14年前託馬斯·弗裡德曼在《世界是平的》一書中感慨道
科技和通信領域的進步正大大加速著全球化
我們眼下的世界格局
正如他預言那樣
「世界正被抹平」
半導體產業鏈的存在就對全球化最好的解釋
但內有隱憂，外有威脅
仍然是困擾我國晶片產業的現實寫照
意識的覺醒讓我們開始奮力追趕
中國在晶片領域和世界先進水平逐年拉近
但有一項卡脖子的難題
至今仍然讓中國人難以望其項背
這就是光刻機領域
上期我們講過荷蘭光刻機霸主ASML的故事
作為整個西方尖端科技託舉起來的半導體明珠
加上英特爾、臺積電、三星的鼎力支持
其生產的光刻機的毛利可以達到40%以上
這在製造業領域是難以想像的
足以和騰訊這種網際網路巨頭比肩
可以理解到底有多賺錢了
這期我們詳細講一下
光刻機的技術難點
光刻機到底在「刻」什麼？
談枯燥的原理之前
我們先解釋光刻機演進過程中最重要的一條定律：
科技行業日新月異，變幻莫測
但背後有一雙看不見的手
準確預測著行業的發展速度
這就是大名鼎鼎的「摩爾定律」
現在你手裡握著的普通智慧型手機
性能比小時候用的臺式機不知道要強出多少倍
這背後也是摩爾定律
我們知道晶片上電晶體越多
運行速度就越快 性能就越好
摩爾定律就是說
計算機晶片上的電晶體數量大約每兩年會翻一番
也就意味著同樣規格晶片的成本
每12個月便會降低一半
晶片的製程就是兩個電晶體之間的距離
而晶片工藝的每次提升
都要求製造商們要製造出更加精確的光刻機
如今晶片工藝的精細度是用納米來衡量的
在數學上，1納米是0.000000001公尺
如果以指甲厚度做比較的話，或許會比較明顯
指甲的厚度約為0.0001公尺
也就是說試著把一片指甲的側面切成10萬條線
每條線就約等同於1納米
由此可以想像得到1納米是何等的微小了
造微小的東西
核心思想就是放大
類似於槓桿原理
然而在晶片領域普通的機械槓桿原理已經完全不夠用了
如何在小小的矽晶片上批量生產圖案呢？
這時候一種特殊的工具：光
就被人們想了出來
光怎麼來放大呢
想想生活中的例子：照相機和投影儀！
「投影」的核心是造一個放大的模子
再把線路與功能區「印進」晶圓之中
照相機拍攝的照片是印在底片上
而光刻刻的不是照片
是電路圖和其他電子元件
光刻第一步就是在晶圓表面塗一層光刻膠
再用光線透過掩膜去照射下面的晶圓
被光線照射到的光刻膠會發生反應
圖案就轉移到了光刻膠上
光刻完成後對沒有光刻膠保護的部分進行刻蝕
最後洗去剩餘光刻膠
圖案終於轉移到了晶圓上
真正在晶圓上刻出東西來
是在這一步
這樣就實現了半導體器件在矽片表面的構建過程
通俗點說
光刻機就是給蘿蔔雕花的雕刻刀
只是原理比較複雜
最先進的雕刻刀強在哪裡？
這就要講到另外一個原理瑞利判據
簡單來說，「瑞利判據」是用來對光學儀器的分辨能力進行定義的
所用的指標是「最小分辨角」θ0（讀作：西塔-零）。
λ是入射透鏡的光的波長
D是光學儀器透鏡的直徑
光的波長越短
最小分辨角就越小
儀器的分辨能力就越強大
也就能夠製造出更小尺寸的元件
業界的主流波長是193納米
被稱作DUV
目前已經不夠用了
這時候ASML13.5納米EUV的出現了
可以實現7納米以下製程的晶片加工
正因為波長非常短
所以要通過特殊的方法來把它製造出來
ASML先把高純度的錫加熱到熔化
再噴射到真空中形成一顆一顆的小錫珠
然後用雷射照射這些錫珠
使其變為粉餅狀
產生更大的表面積
再用高功率的二氧化碳雷射照射這些粉餅
就得到了高熱等離子體
放射出極紫外線EUV了
錫珠液滴只有20微米大
運動過程中連續用光擊中兩次
由於擊打產生的光持續過程非常短
還需要高頻重複每秒5萬次
接下來要做的事情
就是把這個EUV收集起來
使其有方向性，成為一束光
這個過程中使用的是布拉格反射器
在ASML的EUV光刻機中
