一枚指甲蓋大小的芯片，要經(jīng)過上百道工序才能從沙子變成最終的產(chǎn)品。這上百道工序，幾乎全部在那片直徑300毫米、厚度不到1毫米的硅圓片上完成。每一道工序都在改變晶圓的物理或化學(xué)特性，一層一層地把電路搭建出來。

在過去很長一段時間里，完成這些工序的設(shè)備絕大多數(shù)依賴進(jìn)口。一家外國公司斷供一臺設(shè)備，整條產(chǎn)線就可能停擺。這種局面正在被打破。從清洗、氧化到光刻、刻蝕，從薄膜沉積到離子注入，國產(chǎn)設(shè)備正在一條工序一條工序地填補空白。

一、從砂子到晶圓：制造的第一站

芯片的起點是砂子，準(zhǔn)確地說，是砂子中提取的高純度硅。把硅材料拉制成一根圓柱形的單晶硅棒，再切割成一片片薄如蟬翼的圓片，這就是晶圓。

剛切出來的晶圓表面粗糙不平，需要先通過研磨和化學(xué)刻蝕去除表面瑕疵，然后經(jīng)過化學(xué)機械拋光形成光潔的表面，再通過清洗去除殘留污染物。拋光過程通常包括兩到三個步驟，使用越來越細(xì)的研磨液，中間穿插清洗。最終清洗采用特定化學(xué)溶液，去除有機雜質(zhì)和微小顆粒。

這一步的國產(chǎn)化拉晶設(shè)備已經(jīng)實現(xiàn)了內(nèi)部自制，并且有反饋顯示定制化的國產(chǎn)拉晶設(shè)備在良率上反而優(yōu)于國外產(chǎn)品。拋光環(huán)節(jié)的國產(chǎn)化同樣在推進(jìn)，化學(xué)機械拋光設(shè)備的核心零部件已實現(xiàn)100%國產(chǎn)可控，可適配高端制程。

二、光刻：把電路圖印上去

晶圓準(zhǔn)備好之后，第一道關(guān)鍵工序是光刻。光刻的目的是把設(shè)計好的電路圖案精準(zhǔn)印在晶圓上。

光刻開始前，晶圓需要先在清洗設(shè)備中去除雜質(zhì)，再由涂膠顯影設(shè)備均勻涂上一層對光敏感的光刻膠。涂好膠的晶圓被送入光刻機，掩膜版上的電路圖案通過光源投射到晶圓上，曝光區(qū)域的光刻膠發(fā)生化學(xué)變化。隨后經(jīng)過顯影，被曝光或未被曝光的光刻膠被溶解掉，電路圖案就留在了晶圓表面。

光刻是芯片制造中最核心也最難突破的環(huán)節(jié)。國產(chǎn)光刻機與國際最先進(jìn)水平仍有差距，但已經(jīng)實現(xiàn)了從樣機到可用的關(guān)鍵跨越。成熟制程的光刻設(shè)備國產(chǎn)化率已經(jīng)取得了長足進(jìn)展。

三、刻蝕與薄膜沉積

光刻把圖案印在晶圓上，但真正把不需要的材料挖掉的，靠的是刻蝕。

刻蝕就是用化學(xué)或物理方式，把未被光刻膠保護(hù)的硅材料去除掉，留下電路圖案的骨架。刻蝕完成之后，還需要薄膜沉積，在晶圓表面鋪上一層新的材料，比如絕緣層或?qū)щ妼印？涛g和沉積往往會交替進(jìn)行，一層一層地構(gòu)建出芯片的立體結(jié)構(gòu)。

在這一環(huán)節(jié)，國產(chǎn)設(shè)備的進(jìn)步最為明顯。刻蝕設(shè)備是國產(chǎn)替代的典范，國產(chǎn)化率約31%，國產(chǎn)刻蝕設(shè)備已覆蓋先進(jìn)制程。薄膜沉積設(shè)備的國產(chǎn)化率也集中在20%到40%的區(qū)間。

