芯片不会再被卡脖子？中国冰刻机成功研发，弯道超车已经定局？

互推小编 2024-03-15

我国研制出首款芯片冰刻机，在芯片行业遭遇欧美企业卡脖子的困境下，冰刻技术能否打破欧美的封锁，走一条不寻常的路呢？

中国芯片行业发展得怎么样了？

2018年开始，美国就开始不断打压我国高科技企业，首先以所谓的“违反美国信息通信安全”为由，开始拿5G开刀，中兴缴了大量罚金，7年内不能在美国市场上销售任何通信电信设备，只是华为拒绝和解，美国恼羞成怒对华为进行了一系列打压行为。美国商务部强迫华为屈服，交高额罚金，并退出美国市场。

华为当然是硬气拒绝，美国发现威胁效果不佳，又开始出各种阴招，禁售芯片、禁售光刻机、禁售刻蚀机、对光刻胶加价，使用美国专利的公司都不能和华为合作，在这一系列骚操作下，国内芯片厂商是哀嚎一片，没有了先进设备，就没有了竞争力。

美国这招确实精确“卡脖子”，虽然我国已经具备从设计、制造、测试、封装的全套芯片生产工艺，但是主要集中在28nm以上的中低端市场，10nm以下的高端工艺，我们缺乏制作设备，尤其是在光刻机领域，存在重大短板。

光刻机的原理并不复杂，相当于一个能将图片无限缩小的高精度照相机，不过一幅画画在大白纸上很容易，但画在邮票上就很困难，芯片的原理和这类似，上亿个晶体管，放在航母那么大的硅片上很容易，但是放到1个指甲盖大小的硅基上就困难重重。

整个光刻机就是将庞大的电路图缩影到硅片上，利用紫外线和光刻胶把电路画好，交给后续的刻蚀机完成，但是画这么小，还对精度要求极高，所以需要增加无数的工艺和配件辅助完成，全球仅有荷兰ASML公司具备组装尖端光刻机的技术。

因为要考虑到震动、透镜的透光性、光源和曝光的稳定性，化学显影的清晰度、刻完之后的残留物的清理，ASML在制造过程中就需要大量的调试，保证产品能够发挥最大功效，目前ASML的产能每年也只有20台左右。但是全球对于光刻机的需求量是很大的，这就直接导致了“人多肉少”的局面。

我们除了光刻机是短板外，光刻胶也存在问题，国内生产的光刻胶可以满足中低端芯片的使用，但是28nm以下的高端光刻胶都被美、日、德垄断，但光刻胶在光刻过程中是不可缺少的，光刻胶除了保护硅片，还有一个功效就是在极紫外线EUV的照射下可以和硅片形成化学反应，腐蚀一部分硅基形成凹槽，完成电路。

而ASML的光刻机使用紫外光刻EUV的技术是美国公司的，而光刻机的核心工艺就集中在紫外光刻EUV上，所以美国有权不给ASML使用EUV的专利，也可以禁止ASML出售商品给中国。

而且ASML不缺市场，产品一出就被台积电、三星等大厂抢购一空，中芯国际好不容易买到一台7nm的光刻机，刚刚下了订单，美国就将中芯国际列入“黑名单”，次日股票暴跌，光刻机打了水漂，国人愤慨不已，这种事违反贸易协定的事儿也就美国干得出来。

我国上海微电子公司也能生产光刻机，在世界也算是个巨头，但主要在中低端市场有影响力，目前只能制造出90nm以上的光刻机，28nm的光刻机还在实验过程，能造出来还是会被美国的专利“卡脖子”，而ASML已经开始设计3nm的光刻机了，即使如此，该公司依旧准备在EUV的技术上和美国企业一较高低。

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冰刻机和光刻机有什么不同？

前面我们一直在说光刻机，但还有个名字很类似的，叫做冰刻机！

冰刻技术实在冷门，目前研究这技术的国家非常少，全球只有两个实验室在做，一家是西湖大学的仇旻副校长带领的团队，还有一个是丹麦的研究机构，虽然冷门但是实用性极高。

首先冰刻机用的不是昂贵的光刻胶。水蒸汽在零下140度的真空环境中，能变成无定形的冰层，会凝华成一层超级光滑的冰膜，这种特殊的冰膜正好可以代替传统的光刻胶，相比于光刻胶，那就跟不要钱一样，而且在真空中水蒸气均匀分布，所以可以均匀覆盖，但是光刻机就需要很多设备调控，防止光刻胶对硅面的包裹不均匀，在制造过程中更容易形成废品。

其次光刻机的光源成本极高，因为EUV核心技术就是激光系统、物镜系统、精密仪器制造技术工作台，激光系统需要稳定制造出193nm波长的极紫外线，这种光源成本极高，耗电特高，而且需要物镜不断反射，才能达到要求的波长，光刻机完成光刻后，则需要清洗硅片上的光刻胶。冰刻机则相反，对于光源的选择就比较多了，可以使用等离子束、激光束，这样光的波长是可控的，光源也不需要多次反射，设备体积缩小，使用成本也会降低很，雕刻过程中因为光束的高温可直接将冰融化，不会有任何残留，无疑降低了工艺难度，节省了大量的原材料。

基于冰刻机光源的选择比较多，仇旻博士甚至提出可以将光刻机和刻蚀机一体化，这样更省成本，这也是他下一步研究的工作，如果一体化冰刻蚀机问世，芯片的价格肯定会大幅下降，到时候让欧美的一众芯片企业喝西北风去吧。

冰刻机技术能否让我们弯道超车？

冰刻机的出现让我们眼前一亮，没有美国专利的限制，而且仇旻博士背靠西湖大学，那可是对标美国加州理工这样的顶尖学府，背后是由中国一群顶尖的大佬赞助，经费充足研究超前。

芯片需求比较旺盛的企业，对冰刻机的技术应用期待极高，如果能投产，不光对于国家，对于众多企业绝对是天大的好事儿，因为我们可以减少对进口光刻机的的需求，除了不需要担心“卡脖子”，还能让欧美来求购我们的冰刻机，心情不好也能“卡”他们的脖子。

冰刻机应用前景比较好，但作为一个靠谱的科普作者，我也要承认，冰刻机目前想要大规模发展还比较难。冰刻机目前只能雕刻微米级别的芯片，1980年，清华大学研制第四代分布式投影光刻机获得成功，光刻精度达到3微米技术，目前冰刻机相当于光刻机80年代的水准，这都是实验室研究的进度，所以说冰刻机想要制造10nm以下的芯片，还得需要一段比较长的时间。

另外，即使实验室完成10nm雕刻后，光刻机的生产需要建立生产线，生产过程对产品的调试和组装，提高生产线的效率，后续客户使用时，如何降低产品的瑕疵率，这都需要大量的时间去研究。

荷兰ASML花了20多年时间研发水溶光刻胶光刻机，才一举打破尼康的垄断成为巨头，所以我们在冰刻机领域，没有捷径，只有厚积薄发一条路可走，冰刻机的前景一定是非常光明的，即使现在依旧突破不了美国的封锁，但是迟早有那么一天，冰刻机一定可以成为超越ASML的巨头。

另外，我国对芯片的研究也是多点开发，除了仇旻团队的冰刻机，还有上海微电子公司在EUV技术准备突破封锁；华为和彭练矛教授的团队合作，开始加快在碳基芯片领域的研究和产业化工作，目前我们在碳基芯片的研究进度略微比美国快点；阿里巴巴也和众多高校合作在通用量子计算机上进行研究，目前已经初步制造出可以和初代经典计算机相当的量子计算机了。