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
可以說，直到這裡，
才將極紫外線完整的生產出來
並收集成一束光
可以用於後續的生產了
然而，搞定光源只是一個起點
這就已經難倒了絕大多數廠商
後續真正生產還有各種苛刻的條件
比如光學檢測的效率和準確度
納米級的錯誤可以讓千萬價值的晶片直接作廢
掩模的工業設計、光刻機廠房的無塵環境等
即使生產出來了
能夠賣出去又是一大難題
前面這一步中
有三家廠商參與
一家是ASML
一家是德國Ditzingen的TRUMPF公司
它是目前唯一能夠持續產生40千瓦功率的二氧化碳雷射
最終得到200瓦的極紫外線的廠商
第三家公司是卡爾蔡司
它提供的是布拉格反射器
也是全球唯一一家能夠實現對極紫外線進行控制的廠商
他們與ASML都是深度捆綁的
在各種不公平待遇和制裁下
別人花錢收購就能辦到的事情
我們是要拼命的
如果僅僅依靠我們自己的努力可能會長期落後下去
其實我國光刻工藝入局時間並不晚
早在上世紀60年代就開始了
但在80年代以後
「造不如買，買不如租」的理念佔據主流
再加上產業鏈不健全
很多自主研發的項目都半路夭折
目前中國目前出臺「02專項」
突破集成電路製造裝備、材料、工藝、封測等核心技術
形成完整的產業鏈
具備國際競爭力的專項攻堅行動
根據「02專項」的描述
在「十三五」（2015-2020）期間
我們將能夠具備14nm製程工藝的晶片生產技術
上海微電子負責我國自己的「浸潤式光刻機」研究
「90nm光刻機樣機」目前已經通過了驗收
代表了中國國產光刻機的最高水平
長春光機所則專門負責突破EUV技術
目前也已經通過了國家驗收
能滿足國內晶片市場的中端需求
中科院也宣布攻克了技術難題
掌握了2nm的製成技術
只是從突破到量產還需要一段時間
世界是一個整體
我們在看到國產半導體設備產業實現突破的同時
也要冷靜地認識到我們與國際先進晶片工藝上面的巨大差距
就連ASML都是集合個整個西方力量
和全球多達5000家供應商
而核心技術原子的構造
我們離得還很遠
就連光刻膠
我們也還沒有高質量的
到最後
你還認為光刻機只是一項小小的技術難題嗎
作為人類目前最精密的創造品
它的產業鏈高度細分
有千百家出色的企業
從半導體製造設備、設計、生產、測試、封裝到最終產品中的嵌入和驗證
各個階段都基於非常先進技術的全球性行業價值鏈
但未來幾乎不會再有企業有覆蓋一整條產業鏈的能力
中國晶片業的落後
看似是一個點
其實反映的是一大片
唯一的正道
就是把所有這些門類的基礎都補上
都達到世界頂端
晶片製造的七大生產區域
擴散、光刻、刻蝕、離子注入、薄膜生長、拋光、金屬化
可喜的是
我們在光源和刻蝕極等領域已經達到先進水平
不是一窮二白的狀態
對於國內的光刻企業
我們還還要給予耐心
不能急功近利
從篳路藍縷到砥礪前行
仍然是未來國內半導體產業的必由之路
最後說說討論很多的「晶片和光刻機再難，有兩彈一星難嗎？」
實際上，這兩者的難度不是同一類的
晶片的難度在於精密製造
而一個國家能不能造出核武器
在很大程度上取決於核材料的生產
看一個國家有多少離心機就能判斷出他們離造出原子彈有多遠
晶片難造只是一方面，迭代過快也是一大痛點
這就需要買最新的光刻機
ASML好比一家掌握著獨家秘方的私房菜館
別人不僅輕易學不到秘方
想吃他家菜還得斥巨資
更嚴重的是，想買它還不一定敢賣
具體參照《瓦森納協定》
最後的最後
據外媒最新消息
為了打破美國的技術桎梏
歐盟17國決定
在未來2-3年內投資1450億歐元研究半導體技術
以當前的匯率計算
這筆投入超過1萬1千億人民幣
新一輪的軍備競賽開始了
歐洲都大力加碼了
咱們還要繼續醬香科技嗎？
不知道大家有什麼不同見解
也歡迎留言區多互動