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华为躬身入局光刻机产业,卡脖子局面有望扭转?

华为躬身入局光刻机产业,卡脖子局面有望扭转?

2022/12/2 9:07:35

近期,国家知识产权局公布了华为的一项新专利“反射镜、光刻装置及其控制方法”(CN115343915A),与EUV(极紫外)光刻机有关。这无疑是一利好消息,外界纷纷猜测,华为这是要开始自研光刻机了?摆脱对ASML的依赖?

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图源:国家知识产权局官网

众所周知,荷兰公司ASML垄断了全球高端芯片的光刻技术,该公司最先进的EUV光刻机已成为半导体大规模量产和工业化不可或缺的设备,可以制造出7nm、5nm,甚至更先进制程的芯片。叠加美国对华技术封锁的打压下,华为高端芯片的量产就此停滞。

目前中国大陆的芯片和光刻机的制造能力,要比世界先进水平落后一大截,不是一时半会就能够追上的。以最直接的芯片制造工艺来说,目前国际最先进的台积电已经能够量产5nm制程的芯片,而大陆最先进的中芯国际只能量产14nm制程的芯片,中间差了3代的差距。

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尽管华为很早就意识到自研芯片的重要性,斥巨资成立海思半导体芯片研发部门,经过多年潜心研发,其5nm海思麒麟系列芯片可谓达到世界领先水平。但是,再强大的芯片无法被量产出来,也是纸上谈兵。如今关于光刻机相关专利的出炉,华为是否能一举扭转被卡脖子的困境呢?

国内光刻机水平发展到哪一步了?

全球之所以仅有荷兰ASML一家企业能生产出EUV光刻机,而我国迄今为止一台EUV光刻机也造不出来,原因就在于EUV光刻机的制造工艺极其复杂。据悉,EUV光刻机集合了全球多个科技强国的顶尖技术与硬件,由多家巨头公司合力研发,光零部件就有10万个左右,一年也就只能生产十几台。

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图源:ASML官网

同时需要认清的是,高端光刻机的研发制造是一个需要长期投入的事情。事实上,这并不是华为第一次申请与光刻机相关的专利了。早在2016年,未雨绸缪的华为就躬身入局自研光刻机,并在国家知识产权局上公布了“一种光刻设备和光刻系统”的专利项目,从那时开始,华为已经开始着手光刻机产业的研发。

EUV光刻机制造涉及产业链非常多,涉及精密光学、精密运动、高精度环境控制等多项先进技术。华为也并非“孤军作战”,国内光刻机研发产业链条已经初具模型,也有不少相关厂商在EUV光刻机领域取得了阶段性突破。

图片 在光刻机产业链上游,有做光源系统的科益虹源,还有做物镜系统的国望光学,做曝光光学系统的国科精密,做双工作台的华卓精科,做浸没系统的启尔机电。此外,还有一批做光刻配套设备设施的科技公司,例如光刻胶、光刻气体、光掩膜版、光刻机缺陷检测设备、涂胶显影设备等。

图片 在光刻机产业链中游,整机生产方面,上海微电子是目前国内技术领先的设备厂商。据悉,上海微电子也于今年正式通过了28nm光刻机的技术检测和认证,并最快将于2023年向国内芯片制造企业交付28nm光刻机等。

图片 在光刻机产业链下游,中芯国际是中国大陆技术最先进、规模最大、配套服务最完善的专业晶圆代工厂企业,可以提供0.35微米至14nm多种技术节点、不同工艺平台的集成电路晶圆代工及配套服务。

所以,造出高端光刻机并非几家巨头的事情,而是需要更多的科研工作者的投入,需要成千上万的优秀厂家提供零件和技术支撑。对于光刻机技术的突破或许只是时间早晚问题,更重要的是国内需要有华为这样的领头羊企业联合起来共同打破技术壁垒,带动整个产业链的进步。

芯片量产非EUV不可?

此外,在探索造芯的途中,华为不遗余力,也曾另辟蹊径想要探索出一种无需EUV光刻机就能造芯的方案。于是,华为申请了芯片堆叠技术的专利。其设计思路是将两枚芯片采用上下堆叠的方式进行封装,采用面积换性能,能够将14nm芯片性能提升至7nm。

华为在11月还公布了一项与“超导量子芯片”有关的技术专利,该专利简单来说就是降低量子比特之间的串扰,提升计算速度,加强精算精度,避开了光刻机的限制。华为在“量子芯片”领域,已做了多年的布局。据了解,华为在2017年就开始投入研发,并已取得了不少专利技术,比如,今年6月份,华为也公布了专利技术:“一种量子芯片和量子计算机”。

去年,华为还公开一项“光计算芯片、系统及数据处理技术”的发明专利,属于光子芯片技术的一种,光子芯片即采用光数据信号处理数据的芯片。不同于采用硅片为基础材料的传统电子芯片,光子芯片主要是以Inp、GaAS等二代化合物半导体为基础材料,不仅能避开摩尔定律带来的物理极限,而且其制造门槛也更低,同样无需使用EUV光刻机。

无论是芯片堆叠、量子芯片,还是光子芯片技术的布局,可以看出,华为一直在做着两手准备,一边攻克光刻机制造技术,一边试图研发“去EUV化”的造芯方案。不过,考虑到现实差距,两条路线都将是漫长并充满挑战的。

● 首先,荷兰ASML的EUV光刻机生产工艺成熟,技术壁垒高,它的生产是一个庞大的系统工程,其中每一个重要环节和关键步骤都有自己的专利布局。当竞争对手将所能申请的专利挖掘殆尽之后,后来者的发挥空间基本被压缩完毕。即便是有朝一日华为及国内众优秀厂商能全面掌握一系列核心技术,在竞争对手垒起的专利高墙面前,每前进一步,或将面临侵权的风险。

● 其次,“去EUV化”的造芯方案,看似是一条曲线救国之路,但是其研发制造难度高、投入和不确定性也较大,产品良率更是个关键问题。例如,就光子芯片而言,它需要相当成熟的设计流程和生产工艺,其工序难点涉及到MOCVD外延生长、光栅工艺、光波导工艺、金属化工艺、端面镀膜、自动化芯片测试、可靠性测试验证等环节。而这些涉及高技术门槛的工艺环节,尚需要更多时间来打磨上下游产业链。不过,目前来看,这些新兴技术领域的技术壁垒还没完全形成,国内也有足够的时间去完善基础领域的供应链

前途是光明的,道路是曲折的。相信随着国内产业链的技术专利和经验慢慢积累,打破技术封锁,实现自主可控是迟早的事。期待华为海思麒麟芯片“王者归来”的那一天。关于华为造芯之路,你怎么看呢?欢迎文末留言讨论。

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李娜
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