四、清洗與拋光

光刻、刻蝕、沉積每完成一步，晶圓表面都會殘留光刻膠、顆粒或化學(xué)物質(zhì)。這些殘留物如果不清理干凈，會影響下一步工藝的精度。

清洗就是用高純度化學(xué)溶液移除晶圓表面的雜質(zhì)和污染物。拋光則是用化學(xué)機械平坦化工藝恢復(fù)晶圓表面的平坦度。這兩道工序在制造過程中反復(fù)出現(xiàn)，每完成一層結(jié)構(gòu)，都可能需要清洗和拋光。

清洗設(shè)備是國產(chǎn)化進(jìn)展最快的環(huán)節(jié)之一。這類設(shè)備技術(shù)路徑相對清晰，驗證周期較短，晶圓廠有足夠的動力嘗試國產(chǎn)替代。

五、檢測與對準(zhǔn)系統(tǒng)

每一道光刻之后，都需要驗證圖案是否對準(zhǔn)、尺寸是否達(dá)標(biāo)。光刻機內(nèi)部有一套復(fù)雜的對準(zhǔn)系統(tǒng)，粗對準(zhǔn)階段使用晶圓上兩個相距較遠(yuǎn)的對準(zhǔn)標(biāo)記完成初步匹配，精細(xì)對準(zhǔn)則需要測量至少20個標(biāo)記，經(jīng)過圖像處理和算法計算，將定位精度提升至納米級別。視覺系統(tǒng)要實時采集晶圓標(biāo)記點與掩模基準(zhǔn)點的坐標(biāo)，計算偏差并驅(qū)動精密平臺完成校正。在這個過程中，系統(tǒng)還必須利用多個基準(zhǔn)標(biāo)記和坐標(biāo)變換，在整個晶圓范圍內(nèi)執(zhí)行坐標(biāo)校正，以補償晶圓翹曲和熱漂移。

在國產(chǎn)化進(jìn)程中，雙翌光電開發(fā)的亞微米晶圓曝光對準(zhǔn)應(yīng)用軟件，正是為這一挑戰(zhàn)而生。該軟件融合了先進(jìn)的亞像素定位算法、高精度機器視覺技術(shù)以及實時反饋控制機制，能夠在復(fù)雜工藝條件下實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的亞微米級對準(zhǔn)。

所謂亞像素定位，解決的是一個物理限制，如果一張圖像的每個像素對應(yīng)0.78微米的物理尺寸，僅靠像素級別的位置判斷，極限精度就是0.78微米。亞像素定位技術(shù)通過亞像素定位、高斯擬合、相位匹配等算法，在離散的像素點之間“插值”出更精確的位置信息，能夠?qū)D像識別精度推進(jìn)至0.3微米。

這套軟件可在銀河麒麟操作系統(tǒng)上穩(wěn)定運行，并兼容6英寸、8英寸、12英寸晶圓的成熟及先進(jìn)制程生產(chǎn)。這意味著從操作系統(tǒng)到核心算法，整套視覺檢測方案已經(jīng)實現(xiàn)了全鏈路國產(chǎn)化。

六、結(jié)語

從2018年到2025年，中國半導(dǎo)體設(shè)備整體國產(chǎn)化率從4%躍升至21%。2026年全國晶圓廠新增產(chǎn)線中，采用國產(chǎn)設(shè)備金額占比已攀升至50%以上。清洗等部分環(huán)節(jié)的國產(chǎn)化率已超過50%，刻蝕、薄膜沉積等核心前道工藝設(shè)備集中在20%到40%之間。

差距依然存在。先進(jìn)制程的國產(chǎn)化率仍低于10%。但比起幾年前的局面，我們已經(jīng)走過了最艱難的那一段。國產(chǎn)化晶圓制造這條路還很長，但每一步都在向前延伸。