华为联合中科院研发出光刻机可能性分析

　　看到非官方消息，华为和中科院合作，研发出了8nm光刻机。下面分析消息的可信度和技术可能性。
　　一、芯片制造流程简介
　　先大概解释一下芯片制造过程，以便大家理解下面的技术姓内容。了解这个流程的话可以直接跳到二阅读。
　　这里略过和主题无关的晶圆制造和封测环节。
　　你可以想像一下刻图章的过程。假定我们要刻一个yin文（和阳文对应）图章（字凹陷，背景凸起，需要把字的笔画扣掉），上面两个字：＂仁义＂。下面的例子是为了说明芯片制造方法，真正刻图章没这么麻烦。步骤大致如下：1. 设计：在纸上设计要刻的字。2. 刻模：把字的笔画用刻刀刻掉，这张纸称为字模。3. 印章刻字表面强化处理（实际刻印章没这一步）。4. 涂漆：在印章基底材料上涂一层油漆。5. 字模复录：把字模复制在漆上（在漆上铺字模，描笔画）。6. 显字：除去被字笔画覆盖处的漆，无笔画处的漆保留。此时印章上没有漆的部分显示＂仁义＂二字（这里忽略镜像反转问题）。7. 刻字，即把没有漆的部分用刻刀刻掉。8. 除漆，把剩下的漆洗掉。
　　制造芯片的步骤和上面的刻图纸步骤一一对应（略去其他与本文内容无关的步骤，如基底抛光和多个清洗步骤等等）：1. 芯片布局/布线设计（相当于设计）。2. 制作掩模，即根据设计来制作布局图案掩模（相当于刻模）。3. 晶圆表面氧化（相当于印章刻字表面处理）4. 涂胶，即在基底材料上涂敷光刻胶（相当于涂漆）。5. 光刻，即用光线穿过掩模板照射光刻胶（相当字模复录）。光刻机用在这一步。6. 显影，即除去光线照射过的部分光刻胶（相当于显字）。7. 刻蚀，即除去晶圆表面的氧化膜，露出下面的高纯硅（相当于刻字）。8. 除胶，即把晶圆表面剩余的光刻胶洗掉（相当于除漆）。
　　光刻得到的效果是：硅晶圆表面的二氧化硅薄膜的图案和掩模完全一致，相当于把掩模上的图形转移到晶圆表面的二氧化硅上，使二氧化硅表层开有和掩模完全一致的无数天窗，为后续工序做好了准备，仿佛批量复制了和掩模图形一致的二氧化硅薄膜贴在硅晶圆表面上。
　　造芯片到这里还有一步：掺杂，即在不同工序中把不同金属离子注入无数天窗下面的硅基底中，使这些区域改变特性，形成需要的半导体电气性能（即形成P型或N型半导体，两种不同半导体微小区域之间形成单向导电的P/N结，连续的三个PNP或NPN区域含有两个P/N结，形成具有放大作用的三极管，这是集成电路的最基本元件）。
　　需要指出，超大集成电路芯片极为复杂，需要几十步工序，步骤1对某种芯片只需要一次，步骤2也只需要一次，但是需要为每道工序制作一个不同掩模。步骤3到8需要重复数十次，每道工序一次，每次使用不同掩模，而且不同工序的具体步骤可能区别很大，比如布线工序就有很多不同，但是光刻步骤总是需要的。
　　二、光刻机研发难点与芯片成本
　　光刻机零件数万，最关键的是三个部件：EUV光源，透镜组，高对准精度工作台。要是能解决这三个部件的问题，其他零部件的攻关难度可能小一些。已经清楚这些问题的可以直达三。
　　几个光刻机影响良率和生产效率，最终影响产品成本的关键因素：
　　1. EUV光源的功率。光源功率越大生产效率越高。因为根据晶圆面积（通常用直径衡量，常见的有5、8、12英寸）和单个芯片的大小，一片晶圆可以排列上数十到数百个芯片。掩模一般只覆盖一个芯片，一道工序中晶圆上每个芯片需要曝光一次，一片晶圆排列500个芯片的话单一工序需要曝光500次。光刻胶感光敏感度一定的情况下，单一芯片一道工序彻底曝光需要的时长取决于光刻机输出功率或者光强，输出功率越高曝光所需时长越短，生产效率也提高了。
　　这里跳过EUV光源的视场和发光效率两个指标。
　　2. 镜头组光学岐变。光线通过镜头会产生岐变，最明显的例子是超广角镜头成像时边缘岐变极为明显。多种因素可能造成岐变，如果岐变过大，经过掩模投影到光刻胶上的图形也相应产生岐变，造成良品率降低。
　　3. 移动工件台的定位精度。因为单个芯片需要多次曝光，而为了曝光晶圆上的多个芯片，首先相邻芯片的间隔必须精确，其次，同一个芯片每一次曝光必须与之前的曝光位置精确对准。工件台定位精度差会造成良率下降，是决定良率的主要因素之一。
　　4. 工件台运动速度。一个芯片曝光需要的总体时间是工件台移动到这个芯片的位置并定位完成的时间加上单纯曝光时间。因此移动和定位的速度越快生产效率越高。这个指标和定位精度互相矛盾。
　　生产线的良率和生产效最后都反映在最终的芯片成本上。
　　晶圆生产线上的其他设备处理一道工序的时间是按照晶圆计算的。比如单次掺杂工序，整个晶圆上的所有芯片一次处理完成。但是光刻工序是按照晶圆上的芯片数量计算的，即一片晶圆的一道曝光工序所需总体时长是单一芯片定位加曝光时长乘以晶圆上的芯片数量。因此一定产量的晶圆生产线上的光刻机比其他设备多，而且光刻机效率越低，一定产量生产线需要的光刻机越多。因此光刻胶的效率影响生产线造价和运行成本，最后低效光刻机增加的生产线成本也使芯片的资金占用和运营成本提高。
