芯片难，难在光刻，解读行业之“芯片难题”

在我的上一篇文章中，已经为大家定义了芯片的本质：

芯片很简单，简单到就是一个集成电路板。

芯片也很复杂，复杂之处在于如何能够把70年前还像房子一样大的电路板，缩小到指甲盖大小。

试想一下，如果你要在一块板子上，铺设线路。首先就得把凹槽给刻出来。这样才能保证铺上去的线路不会七零八落。

如果你要做极其微小的刻痕，金属器具肯定是不合适的。首先如此细的金属，很难保证硬度。其次金属的凿刻用的是压力，一定会造成形变。

那么，什么东西才能够不施加压力，又能够随心所欲变小，还能刻出凹槽呢？

人们找到了——“光”。

一、刻板

光刻的对象，还是硅。硅是地壳中储量第二的非金属元素，仅次于氧。硅也是半导体的原材料。而硅的单质晶体硅，化学性质非常稳定，五毒无害，从石英矿中开采。

可惜高纯度的多晶硅，提纯工艺非常复杂，我国基本要靠进口。

光刻的直接对象是光刻胶，先在光刻胶上刻上图案，再将光刻胶贴在硅片上，最终腐蚀那些被刻出的暴露部位，形成“刻痕”。

二、刻刀

刻刀当然就是光了，光刻机用的是波长在13~2000纳米的紫外光。波长越小，刻出来的成品越精密。

而浸润式光刻技术，可以突破波长的限制，进一步刻出更加细致的纹路。浸润式光刻技术也是让ASML（荷兰）这家光刻机制造厂在全球一家独大的关键技术。

而光的发射部分即光源，暂且称之为“灯头”好了，是PDMS 材料涂覆在石英衬底上做成的。它的弹性较小，因此可以做到很高的分辨率而不因为压力而让图像变形失真。

三、工作台和作坊（国际领先的光刻公司）

光刻技术的工作台就是光刻机了，其面目大概如下图：

顶级的光刻机，一台要上亿美元。

全球最大的光刻机生产公司是阿斯麦ASML，总部不在美国而在荷兰。市场占比高达80%。

而尼康和佳能就很弱很弱了，这两家是大家无比熟悉的相机制造厂。尼康尚且占有光刻机市场的一席之地。而佳能从09年开始就已经不做高精度芯片的光刻机了，只做一些比较“大”的集成电路，如LCD面板（LCD就是液晶显示器，LCD面板在业内被称为“板卡”，有机会再给大家介绍板卡行业）佳能主要就是做板卡厂的光刻机供应商。更小的几家在美国，如ABM、AppliedMaterials、Lam Research、及RudolphTechnologies等。

当然，芯片的上游技术不只是光刻机，还包括刻蚀机，离子注入机，但光刻是最关键技术，也是最高难度的技术。

看到这里，大家应该会好奇，光刻技术看来是掌握在荷兰人的手中呀。可惜，ASML的三个大股东分别是因特尔15%（美国），台积电5%（台湾），三星3%（韩国），投资者才有用优先供货权。同时美国的企业如Intel和德州仪器是ASML的最大客户。而光刻机还需要上游供应的光源。早前，美国企业Cymer是光源的主要供应商（后来被ASML收购）。

同时由于美国、日本、英国、俄罗斯等国（中间也包括荷兰）签署的瓦森纳协定，ASML出口的光刻机，只有低端产品能够卖到中国，也在很大程度上限制了国内芯片技术的发展速度。这让我想起《三体》里三体人限制地球人科技发展的“质子”

当然，中国人是世界上最聪明和努力的民族之一，所有的科技难题，都是有办法解的。比如光刻机中的浸润型光刻机就是越南籍的华裔科学家构思出来的。18年中国也有企业宣传可以提纯出99.999999999%的多晶硅了。但是，造成芯片难题的还有一个非常关键的因素，也是限制中国足球的关键因素，叫做产业结构是一时难以转变的。静待下期分解。