來源：餘晟以為 作者：餘晟
今年以來，晶片製造無疑引起了許多人的興趣，更有相當多的人在問：造晶片真的那麼難嗎？
造晶片到底是難還是不難？這個問題比較複雜，涉及的因素很多，很難用一兩句話講清楚。不過，這並不妨礙我們從技術上了解「造晶片到底是怎麼回事」。儘管現在已經有很多介紹晶片製造的文章，但許多都是大而化之，看完仍然一頭霧水，有幾個問題一直得不到解決。最近我仔細讀了點晶片製造相關的資料，終於找到了這幾個問題的答案。這張照片相信大家都不陌生，它展示的是晶圓，也就是晶片製造的基礎原料。各種資料都介紹說，把晶圓切割，經過光刻加工，最後得到晶片。但是等一等，仔細想想我們見過的晶片成品，幾乎都是方形的，很少有圓形的。那麼，為何要把圓形的晶圓切割成一個個方形？把晶圓做成方形的，不是能減少邊邊角角的浪費嗎（儘管這樣一來，它就不能再叫晶「圓」）？
晶片製造的晶圓，主要成分是矽，所以也稱為「矽晶圓」。這裡說的「主要成分」，指的是矽的含量達到極高的比例，比如「十一個九」，也就是99.999999999%。二氧化矽與焦炭混合加熱，可以得到純度為98%左右的粗矽，再經過鹽酸氯化和蒸餾，就可以得到高純度的多晶矽。注意，這個時候得到的還只是多晶矽，它的晶體框架結構是無序的。多晶矽可以用於光伏產業（太陽能發電），但不能用於晶片製造。原因在於，晶片製造需要穩定的晶體框架結構，每個部分的電學特性都必須相同，然後才方便加工。所以，還需要有辦法把多晶矽轉換為單晶矽。目前，半導體行業常用的辦法是柴可拉斯基法（Czochralski process）。按照柴可拉斯基法，先在坩鍋中把多晶矽加熱到熔融狀態，然後加入「晶種」（通常是一小塊單晶矽），此時晶體就會「生長」，矽元素不斷附著於晶種，得到越來越大的單晶矽晶體，也就是「晶棒」。不斷旋轉晶棒並向上提拉，同時坩鍋以反方向旋轉——當然，坩鍋轉速、晶棒轉速、提拉速度、坩鍋溫度都需要極為精確的控制，最後就可以得到一根較大的、圓柱體形狀的純淨的矽晶棒。上圖：柴可拉斯基法加工過程。下圖：晶棒成品（左端為晶種）。來源：維基百科把這根晶棒按橫截面切成薄片，就得到了晶圓。因此，晶圓就是圓形的。有不少文章都提到了，最新的ASML光刻機採用EUV（Extreme Ultraviolet，極紫外線）對晶圓進行光刻，原理類似幻燈片投影，臺積電就是藉助這種工藝完成了7nm甚至5nm晶片的生產。而Intel棋差一步，仍然停留在DUV（Deep Ultravi，深紫外線）的工藝，所以遲遲不能挺進10nm晶片的生產。那麼，EUV難在哪裡，為何強如Intel也不得其門而入呢？實話說，我不知道為什麼Intel沒有攻克，但了解EUV的工藝之後，我必須承認這真的很難。EUV，也就是「極紫外線」，波長為13.5納米（可見光中波長最短的紫光，波長約為380-450納米）。要發出這種光線，比較好的辦法是藉助等離子體（Plasma，也叫「電漿」）——一種氣態的熔融金屬。在2000年前後，業界比較看好的是採用放電等離子體光源。不過，最後聖地牙哥的Cymer公司的辦法勝出，也就是採用二氧化碳雷射照射直徑為30微米的錫顆粒。2007年的時候，Cymer的光源還只能提供30瓦的不穩定功率，但到了2014年，已經可以穩定輸出250瓦的功率，這樣基於EUV的大規模生產製造才具備可行性。不過早在2012年，光刻機生產商ASML就已經收購了Cymer。如今，在ASML光刻機內部，先把極高純度的金屬錫加熱到熔化，再將其噴到真空之中。噴出的錫看起來好像一條線，其實是高速移動的，直徑為30微米的錫珠（滴），產生的速度是每秒鐘5萬顆。然後，先用雷射照射這些錫珠（滴），使其變為粉餅狀，產生更大的表面積。再以高功率的二氧化碳雷射照射這些粉餅，這樣，就得到了高熱等離子體，放射出極紫外線。要補充的是，這個過程中，小的錫珠（滴）也可能組合成大的碎片，所以必須及時用高壓氫氣將它吹除，否則它可能會凝固，影響生產。雖然光刻機由ASML提供，但ASML更像方案集成商，並不會包打天下。比如極紫外線光源，ASML自己負責提供噴出錫珠（滴）的設備，整體方案來自位於德國Ditzingen的TRUMPF公司，它也是這一領域的唯一供應商。該公司的方案能持續產生40千瓦功率的二氧化碳雷射，最終得到200瓦的極紫外線用於真正的光刻，但整套系統的功率高達1000千瓦，其中大部分都用於散熱。
極紫外線的產生過程（片段）。來源：TRUMPF官網
