AI时代的集成电路需要怎样的制造装备？

　　文/马珺

　　6月，英伟达（NVIDIA）的股票的强劲增长引起了市场和投资者的广泛关注，公司CEO黄仁勋在财报发布会上表示，人工智能技术的快速发展正在推动公司业务的全面增长。财报中指出，英伟达的高性能GPU和专用AI芯片的销售大幅增加，这反映了市场对AI技术的强烈需求。

　　而在新闻媒体中“全球最高市值股票。”、“全球‘第一股’”等等充满“极限词”的标题让普通人们再次感受到了AI的强大势头，无论嘲讽也好，称赞也罢，我们现在都不得不直面AI的冲击。

　　作为芯片产业的一部分，集成电路（IC）产业也正在迎来智能化和网络化的变革浪潮。伴随着工业4.0的不断推进，集成电路不仅在技术上取得了巨大进步，其在汽车、医疗、通信等各个领域的应用也日益广泛。本期会客室，我们有幸采访到了华大半导体总工程师、积塔半导体资深董事兼资深执行副总经理李晋湘，并与他从集成电路产业的发展历程、技术创新、产业结构、设备构成及国产化挑战五个方面进行深入探讨。

　　集成电路产业的发展历程

　　集成电路的发展始于20世纪50年代，经过半个多世纪的快速发展，已成为现代信息技术的基石。随着集成电路技术的不断突破，其工艺节点从最初的微米级逐渐缩小到纳米级，甚至进入了原子尺度。现代工业界已经进入了3纳米阶段，这意味着在一个指甲盖大小的面积上可以集成约150亿个晶体管，这种高密度的集成大大提升了计算和存储能力。

　　集成电路的技术创新

　　集成电路技术的进步主要依赖于两大驱动因素：结构和材料的改进。集成电路的微结构在不断缩小，从平面结构发展到立体结构，这种微结构的改进主要依赖于三种设备：图形生成设备、增材设备和剪裁设备。

　　图形生成设备：光刻机是图形生成的核心设备。现代光刻技术已经发展到第七代，即极紫外（EUV）光刻机，其曝光波长仅为13.5纳米，能够实现极高的分辨率。然而，由于技术封锁，中国大陆目前尚无EUV光刻机，只能依赖进口。

　　增材设备：集成电路的制造过程中需要生长各种薄膜，这些薄膜通过固相、液相和气相三种方式生成。其中，气相成膜技术分为化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD），这两种技术在集成电路制造中应用广泛。

　　剪裁设备：图形生成后，需要通过剪裁设备刻出各种微结构。剪裁设备分为干法刻蚀和湿法刻蚀，干法刻蚀通过等离子体轰击图形表面形成所需结构，湿法刻蚀则通过化学腐蚀来实现。

　　材料的改进同样关键：集成电路通常在硅片上制造，硅作为半导体材料，其电性能可以通过掺杂其他元素来调节。例如，通过注入五价元素磷，可以生成N型半导体，而注入三价元素硼，则形成P型半导体。这种材料的改性主要依赖于离子注入技术。

　　集成电路的产业结构

　　集成电路产业结构大致分为四个环节：设计、制造、封装测试和整机应用。此外，还需要一系列的工业配套支撑这些环节，如集成电路制造装备。以28纳米生产线为例，建立这样一条生产线需要约284亿元投资，其中80%用于工艺制造装备。因此，集成电路制造装备在整个产业中占据核心地位。

　　设计：集成电路设计是整个产业链的起点。设计的好坏直接决定了芯片的性能和功能。随着技术的进步，设计工具和方法也在不断升级，以应对复杂度和集成度的提升。

　　制造：制造是最为关键的环节，包括晶圆的生产和加工。制造过程需要高度精密的设备和技术，以保证微米级甚至纳米级的精度和良率。

　　封装测试：制造完成的芯片需要经过封装和测试，以确保其性能和可靠性。封装技术的发展使得芯片在尺寸、功耗和散热方面不断优化。

　　整机应用：最终的芯片被应用到各种终端设备中，如智能手机、电脑、汽车等，推动了各个行业的智能化发展。

　　集成电路制造装备的构成

　　集成电路制造设备大致分为五类：图形生成设备、增材设备、剪裁设备、材料改性设备和量测设备。

　　图形生成设备：如前所述，光刻机是核心，其发展直接决定了集成电路的工艺节点。

　　增材设备：主要用于生长各种薄膜，包括氧化膜、氮化膜等，这些薄膜是构成微结构的基础。

　　剪裁设备：通过刻蚀技术形成所需的微结构，这一过程对设备的精度和稳定性要求极高。

　　材料改性设备：离子注入机是主要设备，通过注入不同的元素改变材料的电性能。

　　量测设备：用于检测和控制制造过程中的质量，确保最终产品的性能和可靠性。

　　国产装备的现状与挑战

　　虽然中国在集成电路制造装备方面取得了一定进展，但与国际先进水平仍存在显著差距。尤其是在高端设备如EUV光刻机、深紫外（DUV）光刻机方面，国内技术尚未完全自主化。

　　光刻机：目前国内主要依赖进口，虽然在中低端设备上

　　有所突破，但高端设备仍受制于人。

　　增材设备：在某些特殊要求上，国产设备尚未完全达到国际标准，需要进一步改进和提升。

　　剪裁设备：由于集成电路分辨率越来越高，对剪裁设备的精度和稳定性要求更高，国内设备在这方面还有很大提升空间。

　　材料改性设备：高温离子注入技术在第三代半导体（如碳化硅）中应用广泛，国内技术水平仍需提高。

　　量测设备：高端量测设备基本依赖进口，国产设备在精度和可靠性上仍有差距。

　　要缩小与国际先进水平的差距，中国集成电路产业需要采取多方面的应对策略。李晋湘也提出了七点建议：第一，集成电路制造设备的研发需要高校、科研机构和企业的紧密合作，共同攻克技术难关；第二，集成电路是技术密集型和资金密集型产业，需要持续的高投入以推动技术进步；第三，集成电路制造设备的研发和生产需要大量高素质人才，需加强人才引进和培养；第四，加快自主技术的研发，减少对进口设备的依赖，提升国产设备的竞争力；第五，加强上下游企业的协同合作，形成完整的产业链，提高整体竞争力；第六，政府应加大政策支持力度，提供资金、税收等方面的优惠，鼓励企业加大研发投入；第七，在条件允许的情况下，加强与国际先进企业的合作，引进先进技术和管理经验。