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造芯片真的很难吗？

晰数塔互联网快讯
2020-11-30 13:08

本文来自微信公众号：余晟以为（ID：yurii-says），作者：余晟，题图来自：视觉中国

今年以来，芯片制造无疑引起了许多人的兴趣，更有相当多的人在问：造芯片真的那么难吗？

造芯片到底是难还是不难？这个问题比较复杂，涉及的因素很多，很难用一两句话讲清楚。不过，这并不妨碍我们从技术上了解“造芯片到底是怎么回事”。

尽管现在已经有很多介绍芯片制造的文章，但许多都是大而化之，看完仍然一头雾水，有几个问题一直得不到解决。最近我仔细读了点芯片制造相关的资料，终于找到了这几个问题的答案。

问题一：晶圆为什么要是圆形的？

这张照片相信大家都不陌生，它展示的是晶圆，也就是芯片制造的基础原料。各种资料都介绍说，把晶圆切割，经过光刻加工，最后得到芯片。

来自视觉中国

但是等一等，仔细想想我们见过的芯片成品，几乎都是方形的，很少有圆形的。那么，为何要把圆形的晶圆切割成一个个方形？把晶圆做成方形的，不是能减少边边角角的浪费吗（尽管这样一来，它就不能再叫晶“圆”）？

要解答这个问题，得从晶圆的制造开始。

芯片制造的晶圆，主要成分是硅，所以也称为“硅晶圆”。这里说的“主要成分”，指的是硅的含量达到极高的比例，比如“十一个九”，也就是99.999999999%。二氧化硅与焦炭混合加热，可以得到纯度为98%左右的粗硅，再经过盐酸氯化和蒸馏，就可以得到高纯度的多晶硅。

注意，这个时候得到的还只是多晶硅，它的晶体框架结构是无序的。多晶硅可以用于光伏产业（太阳能发电），但不能用于芯片制造。原因在于，芯片制造需要稳定的晶体框架结构，每个部分的电学特性都必须相同，然后才方便加工。所以，还需要有办法把多晶硅转换为单晶硅。目前，半导体行业常用的办法是柴可拉斯基法（Czochralski process）。

按照柴可拉斯基法，先在坩锅中把多晶硅加热到熔融状态，然后加入“晶种”（通常是一小块单晶硅），此时晶体就会“生长”，硅元素不断附着于晶种，得到越来越大的单晶硅晶体，也就是“晶棒”。不断旋转晶棒并向上提拉，同时坩锅以反方向旋转——当然，坩锅转速、晶棒转速、提拉速度、坩锅温度都需要极为精确的控制，最后就可以得到一根较大的、圆柱体形状的纯净的硅晶棒。

上图：柴可拉斯基法加工过程。下图：晶棒成品（左端为晶种）。来源：维基百科

把这根晶棒按横截面切成薄片，就得到了晶圆。因此，晶圆就是圆形的。

问题二：EUV光刻的难点在哪里？

有不少文章都提到了，最新的ASML光刻机采用EUV（Extreme Ultraviolet，极紫外线）对晶圆进行光刻，原理类似幻灯片投影，台积电就是借助这种工艺完成了7nm甚至5nm芯片的生产。而Intel棋差一步，仍然停留在DUV（Deep Ultravi，深紫外线）的工艺，所以迟迟不能挺进10nm芯片的生产。

那么，EUV难在哪里，为何强如Intel也不得其门而入呢？

实话说，我不知道为什么Intel没有攻克，但了解EUV的工艺之后，我必须承认这真的很难。

EUV，也就是“极紫外线”，波长为13.5纳米（可见光中波长最短的紫光，波长约为380纳米～450纳米）。要发出这种光线，比较好的办法是借助等离子体（Plasma，也叫“电浆”）——一种气态的熔融金属。在2000年前后，业界比较看好的是采用放电等离子体光源。不过，最后圣迭戈的Cymer公司的办法胜出，也就是采用二氧化碳激光照射直径为30微米的锡颗粒。

2007年的时候，Cymer的光源还只能提供30瓦的不稳定功率，但到了2014年，已经可以稳定输出250瓦的功率，这样基于EUV的大规模生产制造才具备可行性。不过早在2012年，光刻机生产商ASML就已经收购了Cymer。

如今，在ASML光刻机内部，先把极高纯度的金属锡加热到熔化，再将其喷到真空之中。喷出的锡看起来好像一条线，其实是高速移动的，直径为30微米的锡珠（滴），产生的速度是每秒钟5万颗。然后，先用激光照射这些锡珠（滴），使其变为粉饼状，产生更大的表面积。再以高功率的二氧化碳激光照射这些粉饼，这样就得到了高热等离子体，放射出极紫外线。

要补充的是，这个过程中，小的锡珠（滴）也可能组合成大的碎片，所以必须及时用高压氢气将它吹除，否则它可能会凝固，影响生产。

虽然光刻机由ASML提供，但ASML更像方案集成商，并不会包打天下。比如极紫外线光源，ASML自己负责提供喷出锡珠（滴）的设备，整体方案来自位于德国Ditzingen的TRUMPF公司，它也是这一领域的唯一供应商。该公司的方案能持续产生40千瓦功率的二氧化碳激光，最终得到200瓦的极紫外线用于真正的光刻，但整套系统的功率高达1000千瓦，其中大部分都用于散热。

在2017年的一次采访中，在TRUMPF担任CTO的Peter Leibinger说：“如果我们失败了，摩尔定律也就失效了。当然，离开了TRUMPF世界仍然会转，但是没有它，芯片行业就要停摆。”

