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国产半导体路在何方,瓦森纳与光刻机你了解多少

2020-6-22 14:29| 发布者: 炼数成金_小数| 查看: 14884| 评论: 0|来自: PConline

摘要: 光刻机(Mask Aligner)是制造微机电、光电、二极体大规模集成电路的重要设备。一台光刻机主要包括了曝光系统和对准系统两个部分。光刻机能够利用曝光系统发射出的紫外线通过模版去除晶圆表面的保护膜,将器件或电路 ...
光刻机(Mask Aligner)是制造微机电、光电、二极体大规模集成电路的重要设备。一台光刻机主要包括了曝光系统和对准系统两个部分。光刻机能够利用曝光系统发射出的紫外线通过模版去除晶圆表面的保护膜,将器件或电路结构临时“复制”到硅片上。根据工作方式,光刻机又可分为两种。第一种是模板与图样大小一致,曝光时模板紧贴晶圆的Contact Aligner。第二种则是利用类似投影机原理,能够获得比模板更小的曝光图样的Stepper。

让我们先将时光倒回到2018年的12月,不知道大家还记不记得有过这样一条新闻:荷兰光刻机制造公司ASML对外宣称,其主要的元器件供应商Prodrive工厂于12月1日突生大火。ASML预计2019年年初的的供货将遭到延期。

当时,ASML全年的光刻机产量在18台左右,而国内著名集成电路制造企业中芯国际曾在2017年成功预定ASML公司1台制程为7nm的EUV光刻机订单。这场意外的火灾加上目前重重的外交因素,导致这台光刻机直至今日都未交付给中芯国际。尽管中芯国际已经掌握了7nm工艺的应用,但是却因为迟迟未到货的光刻机而无法投产,这给中国的半导体领域,特别是芯片制造产业带来了巨大的挑战。

难道中国不能制造光刻机?我可以先明确地告诉你可以,但是许多复杂的大国博弈、行业历史以及技术差距还需要在后文中为大家详细地进行介绍。

始于冷战,却未随之而终
在第二次世界大战结束后,围绕着美苏两大巨头形成了两大阵营,并进入了众所周知的冷战时期。当时,美国及其西欧盟友为了防止以苏联为首的红色阵营发展高端武器,包括美国、英国、日本、法国、澳大利亚在内的十七个国家于1949年11月在巴黎成立巴黎统筹委员会(简称巴统)。限制成员国向社会主义国家出口,包括军事武器装备、尖端技术产品和稀有物资等三大类上万种产品。


后来随着中美建交,冷战的结束,欧美等国家看中了中国庞大的劳动力优势以及低廉的劳工成本,便稍微放松了对中国的军民用产品禁运,并于1994年4月1日正式将这个冷战时期的协会解散。

但好景不长,1995年,包括“巴统”17国在内的28个国家在荷兰瓦森纳召开了高层峰会。1996年7月,以西方国家为主的33个国家在奥地利维也纳便正式签署了以瓦森纳会议为基础的《瓦森纳协定》。自此,一份对中国未来科技研究及发展走向影响深远的多国协定,正式开始实行。

《瓦森纳协定》,又被称为“瓦森纳安排机制”,全名为《关于常规武器和两用物品及技术出口控制的瓦森纳安排》。这是世界主要的工业设备和武器制造国在巴黎统筹委员会解散后于1996年成立的一个旨在控制常规武器和高新技术贸易的国际性组织。协定中包含了两份清单。一份是军民两用商品和技术清单,涵盖了先进材料、材料处理、电子器件、计算机、电信与信息安全、传感与激光、导航与航空电子仪器、船舶与海事设备、推进系统等9大类。另一份是军品清单,涵盖了各类武器弹药、设备及作战平台等共22类。

而对于中国的半导体发展,因为《瓦森纳协定》的存在,从芯片设计到制造等多个领域,都无法获取海外的先进技术。就拿今天的主题——光刻机来说,即使中芯国际能够通过与比利时微电子研究中心(IMEC)进行合作,买到二手的光刻机设备,但中国企业必须等待IMEC使用五年后才能拿到手,因为这样才符合《瓦森纳协定》中的要求。举个例子,英特尔、三星、台积电2015年能买到ASML 10NM的光刻机。而大陆的中芯国际,2015年只能买到ASML在2010年生产的32NM的光刻机——五年时间对于半导体产业来说,已经可以得到数次迭代了。

除了不能买到的生产设备之外,因为《瓦尔纳协定》中的条款限制,华裔工程师还不能进入到欧美等知名半导体公司的核心部门,防止技术泄露。中国的半导体产业,因而受到了从生产设备到人才积累的全方位压制。直至今天,即使中国企业能够掌握先进的工艺制程,也因无法得到先进的设备而不能进行芯片的实际生产。

称霸世界半导体制造行业的巨头,ASML
目前拥有光刻机制造能力的企业主要有荷兰ASML,日本尼康、佳能,德国SUSS、美国ABM, Inc.以及中国的上海微电子装备。在这之中,尼康早年凭借相机方面的技术积累,获取了来自IBM、英特尔、AMD、德州仪器的大量订单,与当时来自美国的行业龙头GCA平起平坐,象征了日本半导体产业的腾飞。然而,风水轮流转,由于国与国之间的商业及技术博弈,最终却让ASML这个曾经名不见经传的角色坐到了光刻机制造领域的王座上。

