科技改變生活 · 科技引領未來
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芯片，這個最近耳熟能詳的詞語，頻頻出現在大眾視野，讓很多并不了解科技產業(yè)、并不熟悉芯片的人對芯片有了越來越多的認識。芯片自從被發(fā)明出來，就一直是全球最高精尖的科技產品，任何電子設備，不論是軍用還是民用，都是離不開芯片的。我國芯片發(fā)展起步晚，
芯片，這個最近耳熟能詳的詞語，頻頻出現在大眾視野，讓很多并不了解科技產業(yè)、并不熟悉芯片的人對芯片有了越來越多的認識。
芯片自從被發(fā)明出來，就一直是全球最高精尖的科技產品，任何電子設備，不論是軍用還是民用，都是離不開芯片的。
我國芯片發(fā)展起步晚，重度依賴進口，被人卡脖子
而我國的高科技產業(yè)起步較晚，在美國70年代家用電腦都已經進入尋常百姓家的的時候，我國連黑白電視機都買不起。
圖為美國七八十年代辦公場所的電腦
直到從90年代開始，家用PC電腦才開始走入大城市的工薪階層和政府部門。而CPU芯片作為電腦的核心，是非常重要的，沒有它電腦就無法工作，它就像人們的大腦一樣，控制著計算機（電腦）的各種行為。
但是長期以來，由于國外芯片技術發(fā)展較早，比我國幾乎早發(fā)展了一代人的技術水平，而我國在芯片領域起步較晚，基礎比較薄弱，國外先進的技術、設備一直都是限制賣給中國使用的，所以我們只能從國外購買芯片，國產自給率不足20%。
我國是世界上的芯片進口大國，每年都要花費數千億美元在芯片的進口上，因為我們無法制造出高端芯片，而制造不出高端芯片的關鍵原因，就是用于生產高端芯片的設備——光刻機，一直以來，最先進的光刻機都是由荷蘭ASML公司研發(fā)的，由美國、德國為首的發(fā)達國家掌控，形成龐大的利益共同體，而其生產的EUV高端光刻機內部達8萬多個零部件，其中關鍵零部件多產自美國，而這些對技術工藝要求極高的零部件，有不少是個別企業(yè)獨有的技術，別人根本無法復制和模仿，甚至就像ASML總裁所說的那樣：“即使公開圖紙，也不怕被山寨”。而臺積電、三星、英特爾、中芯國際、中興等等都是ASML的客戶。
由于光刻機內部零件的復雜性，以及對高精密儀器制造的超高要求，我們國家無法制造出先進的光刻機，只能采買。美國一紙禁令，要求所有使用使用美國的技術、軟件設計、零部件和制造半導體芯片的設備以及相關廠商不得向中國華為出售相關半導體芯片產品。
這項芯片禁令升級，導致華為甚至中國在芯片領域直接被美國卡脖子。我們面對美國的限制和打壓，正在面臨著前所未有的芯片困境，讓我們真正的意識到，自主研發(fā)國產芯片的重要性，而光刻機的自主研發(fā)，就成了重中之重。
什么是光刻機
光刻機，又名掩模對準曝光機，是用來生產大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路的核心設備。
晶圓是指制作硅半導體積體電路所用的硅晶片，其原始材料是硅。高純度的多晶硅溶解后摻入硅晶體晶種，然后慢慢拉出，形成圓柱形的單晶硅。硅晶棒在經過研磨，拋光，切片后，形成硅晶圓片，也就是晶圓。
其工作原理和照相機相似，光刻機利用發(fā)出的光，通過具有電路圖的光罩對涂有光刻膠的晶圓薄片進行曝光，而光刻膠在光的照射下發(fā)生反應，從而將光罩上的電路圖“復印”到晶圓薄片，從而將電路圖繪制在了晶圓上。
晶圓經過切割等加工手段最終制成一個又一個的芯片。就如同單反攝像機一樣，鏡頭是最核心的部分，也是最貴的器件，光刻機也是如此，鏡頭也是光刻機最核心的部分，但是要比單反鏡頭要大得多，一個鏡頭直徑能達到1米高2米甚至更大。
因此，鏡頭就變得十分重要，德國蔡司鏡頭是公認的最強大的光學鏡頭，ASML生產的光刻機就是用的他家的。
光刻機有了鏡頭還不行，另外一個比較重要的就是光源，光源的工藝能力水平取決于其光源的波長。一般地，波長越短，工藝越好。這是為什么呢？
大家都知道，初中物理就學過的一個公式【光速=頻率×波長】，那么就能夠得出頻率與波長成反比【頻率=光速/波長】，光速是固定的，當波長越小時，頻率就越高，而頻率越高，振動幅度就越小，那么光傳播的路線就越直，那么它的抖動就越小，那么圖像的像素點就會越小越密，那么分辨率就會越高，就越能夠精準的將電路圖繪制在晶圓上。
目前比較流行的光源分為三種：
光刻機分辨率，以納米為單位，其計算公式為：【分辨率 = 工藝系數 * 波長 / 鏡頭數值孔徑】
