檢測環節包括了電氣參數監控、晶圓老化測試等。最後檢驗合格的晶片就需要切割封裝了,對的,到這一步為止,每一顆晶片都還在一整片的晶圓上呢,需要將它們切割下來,然後封裝,當下封裝也包括了2D封裝、2.5D封裝和3D封裝等不同的工藝。可以看到,在整個晶片製造工藝的過程中,光刻僅僅就是其中那么小小的一步,除了光刻之外,還有大量的工藝環節需要互相配合,來完成這顆晶片。所以光刻機很重要,但如果說僅僅是有了光刻機,顯然還是遠遠不夠的。
實際上,我們橫向去看整個半導體設備,都是一個壟斷寡頭的狀態,出去開篇提到的光刻機之外,生產鍍膜機的東京電子TEL占比89%;而濺射設備則以美國應材最多,占比85%。而在干法刻蝕領域,則是由美國泛林(49%)、東京電子TEL(22%)和應材AMAT(16%)三家瓜分了整個市場;在乾式蝕刻設備領域,則是應材AMAT(38%)、美國泛林Lam(33%)、ASMI(14%)三家拿下。我們不得不需要認清的一個現實是,在晶片製造領域,或者說半導體領域,中國要走的路確實還有相當的多,差距、或者或是技術積累,可能還需要不止一代人的努力去改變這個現狀。
很難,但還是要自研
作為一個全球化的產業鏈,無底線的制裁,只會對整個產業造成不必要的損失,開放合作始終是最好的選擇。但是,如果我們不得不面對一個更加封閉的狀況,那自研始終還是最為重要的一個選擇。雖然說,在晶片領域,無論是晶片本身,還是光刻機,可能與我們曾經想像的中國速度還是有差距,但始終還是在進步的,各種成果也在慢慢呈現。
就好比新能源汽車,就在幾年前,對於中國汽車大力投入新能源賽道,相信不少人也是持懷疑的態度,但是短短几年之後,中國在新能源領域的成績是有目共睹的。再回到晶片領域,相信答案也是一樣的,前路雖然坎坷,但是,只有自己走出來的路,才是最踏實的。