在2017年的一次採訪中，在TRUMPF擔任CTO的Peter Leibinger說：「如果我們失敗了，摩爾定律也就失效了。當然，離開了TRUMPF世界仍然會轉，但是沒有它，晶片行業就要停擺。」TRUMPF的CTO，Peter Leibinger，身後就是產生極紫外光的設備。來源：TRUMPF官網回頭來說ASML，到目前雖然得到了極紫外線，但它是向四周散射的，還必須又辦法把它們收集匯聚到一起，才可以對晶圓進行光刻。要匯聚光線，改變光線的方向，大家通常想到的就是各種鏡片。但是，這些裝置對可見光有效，但是對極紫外線無效。極紫外線只能在真空傳播，而且無法被鏡頭聚焦。要控制極紫外光，只能藉助於布拉格反射器。布拉格反射器，全稱是Distributed Bragg Reflector（分布式布拉格反射器），也簡寫做DBR，是由多層反射介質（也稱為「反射單元」）構成的設備（注意，這裡的「布拉格(Bragg)」與捷克首都「布拉格(Prague)」不是同一個單詞）。它的原理其實並不複雜，光線在經過特殊設計的反射介質時，如果其波長恰好為1/4波長，那麼介質的兩面反射光恰好相差1/2波長，則發生相消幹涉，實際上增強了反射光。通過設計不同反射介質的組合，可以單獨加強針對某一波段的光線的反射率。如果介質的層數很多，而且反射波長變化很小，那麼對一個連續波段都有很強反射效果。照相機上的鍍膜也是應用這種原理，減少某個特定波長的反射量，讓更多光線抵達照相機的感光元件。ASML光刻機中的布拉格反射器採用矽和鉬作為主要原料，有超過40層介質層，每層的厚度只有不到4納米（因為極紫外線的波長為13.5納米）。通過精確控制介質的厚度和組合，原本四散射出的極紫外線就可以集合起來，匯聚為一束強的光線用於生產。用布拉格反射器聚合極紫外線的示意圖。來源：ASML前面說過，ASML更像方案集成商，控制極紫外線的光學元件都來自蔡司半導體（Zeiss SMT）。Zeiss SMT的工藝堪稱一絕，精度控制讓人嘆為觀止。打個粗略的比方，雖然反射器的直徑只有30釐米左右，但如果把它整體放大到整個雲南省那麼大，最厚的介質層也只有1毫米那麼厚。可以說，這是宇宙中最平滑的表面。為了安裝這樣精密的設備，對空氣潔淨度的要求也是極高的。在美國航空航天署組裝詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的無塵房間，其清潔度達到了CleanRoom ISO 7，也就是每立方米的空氣中，大於0.5微米的微粒數量不得超過35.2萬個。但是，ASML廠房的清潔度必須達到ISO 1，也就是說，每立方米空氣中，小於0.1微米的微粒數量不得大於10個（大於該尺寸的微粒不得存在）。相比之下，普通人生活的正常環境，其「汙染指數」是ISO 1的500萬倍（注意：這個標準與我們日常說的PM2.5有所不同，PM2.5指數關心的是每立方米空氣中微粒的總重量，而CleanRoom指數關心的是每立方米空氣中微粒的數量）。除了空氣中的顆粒數量，溫度和震動也是要精確控制的。YouTube上有一個「探訪ASML無塵車間」的視頻，其中提到，溫度必須精確保持在攝氏21度，一旦出現任何偏差，都可能對精度造成影響。而且，ASML的廠房底下有1500根樁，每根長達23米，這樣才能保證整個廠房絕對沒有震動。如果客戶採購了ASML的光刻機，則生產時也必須提供同樣的無塵環境。被拆成大塊的光刻機用六架飛機分別運抵（因為光刻機太重了），在生產環境裡重新組裝、校準，保證運作精度與製造時完全相同，然後才可以開始進行光刻。如今，工業級別的極紫外線光刻設備只有ASML一家可以提供，ASML、TRUMPF、蔡司三家已經深度捆綁，無論是人員還是資源都做到了深度協同，在TRUMPF擔任CTO的Peter Leibinger甚至說「事實上就是一家公司」。2016年11月，ASML出資10億歐元，購買了Zeiss SMT公司24.9%的股份，並承諾在2022年之前投入2.2億歐元（後又增加5.4億歐元），支持Zeiss SMT的研發。
據報導，目前三家公司還在研發下一代極紫外線技術，預計投入7億歐元，其中就包括用於測試布拉格反射器的高真空工作室，保證其精度可以達到0.5納米，這是人類歷史上從未達到的精度。 當然，造晶片的技術挑戰其實還很多，遠不止上面所說的這些。比如光刻膠，看起來「不起眼」，其實也是不可或缺的。三星半導體的實力也堪稱強勁，但是去年日本廠商一度對三星停止供應光刻膠，差點導致三星的半導體生產停滯……我想說的是，如果要鼓勵造晶片，光靠「砸錢」和喊口號是絕對不夠的。比較理想的辦法，是鼓勵更多的優秀人才進入這個領域。一方面，已經學成的人員應當得到足夠的重視，得到足夠的待遇（而不能一窩蜂都去搞網際網路）；另一方面，也應當大力展開科普教育（而不能只是故弄玄虛的「商業故事教育」），激發年輕人和後來者的興趣，才能保證「後繼有人」——我始終認為，興趣才是志業最好的引導。The Perfectionists: How Precision Engineers Created the Modern World, by Simon Winchester
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