今年4月中興事件引發(fā)了全民對(duì)國(guó)產(chǎn)芯片的關(guān)注。據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年國(guó)內(nèi)集成電路進(jìn)口額仍高達(dá)2601.4美元，進(jìn)出口逆差更是達(dá)到了1932億美元。顯然，中國(guó)目前對(duì)于國(guó)外芯片的依賴程度依然很高。

芯片制造到底有多難？

芯片生產(chǎn)是一個(gè)點(diǎn)砂成金的過(guò)程，從砂子到晶圓再到芯片，價(jià)值密度直線飆升。真正的芯片制造過(guò)程十分復(fù)雜，下面我們?yōu)榇蠹液?jiǎn)單介紹一下。

晶圓是指硅半導(dǎo)體集成電路制作所用的硅晶片，由于其形狀為圓形，故稱為晶圓。單單從晶圓到芯片，其價(jià)值就能翻12倍，2000塊錢一片的晶圓原料經(jīng)過(guò)加工后，出來(lái)的成品價(jià)值約2.5萬(wàn)元，可以買一臺(tái)高性能的計(jì)算機(jī)了。

從熔融態(tài)Si中拉出晶圓并切片

獲得晶圓后，將感光材料均勻涂抹在晶圓上，利用光刻機(jī)將復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)印到感光材料上，被曝光的部分會(huì)溶解并被水沖掉，從而在晶圓表面暴露出復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)，再使用刻蝕機(jī)將暴露出來(lái)的硅片的部分刻蝕掉。

晶圓片拋光后利用光刻機(jī)將設(shè)計(jì)好的電路轉(zhuǎn)印到晶圓上

在晶圓上刻蝕出來(lái)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)

接著，經(jīng)過(guò)離子注入等數(shù)百道復(fù)雜的工藝，這些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)便擁有了特定的半導(dǎo)體特性，并能在幾平方厘米的范圍內(nèi)制造出數(shù)億個(gè)有特定功能的晶體管。

鍍銅后再切削掉表面多余的銅

再覆蓋上銅作為導(dǎo)線，就能將數(shù)以億計(jì)的晶體管連接起來(lái)。

經(jīng)過(guò)測(cè)試、晶片切割和封裝，就得到了我們見(jiàn)到的芯片

一塊晶圓經(jīng)過(guò)數(shù)個(gè)月的加工，在指甲蓋大小的空間中集成了數(shù)公里長(zhǎng)的導(dǎo)線和數(shù)以億計(jì)的晶體管器件，經(jīng)過(guò)測(cè)試，品質(zhì)合格的晶片會(huì)被切割下來(lái)，剩下的部分會(huì)報(bào)廢掉。千挑萬(wàn)選后，一塊真正的芯片就這么誕生了。

切割出合格晶片后報(bào)廢的晶圓

光刻機(jī)——芯片制造的卡脖子環(huán)節(jié)

制約集成電路技術(shù)發(fā)展的有四大要素：功耗、工藝、成本和設(shè)計(jì)復(fù)雜度，其中光刻機(jī)就是一個(gè)重中之重，核心技術(shù)中的核心。

一些裝備由于其巨大的制造難度被冠以“工業(yè)皇冠上的明珠”的稱號(hào)，最主流的說(shuō)法是兩大裝備：航空發(fā)動(dòng)機(jī)和光刻機(jī)，最先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)目前的報(bào)價(jià)在千萬(wàn)美元量級(jí)，但是最先進(jìn)的光刻機(jī)目前的報(bào)價(jià)已經(jīng)過(guò)億美金。

芯片的集成程度取決于光刻機(jī)的精度，光刻機(jī)需要達(dá)到幾十納米甚至更高的圖像分辨率，光刻機(jī)的兩套核心系統(tǒng)——光學(xué)系統(tǒng)和對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)的精度越高，可以在硅片上刻的溝槽越細(xì)小，芯片的集成度越高、計(jì)算能力越強(qiáng)。

目前，世界上80%的光刻機(jī)市場(chǎng)被荷蘭ASML公司占據(jù)，而能夠進(jìn)行7nm甚至5nm生產(chǎn)的EUV光刻機(jī)目前全球也只有ASML一家能夠供應(yīng)。再加上ASML的EUV光刻機(jī)成本高昂（ASML最高端的EUV光刻機(jī)NXE 3400B一臺(tái)售價(jià)約1.2億美元），而且產(chǎn)能非常有限，可謂是一機(jī)難求。

前面有提到2012年前后英特爾、臺(tái)積電、三星都對(duì)ASML進(jìn)行了資助，并入股成為了其股東。ASML一共得到了13.8億歐元(17.22億美元)的研發(fā)資金，正好達(dá)到了最初的預(yù)期值，而通過(guò)出讓23％的股權(quán)換來(lái)了38.79億歐元(48.39億美元)，合計(jì)達(dá)到52.59億歐元(65.61億美元)。而英特爾、臺(tái)積電、三星之所以選擇資助和入股ASML其中一個(gè)原因就是為了推動(dòng)其EUV光刻機(jī)的研發(fā)，并且控制供應(yīng)。

另外需要注意的是，由于《瓦森納協(xié)定》的存在，中國(guó)大陸引進(jìn)國(guó)際先進(jìn)的半導(dǎo)體設(shè)備是會(huì)受到限制的。

《瓦森納協(xié)定》又稱瓦森納安排機(jī)制，目前共有包括美國(guó)、日本、英國(guó)、俄羅斯等40個(gè)成員國(guó)。盡管“瓦森納安排”規(guī)定成員國(guó)自行決定是否發(fā)放敏感產(chǎn)品和技術(shù)的出口許可證，并在自愿基礎(chǔ)上向“安排”其他成員國(guó)通報(bào)有關(guān)信息。但“安排”實(shí)際上完全受美國(guó)控制。而中國(guó)大陸就在“被禁運(yùn)”國(guó)家之列。

