从砂子到晶圆：一枚芯片的国产化之旅

一枚指甲盖大小的芯片，要经过上百道工序才能从沙子变成最终的产品。这上百道工序，几乎全部在那片直径300毫米、厚度不到1毫米的硅圆片上完成。每一道工序都在改变晶圆的物理或化学特性，一层一层地把电路搭建出来。

在过去很长一段时间里，完成这些工序的设备绝大多数依赖进口。一家外国公司断供一台设备，整条产线就可能停摆。这种局面正在被打破。从清洗、氧化到光刻、刻蚀，从薄膜沉积到离子注入，国产设备正在一条工序一条工序地填补空白。

一、从砂子到晶圆：制造的第一站

芯片的起点是砂子，准确地说，是砂子中提取的高纯度硅。把硅材料拉制成一根圆柱形的单晶硅棒，再切割成一片片薄如蝉翼的圆片，这就是晶圆。

刚切出来的晶圆表面粗糙不平，需要先通过研磨和化学刻蚀去除表面瑕疵，然后经过化学机械抛光形成光洁的表面，再通过清洗去除残留污染物。抛光过程通常包括两到三个步骤，使用越来越细的研磨液，中间穿插清洗。最终清洗采用特定化学溶液，去除有机杂质和微小颗粒。

这一步的国产化拉晶设备已经实现了内部自制，并且有反馈显示定制化的国产拉晶设备在良率上反而优于国外产品。抛光环节的国产化同样在推进，化学机械抛光设备的核心零部件已实现100%国产可控，可适配高端制程。

二、光刻：把电路图印上去

晶圆准备好之后，第一道关键工序是光刻。光刻的目的是把设计好的电路图案精准印在晶圆上。

光刻开始前，晶圆需要先在清洗设备中去除杂质，再由涂胶显影设备均匀涂上一层对光敏感的光刻胶。涂好胶的晶圆被送入光刻机，掩膜版上的电路图案通过光源投射到晶圆上，曝光区域的光刻胶发生化学变化。随后经过显影，被曝光或未被曝光的光刻胶被溶解掉，电路图案就留在了晶圆表面。

光刻是芯片制造中最核心也最难突破的环节。国产光刻机与国际最先进水平仍有差距，但已经实现了从样机到可用的关键跨越。成熟制程的光刻设备国产化率已经取得了长足进展。

三、刻蚀与薄膜沉积

光刻把图案印在晶圆上，但真正把不需要的材料挖掉的，靠的是刻蚀。

刻蚀就是用化学或物理方式，把未被光刻胶保护的硅材料去除掉，留下电路图案的骨架。刻蚀完成之后，还需要薄膜沉积，在晶圆表面铺上一层新的材料，比如绝缘层或导电层。刻蚀和沉积往往会交替进行，一层一层地构建出芯片的立体结构。

在这一环节，国产设备的进步最为明显。刻蚀设备是国产替代的典范，国产化率约31%，国产刻蚀设备已覆盖先进制程。薄膜沉积设备的国产化率也集中在20%到40%的区间。

四、清洗与抛光

光刻、刻蚀、沉积每完成一步，晶圆表面都会残留光刻胶、颗粒或化学物质。这些残留物如果不清理干净，会影响下一步工艺的精度。

清洗就是用高纯度化学溶液移除晶圆表面的杂质和污染物。抛光则是用化学机械平坦化工艺恢复晶圆表面的平坦度。这两道工序在制造过程中反复出现，每完成一层结构，都可能需要清洗和抛光。

清洗设备是国产化进展最快的环节之一。这类设备技术路径相对清晰，验证周期较短，晶圆厂有足够的动力尝试国产替代。

五、检测与对准系统

每一道光刻之后，都需要验证图案是否对准、尺寸是否达标。光刻机内部有一套复杂的对准系统，粗对准阶段使用晶圆上两个相距较远的对准标记完成初步匹配，精细对准则需要测量至少20个标记，经过图像处理和算法计算，将定位精度提升至纳米级别。视觉系统要实时采集晶圆标记点与掩模基准点的坐标，计算偏差并驱动精密平台完成校正。在这个过程中，系统还必须利用多个基准标记和坐标变换，在整个晶圆范围内执行坐标校正，以补偿晶圆翘曲和热漂移。

在国产化进程中，双翌光电开发的亚微米晶圆曝光对准应用软件，正是为这一挑战而生。该软件融合了先进的亚像素定位算法、高精度机器视觉技术以及实时反馈控制机制，能够在复杂工艺条件下实现稳定可靠的亚微米级对准。

所谓亚像素定位，解决的是一个物理限制，如果一张图像的每个像素对应0.78微米的物理尺寸，仅靠像素级别的位置判断，极限精度就是0.78微米。亚像素定位技术通过亚像素定位、高斯拟合、相位匹配等算法，在离散的像素点之间“插值”出更精确的位置信息，能够将图像识别精度推进至0.3微米。

这套软件可在银河麒麟操作系统上稳定运行，并兼容6英寸、8英寸、12英寸晶圆的成熟及先进制程生产。这意味着从操作系统到核心算法，整套视觉检测方案已经实现了全链路国产化。

六、结语

从2018年到2025年，中国半导体设备整体国产化率从4%跃升至21%。2026年全国晶圆厂新增产线中，采用国产设备金额占比已攀升至50%以上。清洗等部分环节的国产化率已超过50%，刻蚀、薄膜沉积等核心前道工艺设备集中在20%到40%之间。

差距依然存在。先进制程的国产化率仍低于10%。但比起几年前的局面，我们已经走过了最艰难的那一段。国产化晶圆制造这条路还很长，但每一步都在向前延伸。