資訊專欄INFORMATION COLUMN
摘要：可以說(shuō)我們?cè)诜矫婧髠淞α可弦呀?jīng)開始有了一些可喜的進(jìn)展。在一臺(tái)光刻機(jī)中激光器負(fù)責(zé)光源產(chǎn)生，首先是激光器發(fā)光，經(jīng)過(guò)矯正能量控制器光束成型裝置等之后進(jìn)入光掩膜臺(tái)，最終制成晶圓。不過(guò)與光刻情況也十分類似，其實(shí)我們軟件的研發(fā)方面起步也不晚。
在日前的ICCAD 2021（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)國(guó)際會(huì)議）上，華中科技大學(xué)的學(xué)生團(tuán)隊(duì)首次參賽，就拿到了EDA布局布線算法的第一。可以說(shuō)我們?cè)贓DA方面后備力量上已經(jīng)開始有了一些可喜的進(jìn)展。
但是芯片領(lǐng)域需要物理學(xué)、材料學(xué)的基礎(chǔ)研究和精密制造，突破制約創(chuàng)新的瓶頸。包括EDA的設(shè)計(jì)，材料、生產(chǎn)制造、工藝、設(shè)計(jì)能力、制造、封裝封測(cè)等關(guān)鍵流程，全部被華為設(shè)定進(jìn)今后的目標(biāo)領(lǐng)域之中。
“忘記歷史就意味著背叛”，在我們重啟芯片制造領(lǐng)域基礎(chǔ)研究的時(shí)點(diǎn)上，我們尤其有必要回顧一下歷史，看一下我們?cè)谛酒I(lǐng)域到底是怎么落后的，為了寫好本文我找到了我國(guó)光刻領(lǐng)域的開創(chuàng)之作《光刻掩膜版的制造》，帶大家共同回顧一下我們光刻的發(fā)展歷史。
有不少文章都說(shuō)，我國(guó)在光刻方面的落后是因?yàn)槲覀円恢辈恢匾暬A(chǔ)科學(xué)的研究，其實(shí)這種說(shuō)法至少不適合光刻技術(shù)領(lǐng)域，在這方面我國(guó)起步并不晚，可以說(shuō)和美國(guó)基本同步，還略早于日本。甚至在上個(gè)世紀(jì)60年代初中科院就立項(xiàng)開始研究光刻機(jī)了，并且在1965年成功推出了65型接觸式光刻機(jī)，這個(gè)光刻機(jī)在當(dāng)時(shí)可謂國(guó)際領(lǐng)先，后來(lái)1972年武漢無(wú)線電元件三廠編寫了《光刻掩模的制造》。
可以說(shuō)正是讀過(guò)這本書以后，筆者才下定決定撰寫本文的，光刻與IT研發(fā)最大的不同點(diǎn)在于試錯(cuò)成本相去甚遠(yuǎn)，在IT的編程范式下，代碼的運(yùn)行結(jié)果是可以瞬間反饋的，這也就極大降低了IT研發(fā)的試錯(cuò)成本；而光刻技術(shù)中很多工藝都必須要靜置要等，沒(méi)有時(shí)間的積累根本就難以突破。
為了說(shuō)清接下來(lái)的內(nèi)容，筆者向大家簡(jiǎn)要介紹一下光刻技術(shù)。在一臺(tái)光刻機(jī)中激光器負(fù)責(zé)光源產(chǎn)生，首先是激光器發(fā)光，經(jīng)過(guò)矯正、能量控制器、光束成型裝置等之后進(jìn)入光掩膜臺(tái)，最終制成晶圓。
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而如果展開討論的話，從激光器、激光鏡頭、控制器到光掩膜版，都能多帶帶成文。而本次筆者聯(lián)系上的光刻前輩，從事過(guò)光掩膜版制造的相關(guān)工作。所以咱們今天就重點(diǎn)和大家聊聊光掩膜。
光刻掩膜版（又稱光罩，英文為Mask Reticle），簡(jiǎn)稱掩膜版，是微納加工技術(shù)常用的光刻工藝所使用的圖形母版。由不透明的遮光薄膜在透明基板上形成掩膜圖形結(jié)構(gòu)，再通過(guò)曝光過(guò)程將圖形信息轉(zhuǎn)移到產(chǎn)品基版上，詳見(jiàn)下圖，這里需要特別提到的一點(diǎn)是在光刻膠方面，日本廠商幾乎占據(jù)了80%以上的市場(chǎng)份額，可以說(shuō)單單從一個(gè)看似簡(jiǎn)單的光掩?？慈?，我們下大力氣去攻堅(jiān)克難的方面都有很多，更遑論整個(gè)光刻機(jī)的制造了。
而超微粒干版作為光刻制版用的感光版的一種，其制造工藝的相關(guān)內(nèi)容，無(wú)論是在《光刻掩模的制造》，還是在前輩的親述當(dāng)中都有過(guò)介紹。其底板采用性能穩(wěn)定、透光率高的玻璃或塑料薄膜。感光膜由硝酸銀、鹵化鉀和介質(zhì)（明膠）三種材料為主配成乳膠液，再加入吡那金醇（增感劑）、三氮吲哚唎嗪（穩(wěn)定劑0、明礬（堅(jiān)膜用）等構(gòu)成?？梢哉f(shuō)在前輩的指導(dǎo)下，下面將書中相關(guān)截圖附上。
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不過(guò)就是這家在上世紀(jì)70年代獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷的武漢無(wú)線電元件三廠，在國(guó)外廠商大舉來(lái)華，于1994年全面改制，成為了賣早點(diǎn)、副食品的商鋪，據(jù)知情前輩回憶，當(dāng)時(shí)絕大部分職工全部轉(zhuǎn)型成了商鋪售貨員，雖然有一部分職工南下廣東，但應(yīng)該沒(méi)有繼續(xù)從事半導(dǎo)體制造的相關(guān)工作了。在當(dāng)時(shí)“造不如買，買不如租”的理念下，武漢無(wú)線電元件三廠，是我國(guó)半導(dǎo)體制造行業(yè)全面衰落的一個(gè)縮影，90年代初武漢還有很多半導(dǎo)體、無(wú)線電廠，不過(guò)2000年左右這些廠有幾乎全部銷聲匿跡。
