提到芯片制造,光刻机始终是绕不过去的一个关卡,因此光刻机巨头阿斯麦ASML的每一个动作也都一直受到外界极大地关注。在6月30日,荷兰政府发布了《先进半导体制造设备法规》,随机ASML也发布了公告称,其目前最先进的浸没式DUV出口需得到荷兰政府认可。
TWINSCAN NXT:2000i
实际上,就如同大家所知道的,ASML的EUV光刻(极紫外光刻)系统已经受限制。现在,部分最先进的浸润式DUV系统(即TWINSCAN NXT:2000i及后续推出的浸润式光刻系统)也遭受了限制,这显然是美国为了制裁中国半导体所采取的新手段。
尽管ASML也做了回应,受到此次事件影响,限制了部分DUV光刻系统的出口,但并非限制中国购买所有浸润式DUV光刻系统,中国依然可以从ASML进口部分低端DUV光刻机,只是在技术上相对落后。
TWINSCAN NXT:1980Di
而到了本月早些时候,有媒体报道称,ASML正在试图规避荷兰新销售许可禁令,计划面向中国市场推出“特供版”的TWINSCAN NXT:1980 DUV光刻机。这是一款10年前推出的老型号DUV光刻机,并不在官方的限制范围内,不过其分辨率可以达到≤38nm,并且在理论上可以支持到7nm左右的工艺生产。针对这一传言,7月6日,ASML回应称,“一直以来ASML都遵守所适用的法律条例,我们并没有面向中国市场推出特别版的光刻机”。
国产光刻机走到哪一步了?
那ASML对中国的限制,缘何会引起这么大的关注呢?盖因为在关系到芯片制造的光刻机领域,ASML可以说是一家独大的地位了。数据显示,ASML的设备占据了整个市场月92%的占比,限制了ASML,几乎就等于限制了所有光刻机的进口了。既然进口ASML光刻机受阻,那国产光刻机的进度如何了呢?毕竟在几年前国产芯片受到制裁的时候,自研光刻机就成为了时常被提及的话题。
当然,成果也是有的,比如双工台系统、物镜这两项核心技术在过去两年陆续被突破,算是不小的进步。此外,前段时间的报道称,首台国产EUV光源工程样机也在中科院的主导下正式落地。虽然距离进入到量产还有很长的路要走,但也算是为国产光刻机奠定了不小的一步。
在光刻机中,光源系统算是非常核心的组成部分,那这套系统的落地,就意味着后续其他测试将可以顺利开展,并且一步一步地实现国产光刻机的量产。
而除了EUV光刻机之外,在其他工艺上也陆续取得了不少的成绩。比如中国电科旗下的电科装备,实现了国产离子注入机28nm工艺制程全覆盖;再比如南大广电开发出了多款ArF光刻胶,能够覆盖28-90nm工艺制程。
这一系列的技术成果是值得欣喜的,但回到产业这个层面,要把这些产品转变为量产的光刻机,并进行新品生产,还有很长的路要走。
芯片制造是一个系统工程
可以说,无论是进口ASML,还是国产光刻机,短时间恐怕都是一个难题。但话说回来,如果现在解决了光刻机的问题,就能顺利的生产芯片了么?恐怕也不是那么简单。
光刻机是芯片制造过程中比较重要的一环,但不仅仅是全部。整个过程,简单来说,包括了设计、制造、封测。去打造一款芯片,首先自然是需要设计,这部分就会涉及到EDA软件,全称是Electronic Design Automation ,翻译过来就是电子设计自动化,它是设计大规模集成电路必备的工具,因此也被称为EDA工具。在芯片的设计初期,它是一个非常重要的工具,它的算法会直接决定最终芯片的优劣。
目前EDA三大巨头包括了Synopsys(新思科技)、Cadence(铿腾电子)、Siemens EDA(西门子),这三家基本上垄断了整个行业,并且非常明显,都是外企,之前在对话芯片制裁的时候,同样也包括了EDA制裁。因此,想要发展国产芯片,国产EDA是第一步。但比较遗憾的是,在这个领域,目前国产还没有做芯片设计、制造、封测全产业链EDA的企业,另外就是国产EDA主要还是针对低端芯片。