工藝節(jié)點： 工藝節(jié)點（nodes）是反映集成電路技術工藝水平最直接的參數。通常我們所常見的描述芯片是多少多少納米，就是指的工藝節(jié)點。目前主流的節(jié)點為0.35um、0.25um、0.18um、90nm、65nm、40nm、28nm、20nm、16/14nm、10nm、7nm等，和最近最新的工藝節(jié)點為5nm，臺積電已經實現。
在65nm工藝及以前，工藝節(jié)點的數值幾乎和光刻機的最高分辨率是一致的。由于鏡頭數值孔徑并沒有太大變化，所以工藝節(jié)點的水平主要由光源波長決定，ArF193nm波長可實現的最高工藝節(jié)點就是65nm。而在65nm以后，由于波長難以再突破，業(yè)界發(fā)明了一種沉浸式技術，將等效的光源波長利用水的折射原理縮小到了134nm。而引入這一技術之后，鏡頭數值孔徑也進一步得到提高，從而使得分辨率提高了。
因此，雖然光源波長沒變，但是工藝節(jié)點卻推進到了28nm。然而到了28nm后，技術難以再解決出現的單次曝光系列問題，便使得28nm成為工藝節(jié)點的一個重要分水嶺。
毫無疑問，EUV光刻機是最好的。主流廠商的7nm及以下芯片的制造工藝都會采用EUV光刻機，其中三星在7nm上已經采用，而EUV光刻機目前只有ASML一家能夠量產，因特爾和臺積電一直到7nm工藝節(jié)點都依然使用浸潤式（immersion）ArF的光刻設備，而7nm以下的工藝就必須采用EUV光刻機了。沉浸式DUV光刻機（ArF + immersion）能夠生產28-7nm芯片。
在未來，5nm和3nm工藝必然是EUV光刻機的天下，三星7nm工藝已經采用了EUV光刻機，而中芯國際早在2018年就已經從ASML訂購了一臺EUV光刻機，然而卻因為美國從中阻撓，雖然錢已交付，但是貨卻遲遲無法拿到。
我國光刻機落后的現狀
目前我國的芯片技術水平至少落后國外10年，而中芯國際是我國數一數二的芯片制造廠商，其目前的水平可以量產14nm芯片，但是整整比臺積電5nm工藝水平落后3代。雖然能夠量產14nm芯片，但是其使用的光刻機依然是DUV沉浸式光刻機，只能夠生產28-7nm芯片，7nm以下的芯片是無法制造出來的，必須使用EUV光刻機，然而中芯國際向ASML購買的EUV光刻機，花了7個億，錢打過去了，卻遲遲兩年沒有到貨。
上海微電子國產600系列光刻機只能實現90nm，相當于國外2004年的水平，整整落后16年。
制造光刻機的難度，可能比制造航天發(fā)動機還要困難，目前世界上沒有一個國家能夠可以獨立完成高端光刻機的制造，哪怕是ASML能夠制造，也不是憑借一己之力完成的，它是國際上數十個國家合作才能完成的。
美國近期的一紙禁令，讓國內芯片相關產業(yè)為之顫抖，看似是打壓限制華為，實則是制裁我國芯片產業(yè)的發(fā)展之路。芯片的重要性也得到了國家重視，直接拿出1600億投資華為、上海微電子、中興等公司，研發(fā)自主知識產權的芯片。
雖然光刻機制造技術我們難以企及ASML的高度，但是在國產企業(yè)的努力下，成果還是有目共睹的。
接下來就給大家介紹一下近段時間以來的最新研究成果。
有消息稱上海微電子28nm光刻機即將交付，22nm光刻機研發(fā)成功
6月中旬的時候，一名自稱上微的員工在某論壇發(fā)帖稱，上海微電子就稱28nm工藝節(jié)點的光刻機將會在2021年下半年交付，最遲2022年，將達到批量生產，大批交付使用。隨后該帖子已經被刪除。
雖然沒有得到官方證實，但是最近都在宣傳報道此事，假如這個傳聞屬實，那么對于我國光刻機技術發(fā)展來說將會是一個非常大的突破。
這里有一個誤區(qū)需要解釋一下，該光刻機并非光源28nm的光刻機，28nm應該指的是28nm工藝節(jié)點，并非光源波長。因為按照目前上微官網SSA600/20光刻機介紹來看，最高工藝節(jié)點是90nm，使用的光源為365nm，如果28nm工藝節(jié)點屬實，那么估計采用的應該是沉浸式193nm光刻機實現的。
而緊接著7月7日有媒體報道稱上海微電子技術公司成功研發(fā)出22nm工藝節(jié)點光刻機，采用紫外光源實現22nm工藝，成功打破西方技術壟斷。
很多人會質疑和小看22nm工藝，會覺得現在都7nm、5nm芯片了，還停留在22nm上，如此“粗糙”能有什么用？當然，我們承認與ASML 5nm工藝還有巨大的差距，但是相比之前90nm工藝，我們的進步是非常明顯的，而且22nm工藝應用范圍是非常廣的，雖然可能用在手機芯片上會顯得十分落后，但是在其他領域上的應用是十分廣泛的，22nm以上的工藝都可以通過該光刻機制造出來，足以應對全球60%以上的芯片制造，而且就這，我們還是達到了世界前列水平，但是距離世界高端水平依然有巨大的差距。