在几十年前,ASML还只是飞利浦电子旗下的一个合资小公司,全公司从老板到普通职员也只有31位成员。ASML在当时也没有正式的办公地点,公司上上下下全数挤在飞利浦总部旁边临时搭建的板房之中办公。ASML的名号甚至没有几个人知晓,外出进行销售谈判还得行飞利浦母公司的名义。

但就是这么一家公司,成立仅二十年不到,就实现了技术的飞跃,掌控了各大晶圆代工厂的能否开工的生杀大权。ASML甚至扬言道“如果我们交不出EUV光刻机,那么摩尔定律就将会停摆”。

ASML的发展历史中充满了机遇和挑战。2003年,其联合台积电工程师林本坚研发“沉浸式光刻”方案,依靠水会影响光的折射率这一特点,在2004年推出了132nm光源波长的光刻机产品,夺得了IBM、台积电等大客户的订单。ASML也正是凭借132nm光刻机将当时仍在坚守干式微影157nm技术的尼康,打得气喘吁吁。ASML也靠着这漂亮的一仗,赢得了当时美国新生,主导极紫外技术的EUV LLC联盟的入场券,从而在之后的岁月中获得了美方的大量软、硬件技术资源共享。ASML更是在2013年以25亿美元高价,并购了一家名为Cymer的美国公司,因为其拥有生产EUV光刻技术所需大功率光源的能力。

纵观ASML的发展之路,甚至可以称得上是幸运。虽然ASML在2004年的成功获得了业界的关注,但尼康仍然是一个非常强大的对手。有着“蓝色巨人”之称的英特尔,在32nm工艺阶段时就采用了来自尼康的光刻机产品,即使是之前的45nm和之后的22nm,也采用ASML和尼康同时供货的模式。但由于尼康在遭遇美国封锁后,生产技术逐步落后,制造效率也越来越明显地落后于ASML。最终,英特尔在新CEO上任后,还是将尼康提出了局。尼康从此一蹶不振,不得不退出IC光刻市场,其生产的光刻机在之后也主要应用于三星、LG、京东方等企业的显示面板生产领域。


当然,ASML在加入EUV LLC联盟之后也没闲着。在2015年,ASML推出了第一台可量产的EUV样机。这台重达180吨、价值高达1.2亿美元的巨无霸融合了欧美供应链厂商的零部件,也正式确立了ASML在光刻领域的垄断地位。

光刻机我们也能造,但是…

我在上文提到了几家公司,其中之一的上海微电子装备,即SMEE,便是一家来自中国的光刻机制造企业。

SMEE成立于2002年,主要从事半导体装备、泛半导体装备以及高端智能装备的设计制造销售,其中光刻设备是公司的主营业务。目前公司光刻机可以应用于集成电路产业链中晶圆制造、封装测试,以及平板显示、高亮度 LED 等领域。

你没看错,SMEE生产的光刻机是能够用于晶圆制造的,也就是我们通常说的芯片生产。然而SMEE生产的IC前道光刻机与世界目前的先进水平相比还存在差距。上海微电子可量产的光刻机中性能较好的较高可实现 90nm 制程节点,而来自ASML 的 EUV 3400B 制程节点则能够达到 5nm。究其原因,主要是光刻机生产中的许多先进的精密零部件我们是无法通过欧美日等发达国家拿到的,而我们自主生产的紫外光源、光学镜片、工作台等配套设施却不尽如人意,其中紫外光源目前实现了45nm小批量生产,工作台精度达到了28nm,但要追赶世界主流水平依然有很长的一段路要走。

我相信大家还记得,在今年年初,许多媒体以及硬件爱好者在网络上为大家展示了一款来自兆芯的KX-U6780A处理器,并对性能等方面进行了相关测试。这款处理器基于兆芯自主研发的陆家嘴X86架构,兼容Windows操作系统,具有8核心8线程,频率为2.7GHz,单精度浮点性能达到172GFLOPS,在办公方面的体验甚至强于曾经主流级别的酷睿i5-7400处理器,实现了我国在民用处理器市场的巨大突破。然而这款处理器在生产时使用的却是来自台积电的16nm工艺,也就是说,如果台积电在美国的压力下断供兆芯,即使我们有着高水平的芯片设计能力,也无法将这些产品落地进行量产。


尽管形势严峻,但好消息也不是没有。据媒体报道上海微电子装备(集团)有限公司最近又有了大的技术突破。虽然差距依然很大,但是我们一直没有放弃追赶的步伐,相信不远的将来,先进光刻机必将有中国的一席之地。

半导体之路,还要继续走下去
这么多年来,尽管我们一直受到国外的技术封锁,不也走过来了么?就拿离我们比较近的一个例子来说,2015年2月18日美国商务部发表公告称,使用了两款英特尔微处理器芯片的天河二号系统和早先的天河一号A系统,“被认为是用于核爆炸活动”。4月,奥巴马政府即宣布,决定禁止英特尔向中国4家国家超级计算机机构出售“至强”(XEON)芯片。

但是在第二年,中国拥有完全自主知识产权,使用RISC架构国产处理器的神威太湖之光,便以更强的性能和更低的功耗登顶世界超算TOP500,实现了超算领域的再一次技术突破。

而在芯片制造以及光刻机领域,我们同样有很长的一段路要走,也必须得坚持走下去。

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