當(dāng)“瓦森納安排” 某一國(guó)家擬向中國(guó)出口某項(xiàng)高技術(shù)時(shí)，美國(guó)甚至直接出面干涉，如捷克擬向中國(guó)出口“無(wú)源雷達(dá)設(shè)備”時(shí)，美便向捷克施加壓力，迫使捷克停止這項(xiàng)交易。

事實(shí)上，對(duì)于中國(guó)半導(dǎo)體領(lǐng)域的禁運(yùn)一直存在，英特爾、三星、臺(tái)積電2015年就能買到荷蘭ASML的10nm光刻機(jī)，而中國(guó)大陸的中芯國(guó)際2015年只能買到ASML 2010年生產(chǎn)的32nm光刻機(jī)，5年時(shí)間對(duì)半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，已經(jīng)足夠讓市場(chǎng)更新?lián)Q代3次了。

雖然ASML曾否認(rèn)其會(huì)受到《瓦森納協(xié)定》的影響，而且今年中芯國(guó)際也成功訂購(gòu)到了一臺(tái)EUV光刻機(jī)，但是最快也要等2019年年初才會(huì)交貨。也就是說(shuō)等到2019年，中芯國(guó)際才能用上EUV光刻機(jī)進(jìn)行一些試驗(yàn)性研發(fā)。

按照中芯國(guó)際目前的進(jìn)度，恐怕最快也要等到2020年底才可能量產(chǎn)10nm，而實(shí)際上更先進(jìn)的7nm才會(huì)需要用到EUV。而且一臺(tái)EUV光刻機(jī)最多也只能做試產(chǎn)，根本沒(méi)法做量產(chǎn)。顯然，中芯國(guó)際要想用EUV量產(chǎn)7nm，就需要采購(gòu)更多的EUV光刻機(jī)，而ASML后續(xù)能賣你幾臺(tái)還不知道，即使能夠繼續(xù)買，樂(lè)觀估計(jì)中芯國(guó)際7nm量產(chǎn)最快也要等到2022年了。而到那時(shí)，臺(tái)積電、三星的3nm可能都出來(lái)了！中國(guó)大陸的半導(dǎo)體制程與海外仍將保持近兩代的差距。

當(dāng)然，中國(guó)也有自己的光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)，但是由于起步較晚且技術(shù)積累薄弱，與國(guó)外的差距仍是非常的巨大。

作為國(guó)內(nèi)光刻設(shè)備的龍頭企業(yè)，上海微電子裝備(SMEE)目前最先進(jìn)的光刻設(shè)備也只能提供最高90mn的工藝技術(shù)。單從指標(biāo)上看，基本也和ASML的低端產(chǎn)品PAS5500系列屬于同一檔次。此外還有合肥芯碩半導(dǎo)體、無(wú)錫影速半導(dǎo)體等企業(yè)，目前也只能提供最高200mn的工藝技術(shù)。

不過(guò)，我們也不必過(guò)于悲觀。目前國(guó)家也在針對(duì)光刻機(jī)領(lǐng)域進(jìn)行重點(diǎn)突破。中國(guó)16個(gè)重大專項(xiàng)中的02專項(xiàng)，就提出光刻機(jī)到2020年研發(fā)出22nm。2015年出45nm的并且65nm的產(chǎn)業(yè)化。45nm是目前主流的光刻機(jī)工藝，包括32nm的還有28nm基本都是在45nm的侵入深紫外光刻機(jī)上面改進(jìn)升級(jí)來(lái)的。所以中國(guó)掌握45nm的很重要。45nm光刻機(jī)是一個(gè)很重要的臺(tái)階，達(dá)到這個(gè)水平后，在45nm光刻機(jī)上面進(jìn)行物鏡和偏振光升級(jí)可以達(dá)到32nm。

另外，用于光刻機(jī)的固態(tài)深紫外光源也在研發(fā)，我國(guó)的光刻機(jī)研發(fā)是并行研發(fā)的，22nm光刻機(jī)用到的技術(shù)也在研發(fā)，用在45nm的升級(jí)上面。還有電子束直寫光刻機(jī)，納米壓印設(shè)備，極紫外光刻機(jī)技術(shù)也在研發(fā)。對(duì)光刻膠升級(jí)，對(duì)折射液升級(jí)，并且利用套刻方法可以達(dá)到22nm到14nm甚至10nm的水平。相應(yīng)的升級(jí)的用的光刻膠，第3代折射液等也在相應(yīng)的研發(fā)中。

而在目前最為先進(jìn)的EUV技術(shù)方面，去年“極大規(guī)模集成電路制造裝備及成套工藝”國(guó)家科技重大專項(xiàng)“極紫外光刻關(guān)鍵技術(shù)研究”項(xiàng)目順利通過(guò)驗(yàn)收。項(xiàng)目研究團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)八年的艱苦奮戰(zhàn)，突破了制約我國(guó)極紫外光刻發(fā)展的超高精度非球面加工與檢測(cè)、極紫外多層膜、投影物鏡系統(tǒng)集成測(cè)試等核心單元技術(shù)，成功研制了波像差優(yōu)于0.75nm RMS 的兩鏡EUV 光刻物鏡系統(tǒng)，構(gòu)建了EUV 光刻曝光裝置，國(guó)內(nèi)首次獲得EUV 投影光刻32nm 線寬的光刻膠曝光圖形。

當(dāng)然，從技術(shù)突破到真正的商用，到量產(chǎn)仍有很長(zhǎng)的一段距離。但是，如果我們不想被卡脖子，就必須敢啃這塊硬骨頭。