国产光刻机技术实现从7nm到5nm的飞跃

国内芯片产业发展的最新消息,又在业界引发了新一轮"过山车"式的情绪波动。

先是早前哈工大公布了一项所谓突破7纳米光刻机瓶颈的高速干涉仪研究成果,随后深圳上市公司Naura Technology Group又宣称利用SAQP多重曝光技术实现5纳米制程。

乍一听,国产光刻机的突破性进展简直不要太牛!立马就有一票所谓"业内人士"兴奋地预言:国产"轻量级"光刻机时代即将到来,照此下去用不了几年就能直追ASML,实现对台积电、三星的"弯道超车"!

可是,理想很丰满,现实很骨感。就在不少人陶醉在"牛年牛市"的美梦中时,沉痛的"卡脖子"警示却再次敲响。《中国科学院院刊》近期发表的一篇文章直言不讳地指出,当前我国半导体产业正深陷"黑暗森林"困境,关键核心技术几乎全面受制于人,下一代半导体制程GAA所需的EDA工具、PDK更是被西方全面封锁。

这个令人胆寒的"黑暗森林"又是如何形成的呢?

说到底,还是忽视了芯片制造业所涉及的上游、中游、下游全产业链条每一个环节的基础能力建设。试想一下,就拿光刻机来说,高达13.5nm波长的EUV光源,目前全球也只有ASML和日本Gigaphoton两家龙头企业掌握成熟制造技术。

而多层膜反射镜又是德国蔡司的独门绝技,高纯化学试剂、光刻胶更是被日本寡头们如JSR、信越化学等牢牢把持。甚至连晶圆级封装用的EMC塑封料、PI膜等看似不起眼的材料,主导权也大多掌握在美日厂商手中。

由此可见,芯片制造所牵涉的学科之广泛、技术门槛之高昂,实非一朝一夕之功。以EUV光刻机为例,其精密程度不亚于探月工程,哪怕是一个分辨率达到0.1皮米(相当于1纳米的1/10000)的位移平台,都需要动用包括精密机械、自动化控制、高分子化学、镜片加工等多个尖端学科的顶尖科研力量。如此高的技术复杂度,没有数十年如一日的基础研究积累,又怎能指望速成?

诚然,以色列公司最近推出的SAQP四重曝光配合电子束直写、DSA自组装等新工艺路线,从理论上看或许有望在一定程度上绕开传统光刻机的限制,但要真正实现5纳米乃至3纳米的芯片量产,不仅对掩膜版、刻蚀机等配套设备的精度提出了近乎苛刻的要求,而且还要解决良率、成本等一系列工程难题。

就拿英特尔去年的"前车之鉴"来说,过于激进地采用SAQP,结果导致10纳米制程量产屡遭挫折,进度一再跳票。由此可见,新兴技术从实验室走向产业化,绝非易事。

那我们的出路究竟在哪里?

在我看来,与其整天期望渺茫的"黑科技"弯道超车,倒不如先立足国内市场需求,切实完善以DUV光刻机为代表的28纳米以上制程的成套工艺与装备。

据IBS统计,近年来国内芯片市场对28纳米、40纳米等中低端制程的需求量逐年攀升,仅2021年就达到了2077万片的惊人规模。

而国内晶圆产能自给率不足16%的尴尬现状,不啻为本土企业带来了巨大的发展机遇。

中芯国际、华虹半导体等国内芯片制造龙头,虽然整体起步较晚,但通过引进国外成熟工艺,消化吸收再创新,在14纳米及以上特色制程工艺上已展现出初步的竞争力。

今年一季度,中芯国际、华虹半导体的营收同比增速分别达到17%、32%,其中中芯国际的14纳米工艺实现了近6000片的月产能,成为国内首条实现规模化量产的先进制程生产线。

未来,中芯国际、华虹半导体有望通过加大研发投入,进一步提升光刻、刻蚀、离子注入、薄膜沉积等前道工艺水平,并打通光刻胶、大尺寸硅片等材料的国产化供应链,推动以28纳米、14纳米等特色工艺为主导的国产制程迈上新台阶。（数据来源:IBS、集邦咨询、中商产业研究院）

当然,我们也不能就此止步。在巩固主流特色工艺优势的同时,还要放眼全球,把脉产业发展大势。如今,第三代半导体、2.5D/3D异构集成、新型存储器等新兴赛道正呈现勃勃生机,其背后蕴藏着广阔的弯道超车空间。

就拿大功率、高频、耐高温等新性能需求驱动下的碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等宽禁带半导体材料来说,其在5G通信、新能源汽车、电力电子等战略性新兴产业的渗透率正持续提升。

据Yole预测,2020-2025年全球SiC功率器件市场规模将从4.8亿美元猛增至15亿美元,年均复合增长率高达25%。而氮化镓射频芯片更是有望借助5G建设的东风,迎来井喷式增长。（数据来源:Yole）

与此同时,以HBM、闪存、MRAM、PCRAM等为代表的新型存储芯片,以其在数据吞吐量、存取速度、功耗、集成度等方面的独特优势,有望在大数据、云计算、人工智能等数据密集型应用场景实现重大突破。

据麦姆斯咨询预测,2025年全球新型存储器市场空间有望突破300亿美元。

以上新兴领域无不代表着未来芯片产业发展的重要方向,我们大可在这些方向狠下功夫,力争通过自主研发和产业化协同,在关键材料、器件结构、工艺制程等方面实现弯道超车,进而打破国外在高端芯片市场的垄断。

当然,打铁还需自身硬。

集成电路作为一个技术密集型行业,绝非投机取巧之辈的乐土。没有扎实的工艺积累,没有精益求精的匠心品质,哪怕是再多的"真金白银"倾泻而下,最终也难免胎死腹中。

我们必须以工业品德为支撑,静下心来埋头苦干。在产业链、创新链、资金链、政策链的协同发力下,着力完善新型举国体制,持之以恒加强基础研究、应用基础研究,大力培育拔尖创新人才,健全严密的知识产权保护体系。只有这样,才能为我国芯片产业行稳致远、基业长青提供根本保障。

毋庸讳言,在半导体"黑暗森林"的重重迷雾中,国产芯片要实现换道超车绝非朝夕之功。

我们既要立足当下,切实提升主流特色工艺的自主可控水平;又要面向未来,瞄准第三代半导体等颠覆性技术方向,力争在部分细分领域率先突破。

这注定是一条披荆斩棘的崎岖之路,没有骐骥一跃就能通途的神话,唯有咬定青山不放松,百折不挠砥砺前行,才能不负民族振兴的伟大使命,不辱历史赋予的神圣职责!

那么最后我想问:面对光刻机"卡脖子"的残酷现实,国产芯片寻求弯道超车的根本出路究竟何在?

我们又该以什么样的勇气、智慧和定力,守望这个造福人类的伟大事业?

对此你怎么看?