22nm工藝光刻機的成功讓我們看到了國產芯的曙光！
中科院5nm激光光刻技術研究有了新進展
前幾天被媒體爭相報道，說中科院官網公布了一項技術研究論文進展情況，媒體報道如下：
據中科院7月7日官網報道稱，近日，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所研究員張子旸與國家納米中心研究員劉前合作，在Nano Letters上發(fā)表了題為5 nm Nanogap Electrodes and Arrays by a Super-resolution Laser Lithography的研究論文，報道了一種新型5nm超高精度激光光刻加工方法。研究團隊基于光熱反應機理設計開發(fā)了一種新型三層堆疊薄膜結構。
然而大師兄并沒有在中科院官網上找到與網絡傳播的那張截圖，中科院7月7日相關報道或已被刪除，大師兄只在其官網搜到這樣一篇文章，發(fā)表時間是7月13日。
估計中科院發(fā)布的報道，讓很多人誤以為中科院研發(fā)出了5nm光刻機，產生了誤會，所以隨后出來辟謠糾正了。不過論文還是存在的。
該技術采用雙激光束（405nm）交疊技術，精確控制能力大幅提高，突破極限，達到最小5nm工藝的水平。
該技術有別于傳統的縮短激光波長和增大鏡頭數值孔徑的方式（前面有介紹縮短波長，增大孔徑，可以提高分辨率），而是利用自主研發(fā)的激光直寫設備，利用了激光與物質的非線性交互來提高加工分辨率。
后面這段話非專業(yè)人士聽不懂，忽略就好，反正就是有了這項技術，我們就有了光刻5nm的方法！是一個新的突破！
但是也不能高興太早，因為這離5nm工藝光刻機的實現還很遙遠！
三星跳過4nm，直接邁入3nm研發(fā)
放眼世界，在先進的芯片制造領域，存在三足鼎立之勢，分別是臺積電，英特爾和三星。
而英特爾目前還只停留在7nm工藝，臺積電與三星在7nm以下產生了激烈的競爭，這不得不引起業(yè)界的廣泛關注。
我們一直在討論臺積電和華為在芯片供應上的種種拉扯，卻忽略了三星這個大廠，突然冒出的消息讓人虎軀一震。
根據外媒報道，三星投資上百億美元，跳過4nm工藝，進擊3nm芯片領域。
臺積電一直是三星的最大競爭對手，在5nm工藝的競爭上，三星已然是略敗下風。而臺積電早已經在4nm及3nm工藝進行了技術儲備，4nm量產計劃也將在2022-2023年有望實現。從工藝上講，三星是落后臺積電一年多的，而這次三星跳過4nm，直接進入3nm工藝，必然是想要與臺積電再次拼個你死我活。
而且有消息傳出，三星將在3nm工藝上繞開美國專利技術，從而擺脫美國技術限制，為華為供貨提供了可能。
三星在芯片領域起步較臺積電晚一些，臺積電一直是華為的重要客戶之一，而因為美國的影響，臺積電不得不縮減、甚至是取消為華為代工的訂單，6月份臺積電曾宣稱將第四季度華為芯片的訂單取消，從而將該部分訂單產能分給了蘋果、高通以及國內部分手機廠商。而三星在與華為的合作上，雖然沒有臺積電那么多，但是依然是比較重要的合作伙伴。
三星或將從臺積電手中取得更多的華為5G芯片的訂單，雙方的合作亦有可能將進一步加深。
未來很長一段時間，三星的主要客戶依然是高通，而如果三星能夠繞過美國專利技術，采用自有產權實現3nm工藝，那么預計華為也將成為三星的重要合作伙伴。
總結
美國不管是對華為卡脖子，還是對中國卡脖子，甚至對所有國產廠商卡脖子，雖然短時間內對我們有所影響，但適當的卡脖子也不算壞事兒，因為有美國這樣的存在，將會使我們警鐘長鳴。
一次又一次地提醒著我們“堅持獨立自主研發(fā)”、“自主知識產權”有多么地重要。
光刻機的重要性是不言而喻的，一臺光刻機雖然售價七八億人民幣，創(chuàng)造的芯片價值雖小，但是卻至關重要，沒有它就造不出芯片，創(chuàng)造的價值和產業(yè)鏈、供應鏈是非常巨大的。
中國目前的半導體行業(yè)，較國外落后10-20年，不論是國產光刻機，還是國產芯片設計與制造，又或者是國產操作系統，我們都需要國人不斷地支持，努力的追趕，相信在不久，撐住這未來5-10年，挺過去，我們國產技術必定能夠追趕上國際先進水平。
“沒有傷痕累累，哪來皮糙肉厚，英雄自古多磨難！”
加油，華為，加油，中國！
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馬俊