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光刻机何时造出来?一场“电动车革命”或将发生

2022年10月13日

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文/王新喜

如果在10年前或者20年前,要问我们何时造出燃油车发动机,我们可能依然无法解答这个问题,汽车产业尤其是发动机技术,欧美日本领先中国太多,中国从一开始基础就落后,长期以来这方面的专利与技术掌控在日本欧美手里,燃油车发动机就是我国汽车产业的最大瓶颈。如果有人要在发动机上卡我们脖子,那汽车产业就会面临非常危险的境况。

如今电动车的大潮,三电技术实现了弯道超车与破局,这是打破瓶颈的最有效的方法。

其实放到光刻机领域,我们发现其实面临着同样的难题。在今天,光刻机技术的破局是国内社会各界非常关注的一个话题。光刻机是制造芯片的机器,而芯片是整个手机的大脑。

所有人都在期待着国产EUV光刻机的出现,从而将国内的芯片制造技术推向7nm乃至更高的制程,打破芯片被卡脖子的问题。

事实上,当前一场光刻机市场的“”电动车”革命暗潮正在发生。

造光刻机,难在哪?

但光刻机何时能造出来,相信大家心里都没底,因为这不是砸钱就能解决问题的。

涉及光刻机的核心技术层面的东西都在国外企业手里。芯片制程只要进入7nm,所生产芯片用的晶元仪器就得使用荷兰ASML公司的EUV光刻机,因为EUV光刻机的制程精度是当下最高的,能有效提升高端芯片产品在生产过程中的良率,也只有EUV光刻机才能够对它进行大规模加工,增大产出效率。

但由于在这方面的基础底子落后,中国缺乏发展先进的晶片生产的先进技术,也很难掌握EUV光刻技术。

一台光刻机有10万多个零件,涉及的每一步都需要最先进的工艺与零件。ASML公司的EUV光刻机,需要顶级的镜头和光源以及极致的机械精度与复合材料,光源采用美国的Cymer,透镜是德国的蔡司,复合材料是来自日本等等。

光刻机的激光,镜头,双工台,都是精密仪器的顶尖水平,其中,光刻机有两个同步运动的工件台,一个载底片,一个载胶片。而双工台是控制套刻载体,要求极高的稳定性和精确性两者需始终同步,误差在2纳米以下。它的原理就是类似把电路图缩印到晶圆“纸”上。

问题是,这个电路图不是画到A4纸上,从其精度来看,相当于是把电路图画到一粒沙子上,某业内人士打了一个比喻,同步运动的工件台机制相当于,把这个沙子放到一个赛车的挡风玻璃上,让你开另外一辆赛车,一边追一边在这一粒沙子画电路图,还不能出错。

SMEE总经理贺荣明也说了一个类似的比喻:“相当于两架大飞机从起飞到降落,始终齐头并进。一架飞机上伸出一把刀,在另一架飞机的米粒上刻字,不能刻坏了。”它需要结合光学、材料、控制、电子、机械、化学等最顶尖的技术。

全球最顶尖的光刻机生产商,全球最大的半导体设备制造商之一,他一年的光刻机产量也就不到40台。

从一个业内流传很广的说法来看,做出光刻机的难度比原子弹还要难,其实也不算夸张。

毕竟,这个世界上,核武器大国有多个,但还没有一个国家可以凭借一己之力,完全不依靠别国的零部件与技术就能单独生产光刻机。ASML生产光刻机,还有近80%的零件是向外采购的。

从现存光刻机的难度来看,如果顺着它的技术路径去一个一个破局,其难度是非常之大,ASML研发EUV前前后后差不多有20年,并且集成了全球顶级技术。即便发展到今天,它还在持续投入研发资金,护城河壁垒越来越高。其他玩家要在原有路径上追赶乃至超越,基本上不可能了。

寻找替代EUV光刻技术,已经是一股暗潮

因此,从目前来看,许多厂商都在另辟蹊径,试图寻找另一条替代EUV光刻技术的途径,以生产更先进的工艺。

比如英特尔公司最近开发了一种叫做FoverosDirect的新3D堆叠、多芯片封装技术。该方案可以用于多个芯片的混合封装,既可以将CPU、GPU、IO芯片紧密地连接在一起,也可以将各个芯片制造商的芯片进行混装。

日本铠侠公司与佳能合作,研发了一种新的NIL量产技术,即将纳米图形的印迹转移到芯片上。其原理是以机械复制品为基础,利用印刷技术和微电子制造技术相结合,是一种电子束刻蚀技术,它解决了光学衍射所带来的分辨率限制,使电子线路宽度更小。

根据铠侠公司的说法是,其功耗比EUV光刻机低10%,技术电路精细程度将在2025年达到5nm,与目前已实用化的极紫外光(EUV)半导体制程细微化技术相比,NIL更加减少耗能且大幅降低设备成本。

不过,目前NIL还存在包括更容易因细微尘埃而形成瑕疵等问题,铠侠方面也表示正在完善量产技术,希望能率先引入NAND生产,未来能应用于手机应用处理器等最先进制程。

此外,不同于EUV的UV技术,俄罗斯莫斯科的MIET公司开始自行研制的X光光刻机,采用的是X光技术,一般来说,光刻器件的性能越好,其波长越短,其曝光的清晰度也就越高。

根据业内的透露,EUV的UV波长为13.5nm,X-射线波长介于0.01-10nm,单从波长上来说,X-光刻机优于EUV光刻机,而且无需直接光刻,成本也得以降低。但是X射线一个短板是穿透力很强,仅适用于直接写入光刻,这样一来会导致处理速度过慢,这也是MIET技术目前面临的一些问题。

