芯片之源

华庆富

编者按：在网络信息产业中，芯片被比喻为心脏，操作系统被比喻为灵魂。“缺芯少魂”是我国信息产业发展的一大难题，特别是在中美贸易摩擦的大背景下，我国的中兴公司、华为公司接连遭遇美国芯片“断供”事件，把这一难题进一步凸显出来，引起全国和国际社会的广泛关注。很多读者也许会问：我们为什么不自己生产芯片？芯片研制真有那么难吗？下面给大家介绍一下芯片制造的核心设备之一——光刻机，也许你能从中窥斑见豹。

还记得小时候我们曾经爱不释手的激光笔玩具吗？那时候为了一支心仪已久的激光笔，放学后可能要瞒着爸爸妈妈，偷偷摸摸地在学校附近的文具店里挑来挑去，最终将其藏在书包里层的口袋里，趁爸爸妈妈睡着的时候，悄悄地掏出来对着关了灯的小卧室的墙壁，展示着一个个光罩所变幻出的炫目图案！

现在我们可以从简单的激光笔玩具开始，认识一下时下风头正劲的光刻机这种高大上的设备。

光刻机又叫掩模对准曝光机、曝光系统、光刻系统等，光刻的意思是用光来制作一个图形（工艺）。光刻机通过一系列的光源能量、形状控制手段，将光束透射过画着线路图的掩模，经物镜补偿各种光学误差，将线路图成比例缩小后映射到硅片上，不同光刻机的成像比例不同，有5∶1的，也有4∶1的。然后使用化学方法显影，得到刻在硅片上的电路图（即芯片）。光刻机发出的光通过具有图形的光罩后，不是像我们的激光笔玩具那样照射到地面或者墙壁上显示出各种图案，而是对涂有一种对光线高度敏感的光刻胶的薄片曝光，光刻胶曝光后会发生性质变化，将光罩上的图形复印到薄片上。看起来光刻机的作用，类似照相机照相。照相机拍摄的照片是印在底片上，而光刻机刻的不是照片，是大规模集成电路的电路图。

光刻机的原理看似简单，但实现起来非常困难。

就拿光刻机的反射镜来说，它的制造工艺就是一个难以攀登的高峰，它的误差大小仅能以皮米（纳米的千分之一）计算。也就是说，如果反射镜面积有安徽和湖南两省的面积这么大，其表面光滑度要求最高的突起处不能高于1厘米。另外，光刻机里有两个同步运动的工作台，一个载底片，一个载胶片，两者须始终同步，误差不能超过2纳米。两个工作台由静到动，加速度跟导弹发射时的速度差不多。打个比方说，就相当于两架大飞机从起飞到降落，始终齐头并进，而且在飞行过程中，如果从一架飞机上伸出一把刀，在另一架飞机的米粒上刻字，而且不得刻坏了！

光刻机的激光光源又是一道难关，光刻运用的准分子激光器光源需要窄线宽、大能量和高脉冲频率，这些参数互相矛盾，研制难度极大。目前经兼并组合后，全世界除一家日本公司能独立生产这种激光光源外，其余皆被荷兰的ASML公司收购。

但别以为做出了光刻机就万事大吉了，制约生产芯片的因素还有很多，比如光刻胶。光刻胶是芯片制造中必不可少的材料，2019年1月，台湾积体电路制造股份有限公司（簡称台积电）就因为使用了不合格的光刻胶而报废了上万片晶圆，影响到高通、华为、苹果等客户的芯片制造，自身损失超过5亿美元。

正是因为制造和维护需要高度发达的光学和电子工业基础，所以世界上只有少数厂家掌握了光刻机制造技术。这也直接导致了光刻机价格昂贵，通常在3000万美元至5亿美元之间。

光刻机市场，世界上只有荷兰ASML一家独大，因为光刻机的研制投入巨大，并且需要常年的技术积累，荷兰ASML公司仅员工就有23000名，所以很多公司不愿意从头再来去研制光刻机。

我国正在加紧研制光刻机，早在1971年，我国清华大学精仪系就成功研制出了“激光干涉定位自动分步重复照相机”。那时，现在的光刻机巨头ASML公司还未创立，可以说跟欧美光刻技术处于同一水平，进入20世纪80年代后，随着国家放慢了对半导体工业支持的脚步，面对飞速发展的国际半导体行业，我国被远远甩在了后面。

2018年底，国家重大科研“超分辨光刻装备研制”项目通过验收，该光刻机由中国科学院光电技术研究所研制，光刻分辨力达到22纳米，结合双重曝光技术后，未来还可用于制造10纳米级别的芯片。

现在世界上最先进的芯片已经达到7纳米技术，想生产7纳米芯片就需要高端的光刻机和蚀刻机，而高端光刻机现在一直被荷兰的ASML公司垄断，但在蚀刻机上我国已经攻克了5纳米技术。光刻机和蚀刻机是芯片制造过程中先后用到的关键设备，光刻机是把芯片的设计图案印上去，然后再通过刻蚀机进行刻蚀。光刻机的研制难度比刻蚀机大得多，目前我国光刻机和蚀刻机发展属于严重地偏科，因为我国半导体行业7纳米蚀刻机已经实现量产，但是在光刻机技术上，离7纳米技术还相差甚远。

据统计，我国连续多年从西方进口芯片已经超过1万亿人民币，且这个趋势还在不断上升。专家指出，随着国家对芯片领域大幅度投资和持续投入，中国的发展将不可阻挡，相信中国的光刻机发展也将最终突破桎梏，其发展也将光明万丈，前程似锦！

走进当代工业领域，有两颗光彩熠熠的明珠——航空发动机和光刻机。它们复杂的制造工艺及集不同方向最新科技成果于一身的高科技身份，分别代表了人类当代科技发展的顶级水平，所以称它们是当代工业皇冠上两颗夺目的明珠是当之无愧的。

今天的你我，愿意成为攀登世界顶级光刻机高峰中有力的一员吗？

（编辑 文 墨）