文/红墨

编辑/世界

成品率的“平方陷阱”：两次工艺为何这么难？

今年一直频频传来关于芯片的问题，大家对芯片的关注度也很明显的有所提升，但是大家不知道的是，一个成功芯片的背后要付出多少的努力与亏损，就从数据来看，要是芯片制造的工艺流程从一次变成两次，成品率掉得可不是一星半点。

就拿常见的情况来说，一次工艺成品率能到90%，两次下来就是90%乘以90%，只剩81%了，这是实打实的平方关系。

要是第一次刻蚀成品率本来就低，比如不到10%，那两次之后直接就剩1%，几乎等于白干。

这个道理放在芯片行业里特别关键，尤其是现在大家都盯着高端芯片，每一步工艺的细微差别，最后都会影响到能不能量产、能不能赚钱。

之前看新闻里说，2023年某国产芯片企业尝试用两次曝光技术做7纳米芯片，刚开始成品率只有5%左右，后来花了大半年优化，才勉强提到20%以上。

这还只是实验室数据，真正量产的时候，成品率要求更高，难度也更大，现在大家关心的光刻机进展，还有芯片行业的发展，其实都绕不开一个关键设备——刻蚀机。

中国在刻蚀机这块一直做得不错，最近还出了大新闻，说是突破了1纳米的技术。

1纳米刻蚀机：精度0.02纳米的“原子级雕刻刀”

最近有媒体报道，国光量超发布了1纳米离子束刻蚀机，直接突破了芯片原子级刻蚀技术的垄断，这对中国半导体行业来说，绝对是个大消息。

还有中微半导体，他们自主研发的冷等离子体刻蚀机，也成功实现了1纳米级的工艺能力，核心精度能到亚埃级，也就是0.02纳米。

要知道，一个原子的直径大概也就0.1纳米左右，这意味着咱们的设备能在原子层面上精准雕刻材料。

这款设备还有完全自主知识产权，搭载了超高频脉冲调制器技术，不管是氧化硅还是氮化硅，各种常用的半导体材料上都能干活，而且雕刻精度特别高。

跟国际上主流的2纳米设备比，整体性能提升了百倍，这标志着中国高端半导体设备终于冲进了全球先进行列。

可能有人不太明白，1纳米刻蚀机到底厉害在哪？不光是能刻出1纳米的细线，更重要的是精度能控制在0.02纳米，用离子束刻蚀的时候，要求线条上下必须笔直，不能有一点偏离。

因为芯片制造里覆盖的涂层得有一定厚度，太薄了就挡不住扩散，最后芯片性能会出问题，所以刻蚀的时候，差一点点都不行，这对设备的要求可不是一般的高。

大家常说的光刻机，其实跟刻蚀机是相辅相成的，光刻机的作用是把设计好的图形画在初始模板上，可后续不管是翻模还是照相，到了生产环节，都得靠刻蚀机把图形真正“刻”在芯片上。

所以刻蚀机的好坏，直接影响到芯片的良品率，之前听行业里的人说，某国际大厂曾经因为刻蚀机精度不够，一批12英寸晶圆直接报废，损失了好几千万，这也能看出来，刻蚀机对整个芯片生产有多关键。

套刻技术的取舍：细刻线背后的行业博弈

现在咱们有了这么厉害的刻蚀机，很多人会问，这对光刻机技术有啥影响？说实话，在刻线光刻机这块，咱们跟国际先进水平还有差距，所以才会用到套刻技术，也就是多次曝光。

这技术有点像相机暗房里的操作，用同一个底片多次曝光，利用两次曝光的位移差异，做出更细的刻线，现在咱们一些高端芯片的几纳米技术，就是靠这个方法实现的。

但套刻技术也有缺点，最明显的就是成品率问题，就像开头算的那笔账，一次工艺变两次，成品率呈平方下降，要是原来技术就不成熟，第一次刻蚀成品率低，两次之后良品率会掉得特别厉害，生产成本也会跟着往上涨。

还有个问题是图形尺寸，两次粗线叠加曝光出来的细刻线，细线之间的距离没法做得太近，这就导致芯片里的晶体管数量增长有限，而晶体管数量又跟芯片性能挂钩，所以就算刻线细了，性能提升也可能不如预期。

不过也不能说套刻技术没用，细刻线还是有实实在在好处的，首先是能节省能耗，其次是能提升芯片响应速度，芯片里的晶体管有个“山脊”结构，电子在“山脊”两端移动会形成PN结，这就是半导体效应。 “山脊”越薄，电子移动的距离越短，响应时间就越快，响应时间快了，电脑的主频才能提上去，计算速度也会跟着变快。

同样的计算任务，主频高的电脑用的周期更少，效率自然更高，而且线细了之后，芯片的耗能也会降下来，但这里有个矛盾点，要是晶体管做得太密，散热就成了大问题。

很多高速运算的芯片，性能不光受主频和响应时间影响，散热不行，性能照样上不去，所以为了保证散热，晶体管之间不能靠得太近。

大家平时用手机就能感觉到，有些国外手机晶体管集成得多，可一玩游戏就发热，然后就开始卡顿，这就是因为热得受不了，不得不降低运算频率，不然芯片可能会出故障。

国内一些手机在这方面就做得比较好，不会过度追求晶体管密度，而是在性能和散热之间找平衡，用户体验反而更好。

虽然套刻技术有不足，但能实现细刻线本身就是重大技术突破，而且这突破的核心，就是咱们的刻蚀机技术上来了。

有了高精度刻蚀机，套刻的时候才能保证每次曝光的精度，最后做出合格的细刻线。

这对中国半导体行业来说，意义特别大，之前咱们很多高端半导体设备都被“卡脖子”，现在刻蚀机突破了，相当于打开了一个缺口。

消息公布之后，国内很多半导体代工企业的股价都开始上涨，行业里懂行的人都知道，这是实实在在的利好。

从长远来看，刻蚀机的突破只是一个开始，随着技术不断迭代，咱们在光刻机、薄膜沉积设备等其他关键领域也会慢慢赶上。

毕竟中国有完整的工业体系，还有庞大的市场需求，只要坚持自主研发，未来在全球半导体行业里，咱们肯定能占据更重要的位置。

现在芯片已经成了各行各业的“心脏”，从手机电脑到汽车家电，都离不开它，中国半导体行业的进步，不仅能让咱们不再被“卡脖子”，还能推动整个产业链升级，最后惠及到每个人的生活。

相信用不了多久，咱们就能看到更多国产高端芯片走进日常生活，中国半导体也会迎来真正的黄金时代。