說(shuō)完光刻咱們?cè)倭幕谽DA，從產(chǎn)值角度來(lái)看，EDA在集成電路產(chǎn)業(yè)鏈中占比不大，2018年全球EDA行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模僅為97.04億美元，這與動(dòng)轍上萬(wàn)億的半導(dǎo)體行業(yè)相比不算什么，但EDA同時(shí)又被稱作是“芯片之母”，、缺少了EDA，整個(gè)芯片產(chǎn)業(yè)都得停擺。而在EDA方面同樣也是我們的短板，Cadence、Synopsys和Mentor Graphics三大美國(guó)EDA廠商，幾乎占據(jù)我國(guó)90%以上的市場(chǎng)份額。不過(guò)與光刻情況也十分類似，其實(shí)我們EDA軟件的研發(fā)方面起步也不晚。
1978年秋，在中央剛剛提出“科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力”的時(shí)候，桂林陽(yáng)朔舉辦了“數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)化”會(huì)議，而這次會(huì)議被譽(yù)為我國(guó)“EDA事業(yè)的開端”，當(dāng)時(shí)有67個(gè)單位，140多名代表參加了會(huì)議。不過(guò)據(jù)稱有關(guān)EDA討論還只停留在學(xué)術(shù)層面，而我國(guó)EDA元年是在1986年，當(dāng)時(shí)為了更好推動(dòng)集成電路產(chǎn)業(yè)，我國(guó)動(dòng)員了全國(guó)17家單位，200多位專家齊聚原北京集成電路設(shè)計(jì)中心，開發(fā)自主集成電路計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)”熊貓EDA”,7年之后的1993年“熊貓EDA”終于練成正式推出面世。
巧合的是EDA三巨頭中的Synopsys、Cadence都在1993年入華，Mentor Graphics也在1995年在北京設(shè)立銷售辦公室，當(dāng)時(shí)我們還處在襁褓中的熊貓EDA，當(dāng)然無(wú)法在價(jià)格戰(zhàn)中取得優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)EDA產(chǎn)業(yè)在1994年至2008年陷入了一段相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間的“沉寂期”，不過(guò)令人欣慰的是熊貓EDA的研發(fā)，為我們的EDA項(xiàng)目保留了火種。從筆者實(shí)際溝通了解到的情況看，目前國(guó)產(chǎn)EDA產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)軍人物：華大九天的董事長(zhǎng)劉偉平、藍(lán)海微科技的董事長(zhǎng)侯勁松,都是熊貓EDA項(xiàng)目研發(fā)的親歷者。
當(dāng)然能為EDA產(chǎn)品寫代碼的程序員，轉(zhuǎn)型去做其它IT項(xiàng)目也不是什么難事，據(jù)稱當(dāng)時(shí)“熊貓EDA”團(tuán)隊(duì)有相當(dāng)一部分都直接轉(zhuǎn)型到了華大集團(tuán)，也有人辦起了電腦培訓(xùn)班，或者到中關(guān)村去攢電腦，據(jù)悉當(dāng)時(shí)下海人員的收入普遍比在集成電路設(shè)計(jì)中心做EDA的研發(fā)要高十倍以上，所以對(duì)于轉(zhuǎn)型帶來(lái)的痛感不并算強(qiáng)烈。
雖然我國(guó)在EDA方面的火種一直沒(méi)斷，而且最近在EDA傳統(tǒng)大賽中獲獎(jiǎng)也是一個(gè)好的趨勢(shì)，但是我們也要清楚看到，想在工業(yè)軟件方面取得突破我們依舊有很多坑要邁，很多路要走。現(xiàn)在臺(tái)積電、三星等廠商在開發(fā)新工藝的時(shí)候，基本不會(huì)考慮與國(guó)內(nèi)EDA廠商合作，使得我國(guó)EDA廠商的IP庫(kù)不夠豐富，這就像只有Photoshop卻沒(méi)有濾鏡一樣，會(huì)極大的限制芯片設(shè)計(jì)師的發(fā)揮。
而這方面如果想突破，就必須取得芯片方面全產(chǎn)業(yè)鏈的進(jìn)展。而想在芯片制造的全產(chǎn)業(yè)鏈取得進(jìn)展，沒(méi)有捷徑可言，只能靠時(shí)間的積累，最后祝我國(guó)的芯片界同仁，步步常由逆境行，極知造物欲其成！
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