　　三、消息真实姓分析
　　如果这个消息是编的，那么为什么不编7nm，偏偏编大家都不习惯看到的8nm？这是间接证据，不过硬。此外只能从技术角度分析了。
　　国产工作台似乎以前已经过关了，据说可以达到一点几nm的对准精度，8nm光刻机的话够用了，但是运动速度指标（直接关系到生产效率）不清楚，也许比国外最高水平差一些，无非是单片产品成本高一些。
　　EUV光源其实国产也有了，不过以前功率远远不够，结果就是需要的曝光时间太长，一个是需要配套的光刻胶更灵敏，难度很大；另一个是严重影响生产效率。不知道怎么解决的。个人认为，光源功率提高了有可能，但是达不到可用水平（比如提高后只能达到一分钟或数分钟完成一次曝光）。那么多路EUV光源并联可能是一个可行途径，但是即使这样可能仍然达不到asml的曝光效率水平。
　　镜头的关键是高精度，不然岐变太严重会导致掩模图形投影到芯片上时失真太大，尤其是镜头周边岐变更严重。镜头高精度加工技术可能有突破，但是如果不能达到理想水平的话影响成像光场面积（边缘因为岐变大不能用）和产品良率。
　　把焦距拉近能使成像质量改进一些，但是同等euv光源强度在更近焦距时光强度下降，这又增加了曝光时长，降低生产效率。
　　所以，以前中国的EUV光刻技术不是没有实现，而是技术水平不达标，用于批量生产光刻机效率和良率无法和ASML的产品竞争（还有视场小的问题，制造不了大芯片，略过不提）。
　　但是这样凑合出来的只具有较低生产效率和良率的光刻机能解决华为没有芯片的问题，是救命的。那么这两个影响芯片成本的问题对华为来说似乎可以忍受，因为活下去是最高优先级。
　　但是还有一个因素：华为秘密研发了很多技术，以前是锁在保险柜里，被制裁后陆续拿出来一些。到底有哪些，有多少外界都不清楚。你永远也不知道下一刻华为能从兜里掏出什么。
　　比如，华为手机公开的一项技术：计算光学。就是用算法补偿镜头的岐变，用在成像之后根据已知的镜头岐变矫正照片数据的像素位置，亮度和颜色。个人觉得，华为可能把这项技术用在光刻机上，镜头不太行就用算法分析这套特定镜头的岐变，然后分析岐变产生在哪里，再针对某个或某几个镜头的特定位置做精细微调（研磨），反复多次，最后达到较好效果。这样一来镜头组加工成本会大幅度增加，但是华为目前可以接受。
　　类似的思路还有一个，即根据镜头组的特定岐变特性制作主动岐变掩模，抵消掉镜头组产生的光学岐变，使得通过掩模投影到光刻胶平面的图形岐变较小。不知道这个思路难度有多大，可能需要EDA软件能按照特定岐变数据生成岐变补偿掩模设计，或者用一个单独的软件，以EDA的输出作为输入，生成岐变矫正掩模数据。
　　这是我们知道一些线索的，可能会有其它黑科技也说不定。
　　比如，是否有可能是华为拿出了黑科技，这个传闻中的光刻机采用了和ASML现有技术路线完全不同的能大大简化光刻机实现难度的技术路线？这样做还可以规避诸多专利壁垒。
　　比如X射线光刻机？其波长更短，更有益于提升制程。生产高制程手机芯片时，其他条件（光刻胶感光灵敏度、光刻机输出功率，芯片产品制程等等）相同的情况下，波长更短X射线光刻机的生产效率比EUV光源成倍提高，因为波长较短，加工制程比EUV光刻机基础制程高的芯片需要增加的重复曝光的次数对X射线光刻机不再需要了，因此能够大大降低工序数量，提高生产效率。
　　问题是X射线穿透姓极强，掩模制造难度不小。可能只能用铅合金试试。还有X射线的聚焦问题，普通光学透镜不管用，要采用全新的方法。所幸这种X射线聚焦方法已经在1991年出现了，当时用于放射线治疗装置，现在当时的专利已经过期了。还有X射线管及其聚焦光路的输出功率问题。X射线敏感的光刻胶也是全新的。
　　这种X射线光刻机的技术路线与ASML现有光刻机完全不同，如果相关技术问题能被解决，那么中国可以直接跨入下一代光刻机领域，光刻机将不再是制程提升的主要限制因素。
　　还有一个可能性，用美国科学家发明发明的利用空心玻璃毛细管束聚焦X射线的方法聚焦极紫外光，这种方法用在光刻机上就不再需要光学镜头。
　　所以我个人认为，现在研发出8nm光刻机的可能性存在，但是这么快还是让人惊讶，或者对我来说说可信度似乎较低。不过，据说中芯国际承担国产芯片需要的设备和材料等等的验证。如果现在8nm光刻机真出来了，不出意外应该还是中芯国际担任验证工作，需时估计大约一年左右（比成熟产品要长）。是否是真的需要一年之后再看。
　　从@Jim博士 的光刻机系列文章中获得了不少知识，仅在此表示感谢。
　　原创不易，谢谢支持。