那我们再假定,EDA软件不是问题,光刻机不是问题,那就可以生产高端的芯片了么?实际上还是不能,在芯片的整个生产过程中,还需要晶圆,以及前面提到的光刻机等材料,而像晶圆,又涉及到硅材料,自然而然就会又需要硅提纯工艺。实际上,整个芯片的生产,是一整个产业链、系统化的过程。
这样看或许不是那么直观,我们以一颗芯片的生产流程来简单举个例。首先,需要生产晶圆,这里我们需要先把沙子加热,分离一氧化碳和硅,并且需要不断反复这个过程直到蝴蝶高纯度的硅材料。随后将这些硅材料融化再凝固,得到用于制造晶圆的硅锭。这些硅锭进一步切割为薄片,就是制作芯片用的晶圆了。当然,仅仅是切割也是不够的,切割完的裸片还需要打磨抛光,并且进行氧化,以确保其表面形成一层保护膜。仅仅是生产最基本的晶圆,就包括硅提纯、铸锭、切割、氧化多个步骤。
而在取得了晶圆之后,就需要把设计好的电路板刻制到晶圆上了,这里就是光刻机发挥作用的时候了。当然,光刻的步骤也不是那么简单的,你需要使用到光刻胶,并以一定的工艺将其涂敷在晶圆上,随后通过光刻机,进行曝光、显影等步骤,完成光刻。
光刻,实际上就是把电路图刻制到晶圆上的步骤,在其完成之后,还需要蚀刻工艺,来去除多余的氧化膜,这样才能留下半导体电路图,所以在光刻之后就会进入到蚀刻工艺,这个工艺也涉及到不同的类型,包括干法蚀刻和湿法蚀刻,相应地,也会涉及到不同的材质。
我们知道,如今的芯片,随着工艺的提升,它的结构是非常复杂的,并且通常有很多层的电路,因此在制造的过程中,还需要进行薄膜沉积的工艺,以便将这些不同电路薄膜堆积在一起,它也包含了化学气相沉积、原子层沉积、物理气相沉积等不同工艺。而在完成沉积之后,就是需要将这些电路连接起来,这就是互连工艺了。
到这一步,这颗芯片就算是制作好了。接下来就是测试、切割、封装的环节了。检测环节包括了电气参数监控、晶圆老化测试等。最后检验合格的芯片就需要切割封装了,对的,到这一步为止,每一颗芯片都还在一整片的晶圆上呢,需要将它们切割下来,然后封装,当下封装也包括了2D封装、2.5D封装和3D封装等不同的工艺。可以看到,在整个芯片制造工艺的过程中,光刻仅仅就是其中那么小小的一步,除了光刻之外,还有大量的工艺环节需要互相配合,来完成这颗芯片。所以光刻机很重要,但如果说仅仅是有了光刻机,显然还是远远不够的。
实际上,我们横向去看整个半导体设备,都是一个垄断寡头的状态,出去开篇提到的光刻机之外,生产镀膜机的东京电子TEL占比89%;而溅射设备则以美国应材最多,占比85%。而在干法刻蚀领域,则是由美国泛林(49%)、东京电子TEL(22%)和应材AMAT(16%)三家瓜分了整个市场;在干式蚀刻设备领域,则是应材AMAT(38%)、美国泛林Lam(33%)、ASMI(14%)三家拿下。我们不得不需要认清的一个现实是,在芯片制造领域,或者说半导体领域,中国要走的路确实还有相当的多,差距、或者或是技术积累,可能还需要不止一代人的努力去改变这个现状。
很难,但还是要自研
作为一个全球化的产业链,无底线的制裁,只会对整个产业造成不必要的损失,开放合作始终是最好的选择。但是,如果我们不得不面对一个更加封闭的状况,那自研始终还是最为重要的一个选择。虽然说,在芯片领域,无论是芯片本身,还是光刻机,可能与我们曾经想象的中国速度还是有差距,但始终还是在进步的,各种成果也在慢慢呈现。
就好比新能源汽车,就在几年前,对于国产汽车大力投入新能源赛道,相信不少人也是持怀疑的态度,但是短短几年之后,中国在新能源领域的成绩是有目共睹的。再回到芯片领域,相信答案也是一样的,前路虽然坎坷,但是,只有自己走出来的路,才是最踏实的。
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