为什么中国研发不出高端光刻机
·方舟子·
华为推出的新款手机采用7纳米芯片,号称是一个重大突破。但芯片是中芯国际生产的,如果有突破,那也是中芯国际的突破,跟华为没有关系。中芯国际有从荷兰阿斯麦公司进口的深紫外光刻机。最好的深紫外光刻机能生产28纳米芯片,但台积电采用多重曝光的方法,用这种光刻机在2018年也生产出了7纳米芯片。中芯国际其实是把台积电当年的做法山寨过去了。这样生产出的7纳米芯片存在着两个问题:第一成本很高,第二良率很低。所以只过了一年,2019年,台积电就放弃了这种做法,而采用更先进的极紫外光刻机生产7纳米芯片。后来又用极紫外光刻机生产5纳米芯片、4纳米芯片、3纳米芯片。如果没有极紫外光刻机,想要生产5纳米、4纳米、3纳米芯片,是不可能的。
这两种光刻机有什么区别呢?深紫外光刻机早在上世纪80年代就开始使用,已经比较落后了,而极紫外光刻机是直到2018年才开始商用的,差了几十年。它们最大的区别是使用的激光光源不同。深紫外光刻机激光光源发射的紫外线波长是193纳米,而极紫外光刻机激光光源发射的紫外线波长只有13.5纳米,差了十几倍。波长越短,分辨率就越高,做出的芯片的制程也就越小,所以激光光源是光刻机的一个核心部分。
另外一个核心部分是光刻机的光学系统。极紫外光刻机发射出来的激光要由一面镜子反射,镜子的精度要求极高,必须非常平,号称是世界上最平的东西。平到什么程度呢?如果镜子有美国大陆那么大,上面的凸起不能超过0.4毫米,精度就高到了这种程度。激光从镜子上反射出去,打到晶圆(圆片状的的硅晶体)上,对晶圆进行蚀刻,刻出集成电路。
芯片制程的纳米数越小,意味着在芯片上能够放进去的晶体管数量就越多,能够形成的电路也就越多,芯片的速度也就越快。目前最好的苹果手机iPhone15 Pro Max用的是3纳米芯片,在那块小小的芯片上放进了190亿个晶体管。而7纳米芯片的晶体管数量只有85亿个。
极紫外光刻机的核心技术是美国能源部的国家实验室在上世纪90年代末研究出来的,要使用核心技术,就必须获得美国能源部的授权。在上世纪90年代末,世界上几家生产光刻机的公司都想获得美国能源部对此核心技术的授权。当时生产光刻机最主要的厂家是日本的两家公司:尼康和佳能,但美国能源部不愿意授权给它们。美国当时把日本当成强有力的竞争对手,不愿意把美国纳税人投资研究出来的最先进的技术授权给日本公司,只授权给了荷兰的阿斯麦公司和美国的公司。后来,阿斯麦公司收购了美国的硅谷集团,而另外一家获得授权的英特尔公司放弃了研发光刻机,改为投资研发光刻机。投资给谁?就是投资给阿斯麦。阿斯麦当时是个小公司,没有资金研发极紫外光刻机,就由英特尔、台积电、三星这三家国际大公司一起投资阿斯麦公司,让它来研发极紫外光刻机。总共投资了63亿美元,花了17年时间才研发出来,并在2018年得到了商用。