此外,还有Chiplet技术也站在了风口,Chiplet就是芯粒,也被叫做小芯片。传统SoC路线下,处理器、存储器、信号、电路模块全部集成到一个芯片上,Chiplet技术是通过先进封装技术,通过die-to-die将模块芯片和底层基础芯片封装组合在一起,像搭积木一样把许多小芯片(Chiplet)集成在一起,去实现集成以后的芯片系统。这种技术也在当前国产芯片破局方面被寄予厚望。

从目前来看,寻找替代EUV光刻技术,已经是一股暗潮。

光刻机领域,也需要一场电动车革命

某种意义上,光刻机这种更高端的产品,类似于高端数控机床以及燃油车发动机等高度精密机械的产品竞争。光刻工艺直接决定了芯片中晶体管的尺寸和性能,这种工艺技术是随着时间不断叠加优势,壁垒也是不断往前推进的,后来者沿着它原有的路径其实很难突破技术壁垒。

其实如果要超越它,寻找另一种技术替代方案与路径可能会是更现实的走法。其实电动车对燃油车的革命是这种弯道超车的最好诠释。

我们知道,国产燃油汽车目前还造不出顶级的发动机,其实就是一方面在于过去整体汽车工业基础相对薄弱,在积累上被日本欧洲的专利拉开了不止一个时代,在整体技术、材料、机械工艺等方面的差距也非常大。

日本在燃油车时代的优势非常强悍,从发动机、底盘到变速箱再到众多汽车零部件,几乎全球所有车企都离不开日本制造的“技术”。尤其是在电子控制元件、电子控制模块以及自动变速器三大关键零部件领域,全球几乎都被日本垄断。国产燃油车与日本燃油车的差距更不止一代以上。

日本相对于中国在燃油车时代的优势,与荷兰光刻机当前面临的困难类似——就算给你图纸,你把将日本发动机的零件拆了,也仿造不出来。

造发动机与造精密机床、造光刻机的难度有类似之处——都是精密的机械制造,对技术工艺的精度要求非常高,每一道工序,每一项配料,每一个细节,都不能马虎。

比如燃油车发动机元件制造,是用沙模铸造。沙模里有很多的孔位和空缺位,需要由非常精密的机器进行雕刻,哪怕是一毫米的误差,都有可能导致无法组装,甚至可能会报废,目前其中需要用到的机密机床,也是主要是德国、日本领先。此外包括浇筑工艺以及零部件的孔轴连接,都涉及到精密的工艺技术,其中有很高的门槛。

总的来说,不仅是中国,包括其他许多国家要在燃油车三大件领域与日本竞争都基本没戏,也无法绕过日本的专利,也因为如此,后来的情况我们看到,大量汽车品牌开始把研发的重点放在新能源电动化、自动驾驶、车联网等方向上了,绕开了燃油车的精密机械制造的壁垒。

目前来看,电动车绕过了燃油车在变速箱与发动机这两个最大的技术壁垒,通过电车三大件电池、电机、控制器改变了汽车的驱动模式,电子电气架构采用类似手机的集中式、分层的架构,ECU(控制单元)的数量只有 10 个,做到了软硬件解耦,形成了一种全新的软件定义汽车的模式。

因此,我们如果对比电动车对燃油车的革命,以及当前出现了替代EUV光刻机的暗潮,我们从中看到了类似之处。

一个产业如果被一家厂商在某项关键技术上卡脖子,并且已经有了制裁的先例,往往会导致一种全球性的焦虑,当全球众多国家都开始寻找替代方案或者其他技术路线的时候,这个时候,原有的垄断巨头可能已经危机暗伏。

围绕燃油车核心零部件构建封闭性、垄断性的专利,其实是日本燃油车产业的昏招,这意味着日本在燃油车赛道吃独食,整个全球产业链都绕不过它,它没有形成利益共享格局,这也限制了日本的发展格局。

从如今全球都在向新能源转型发展电车的当下,日本燃油车已有走向衰落的趋势,传统的三大件壁垒价值也在遭遇危机。

从目前来看,ASML对整个全球构成了绝对性的垄断地位,但它也无法满足各国对光刻机的需求,而围绕ASML的高端光刻机技术的人才,不仅中国,在其他国家都极度匮乏,围绕其原有路线去研发,要耗费巨大的成本,还有漫长的时间。

因此,从整个光刻机市场来看,也急需一场电动车革命,来绕开ASML生产的光刻机的技术路线,事实上,从以上几个国家与企业的各种替代方案的路径来看,这场电动车革命暗潮也正在发生。

在国内一些业内人士看来,先进制程逼近物理极限,Chiplet可能是延续摩尔定律的重要手段。从目前的技术路径现实性角度考虑,Chiplet技术可能非常适合国内在芯片卡脖子背景下,破局芯片国产替代瓶颈,实现弯道超车的一个技术路线。

而综上从目前的行业动向与变局来看,中国光刻机被卡脖子,也让国内与其他国家开始有了危机感,许多国家也在试图寻找替代方案,一旦替代EUV光刻机成为一股暗潮,可能光刻机迟早会逐步走入一条新的技术路线。

这种改变正在发生。这类比过去多年中国汽车产业困于燃油车的三大件的壁垒无力突破,如今通过电机、电控、电池三大件实现了破局,因此,可以类比芯片行业的类似趋势,我们也不会永远受制于人,技术的发展趋势不会沿着原有路径一直走下去,而是会在岔路口出现新路,光刻机市场的“电动车”革命或迟或早会迎来爆发,我们拭目以待。

作者:王新喜 TMT资深评论人 本文未经许可谢绝转载

光刻机;

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