芯片之源

華慶富

編者按：在網絡信息產業中，芯片被比喻為心臟，操作系統被比喻為靈魂。“缺芯少魂”是我國信息產業發展的一大難題，特別是在中美貿易摩擦的大背景下，我國的中興公司、華為公司接連遭遇美國芯片“斷供”事件，把這一難題進一步凸顯出來，引起全國和國際社會的廣泛關注。很多讀者也許會問：我們為什么不自己生產芯片？芯片研制真有那么難嗎？下面給大家介紹一下芯片制造的核心設備之一——光刻機，也許你能從中窺斑見豹。

還記得小時候我們曾經愛不釋手的激光筆玩具嗎？那時候為了一支心儀已久的激光筆，放學后可能要瞞著爸爸媽媽，偷偷摸摸地在學校附近的文具店里挑來挑去，最終將其藏在書包里層的口袋里，趁爸爸媽媽睡著的時候，悄悄地掏出來對著關了燈的小臥室的墻壁，展示著一個個光罩所變幻出的炫目圖案！

現在我們可以從簡單的激光筆玩具開始，認識一下時下風頭正勁的光刻機這種高大上的設備。

光刻機又叫掩模對準曝光機、曝光系統、光刻系統等，光刻的意思是用光來制作一個圖形（工藝）。光刻機通過一系列的光源能量、形狀控制手段，將光束透射過畫著線路圖的掩模，經物鏡補償各種光學誤差，將線路圖成比例縮小后映射到硅片上，不同光刻機的成像比例不同，有5∶1的，也有4∶1的。然后使用化學方法顯影，得到刻在硅片上的電路圖（即芯片）。光刻機發出的光通過具有圖形的光罩后，不是像我們的激光筆玩具那樣照射到地面或者墻壁上顯示出各種圖案，而是對涂有一種對光線高度敏感的光刻膠的薄片曝光，光刻膠曝光后會發生性質變化，將光罩上的圖形復印到薄片上。看起來光刻機的作用，類似照相機照相。照相機拍攝的照片是印在底片上，而光刻機刻的不是照片，是大規模集成電路的電路圖。

光刻機的原理看似簡單，但實現起來非常困難。

就拿光刻機的反射鏡來說，它的制造工藝就是一個難以攀登的高峰，它的誤差大小僅能以皮米（納米的千分之一）計算。也就是說，如果反射鏡面積有安徽和湖南兩省的面積這么大，其表面光滑度要求最高的突起處不能高于1厘米。另外，光刻機里有兩個同步運動的工作臺，一個載底片，一個載膠片，兩者須始終同步，誤差不能超過2納米。兩個工作臺由靜到動，加速度跟導彈發射時的速度差不多。打個比方說，就相當于兩架大飛機從起飛到降落，始終齊頭并進，而且在飛行過程中，如果從一架飛機上伸出一把刀，在另一架飛機的米粒上刻字，而且不得刻壞了！

光刻機的激光光源又是一道難關，光刻運用的準分子激光器光源需要窄線寬、大能量和高脈沖頻率，這些參數互相矛盾，研制難度極大。目前經兼并組合后，全世界除一家日本公司能獨立生產這種激光光源外，其余皆被荷蘭的ASML公司收購。

但別以為做出了光刻機就萬事大吉了，制約生產芯片的因素還有很多，比如光刻膠。光刻膠是芯片制造中必不可少的材料，2019年1月，臺灣積體電路制造股份有限公司（簡稱臺積電）就因為使用了不合格的光刻膠而報廢了上萬片晶圓，影響到高通、華為、蘋果等客戶的芯片制造，自身損失超過5億美元。

正是因為制造和維護需要高度發達的光學和電子工業基礎，所以世界上只有少數廠家掌握了光刻機制造技術。這也直接導致了光刻機價格昂貴，通常在3000萬美元至5億美元之間。

光刻機市場，世界上只有荷蘭ASML一家獨大，因為光刻機的研制投入巨大，并且需要常年的技術積累，荷蘭ASML公司僅員工就有23000名，所以很多公司不愿意從頭再來去研制光刻機。

我國正在加緊研制光刻機，早在1971年，我國清華大學精儀系就成功研制出了“激光干涉定位自動分步重復照相機”。那時，現在的光刻機巨頭ASML公司還未創立，可以說跟歐美光刻技術處于同一水平，進入20世紀80年代后，隨著國家放慢了對半導體工業支持的腳步，面對飛速發展的國際半導體行業，我國被遠遠甩在了后面。

2018年底，國家重大科研“超分辨光刻裝備研制”項目通過驗收，該光刻機由中國科學院光電技術研究所研制，光刻分辨力達到22納米，結合雙重曝光技術后，未來還可用于制造10納米級別的芯片。

現在世界上最先進的芯片已經達到7納米技術，想生產7納米芯片就需要高端的光刻機和蝕刻機，而高端光刻機現在一直被荷蘭的ASML公司壟斷，但在蝕刻機上我國已經攻克了5納米技術。光刻機和蝕刻機是芯片制造過程中先后用到的關鍵設備，光刻機是把芯片的設計圖案印上去，然后再通過刻蝕機進行刻蝕。光刻機的研制難度比刻蝕機大得多，目前我國光刻機和蝕刻機發展屬于嚴重地偏科，因為我國半導體行業7納米蝕刻機已經實現量產，但是在光刻機技術上，離7納米技術還相差甚遠。

據統計，我國連續多年從西方進口芯片已經超過1萬億人民幣，且這個趨勢還在不斷上升。專家指出，隨著國家對芯片領域大幅度投資和持續投入，中國的發展將不可阻擋，相信中國的光刻機發展也將最終突破桎梏，其發展也將光明萬丈，前程似錦！

走進當代工業領域，有兩顆光彩熠熠的明珠——航空發動機和光刻機。它們復雜的制造工藝及集不同方向最新科技成果于一身的高科技身份，分別代表了人類當代科技發展的頂級水平，所以稱它們是當代工業皇冠上兩顆奪目的明珠是當之無愧的。

今天的你我，愿意成為攀登世界頂級光刻機高峰中有力的一員嗎？

（編輯 文 墨）