芯片制造技术,除了结构设计外,大致可以分为两块,一是工艺设计,即通过哪些工序例如扩散/沉积/光刻/外延/注入等,得到需要的物理结构;二是每道工序的实施。每一道工序,都需要相应的设备来达成设计目标。
这里的工艺加工,与粗狂的砌墙是完全不同的概念,因为是纳米级微米级加工,精度和稳定性要求非常高,一个芯片总共需要数百甚至上千道工序,任何一道工序都必须严格实现工艺要求。如果设备每次能够精准的实现我们期望的微观世界的物理结构改变,那么芯片制造工艺开发就不会很难。现实是,在这样的微观世界,没有设备能够完美的不断精准重复这个物理过程。
一个300毫米的硅片,每次均匀生长微米纳米级厚的薄膜,难不难?生长纳米级别的薄膜不难,但在30厘米的片子的任何一个地方厚度一致,而且每次都一致,正好达到指定的厚度不多不少,这可能就难了。所以设备商总是努力的去实现精准、重复和校正,这就是设备商的技术所在,这也是整个半导体制造的核心技术所在。
设定一个工艺结构参数,由于设备加工总是存在误差,那么,工艺设计的时候,就一定有余量设计,这需要根据物理设备的特点来进行,比如b工序的精度不能保证,那么a工序就多留点余量。同时,对于工艺中的漂移,需要依据历史数据库或者设备原理进行微调。
这导致一个重要特点:先进制程开发,是基于某套设备(产线)进行的开发,如果某设备发生更换,那么整个工艺过程可能需要重新审视验证,需要花费大量时间成本和金钱成本,说相当于半个重新开发不为过。半导体设备商是平台,而芯片制造商只是平台技术的使用者。中芯国际,台积电这样的公司,都只是使用设备,关注如何将设备使用到位,发挥期望的功能。至于设备是如何实现有这个功能,设备的细微调整,肯定没有原厂工程师了解全面和深入。
对比通信行业,更加容易理解。比如中国移动,建设了非常成功的4/5G网络,也有数以万计的工程师,甚至还可能参与标准组织制定标准。但是,真正拥有通信核心技术的,是通信设备制造商华为爱立信高通等。中国移动只是应用这些厂商开发的技术组网而已,虽然有数万工程师,但这些工程师都需要接受设备厂商的培训,才能够正确的使用和维护这个网络。
再比如你在家看电视,换台很麻溜,但真正有技术的,显然不是你。在芯片制造领域,存在类似的现象。中芯国际/台积电都只是设备使用者,技术使用者,并不是这些半导体加工基础技术的创造者。
中国的芯片制造商,如果只聚焦于“快”,大量使用国外设备,就是在帮助国外厂商改进和提升,而国内厂商无法长大,毕竟没有市场土壤,技术是无法滚动成长的。这样的恶劣后果,目前也显现了,只要国外厂商断供设备,中断服务,芯片制造商就瘫痪。因为你所有的“突破”,从某个角度看都是“虚假的”,你并不真正拥有技术。半导体设备商打败国外公司的时刻,中国的芯片产业,才真正实现了自主和领先。