TRUMPF的CTO，Peter Leibinger，身后就是产生极紫外光的设备。来源：TRUMPF官网

回头来说ASML，到目前虽然得到了极紫外线，但它是向四周散射的，还必须又办法把它们收集汇聚到一起，才可以对晶圆进行光刻。要汇聚光线，改变光线的方向，大家通常想到的就是各种镜片。但是，这些装置对可见光有效，但是对极紫外线无效。极紫外线只能在真空传播，而且无法被镜头聚焦。要控制极紫外光，只能借助于布拉格反射器。

布拉格反射器，全称是Distributed Bragg Reflector（分布式布拉格反射器），也简写做DBR，是由多层反射介质（也称为“反射单元”）构成的设备（注意，这里的“布拉格Bragg”与捷克首都“布拉格Prague”不是同一个单词）。

它的原理其实并不复杂，光线在经过特殊设计的反射介质时，如果其波长恰好为1/4波长，那么介质的两面反射光恰好相差1/2波长，则发生相消干涉，实际上增强了反射光。通过设计不同反射介质的组合，可以单独加强针对某一波段的光线的反射率。

如果介质的层数很多，而且反射波长变化很小，那么对一个连续波段都有很强反射效果。照相机上的镀膜也是应用这种原理，减少某个特定波长的反射量，让更多光线抵达照相机的感光元件。

布拉格反射器的工作原理。来源：维基百科

ASML光刻机中的布拉格反射器采用硅和钼作为主要原料，有超过40层介质层，每层的厚度只有不到4纳米（因为极紫外线的波长为13.5纳米）。通过精确控制介质的厚度和组合，原本四散射出的极紫外线就可以集合起来，汇聚为一束强的光线用于生产。

用布拉格反射器聚合极紫外线的示意图。来源：ASML

前面说过，ASML更像方案集成商，控制极紫外线的光学元件都来自蔡司半导体（Zeiss SMT）。Zeiss SMT的工艺堪称一绝，精度控制让人叹为观止。打个粗略的比方，虽然反射器的直径只有30厘米左右，但如果把它整体放大到整个云南省那么大，最厚的介质层也只有1毫米那么厚。可以说，这是宇宙中最平滑的表面。

为了安装这样精密的设备，对空气洁净度的要求也是极高的。在美国航空航天署组装詹姆斯·韦伯太空望远镜的无尘房间，其清洁度达到了CleanRoom ISO 7，也就是每立方米的空气中，大于0.5微米的微粒数量不得超过35.2万个。但是，ASML厂房的清洁度必须达到ISO 1，也就是说，每立方米空气中，小于0.1微米的微粒数量不得大于10个（大于该尺寸的微粒不得存在）。

不同级别的CleanRoom标准。来源：维基百科

ASML的光刻机在装配过程中。来源：ASML

相比之下，普通人生活的正常环境，其“污染指数”是ISO 1的500万倍（注意：这个标准与我们日常说的PM2.5有所不同，PM2.5指数关心的是每立方米空气中微粒的总重量，而CleanRoom指数关心的是每立方米空气中微粒的数量）。

除了空气中的颗粒数量，温度和震动也是要精确控制的。YouTube上有一个“探访ASML无尘车间”的视频，其中提到，温度必须精确保持在摄氏21度，一旦出现任何偏差，都可能对精度造成影响。而且，ASML的厂房底下有1500根桩，每根长达23米，这样才能保证整个厂房绝对没有震动。

如果客户采购了ASML的光刻机，则生产时也必须提供同样的无尘环境。被拆成大块的光刻机用六架飞机分别运抵（因为光刻机太重了），在生产环境里重新组装、校准，保证运作精度与制造时完全相同，然后才可以开始进行光刻。

如今，工业级别的极紫外线光刻设备只有ASML一家可以提供，ASML、TRUMPF、蔡司三家已经深度捆绑，无论是人员还是资源都做到了深度协同，在TRUMPF担任CTO的Peter Leibinger甚至说“事实上就是一家公司”。2016年11月，ASML出资10亿欧元，购买了Zeiss SMT公司24.9%的股份，并承诺在2022年之前投入2.2亿欧元（后又增加5.4亿欧元），支持Zeiss SMT的研发。

据报道，目前三家公司还在研发下一代极紫外线技术，预计投入7亿欧元，其中就包括用于测试布拉格反射器的高真空工作室，保证其精度可以达到0.5纳米，这是人类历史上从未达到的精度。

当然，造芯片的技术挑战其实还很多，远不止上面所说的这些。比如光刻胶，看起来“不起眼”，其实也是不可或缺的。三星半导体的实力也堪称强劲，但是去年日本厂商一度对三星停止供应光刻胶，差点导致三星的半导体生产停滞……

我想说的是，如果要鼓励造芯片，光靠“砸钱”和喊口号是绝对不够的。比较理想的办法，是鼓励更多的优秀人才进入这个领域。

一方面，已经学成的人员应当得到足够的重视，得到足够的待遇（而不能一窝蜂都去搞互联网）；另一方面，也应当大力展开科普教育（而不能只是故弄玄虚的“商业故事教育”），激发年轻人和后来者的兴趣，才能保证“后继有人”——我始终认为，兴趣才是志业最好的引导。

参考阅读：The Perfectionists: How Precision Engineers Created the Modern World, by Simon Winchester

本文来自微信公众号：余晟以为（ID：yurii-says），作者：余晟