硅工艺是否属于路径依赖了?
硅工艺，这玩意儿，你真要往深了捋，绝对是个典型的“路径依赖”案例。别以为它只是个简单地把沙子变成芯片的过程，这里面的门道，是过去几十年甚至更长时间里，无数技术选择、巨额投资和产业生态共同塑造出来的，你想绕开？没那么容易。
什么是路径依赖？简单说，就是你一旦选择了某条路，后面很多选择都会被这条路“锁死”。 就像你小时候学写字，先学了楷书，将来再学草书、行书，自然会带着楷书的影子，很难完全撇开。但如果一开始你就学了狂草，那对楷书的理解和运用可能就完全不同了。
硅工艺也是一个道理，而且这个“路”走得太深太远了。
1. 材料选择的“原罪”：硅，并非唯一的选择，却是“最优”的妥协
你知道吗？最早的半导体材料，其实有很多选择，比如锗。锗的电子迁移率比硅高，理论上可以做出更快、更小的器件。但是，锗有两个致命弱点：
热稳定性差： 到了较高温度，锗的性能就开始“拉稀”，这在需要高功率或高温环境下工作的设备里是致命的。
杂质敏感： 锗对杂质非常敏感，一点点不干净的东西就能毁掉它的半导体特性。
而硅呢？
热稳定性极佳： 硅的禁带宽度大，在高温下也能保持不错的半导体特性，这为很多应用场景提供了可能性。
氧化层稳定且绝缘： 硅最牛掰的地方在于，它能生成一层非常稳定、厚度可控的二氧化硅（SiO2）氧化层。这层氧化层简直是完美的绝缘体，而且可以非常精确地控制厚度，这对于制造场效应晶体管（MOSFET）这种现代半导体最核心的器件至关重要。没有这层高质量的氧化层，就没法控制沟道内的载流子。
地壳含量丰富： 硅是地壳里第二丰富的元素，这意味着原材料供应充足，成本相对较低。
所以，尽管锗在某些方面更有优势，但出于对稳定性和工艺复杂性的考量，产业选择了硅。 这就像你选择一家公司，可能另一家公司产品参数更好，但这家公司更有钱、更稳定、更值得信赖，于是你还是选了这家。一旦这个选择做出了，后面所有的研发、设备、生产线，都围绕着硅展开。
2. 晶圆尺寸的“惯性”：越大越好，但越往后越难改
从最早的几英寸晶圆，到现在的12英寸（300mm），晶圆尺寸一直在“越来越大”。为什么？因为在同一张晶圆上能制造更多的芯片，摊薄了单个芯片的制造成本。
但是，晶圆尺寸的增加，对工艺的要求是指数级增长的：
均匀性： 尺寸越大，整个晶圆上的材料沉积、刻蚀、光照等工艺参数要做到均匀，难度呈几何级数增加。一点点偏差，都会导致晶圆边缘的芯片性能远不如中心。
设备精度： 负责处理这么大尺寸晶圆的设备，其机械精度、光学精度要求也极高，一台设备的成本是天文数字。
良率： 尺寸越大，任何一个微小的缺陷都可能毁掉更多的芯片，良率控制难度剧增。
一旦产业习惯了300mm晶圆，所有的设备、厂房、甚至操作人员的技能，都围绕这个尺寸来构建。 你想跳到450mm（曾经有过尝试，但最终因为成本和技术难度放弃了），那就意味着：
全新的设备体系： 现有设备全报废，需要从零开始设计制造。
全新的厂房设计： 现有厂房无法适应，需要推倒重来。
全新的工艺流程： 即使是相同的工艺步骤，在更大的尺寸下也需要重新验证和优化。
这种巨大的沉没成本和技术迁移成本，使得产业很难轻易地放弃现有的300mm晶圆生态，即使理论上450mm可能带来更低的单位成本。 这就是典型的路径依赖：过去的投资让你在某个点上固定，要改变方向，付出的代价太大了。
3. 光刻技术的“垄断”：EUV的终极考验
芯片制造最核心的工艺之一是光刻，也就是把电路图“印”在硅片上。光刻机的精度决定了芯片的制程节点（例如7nm, 5nm, 3nm）。
长久以来，荷兰的ASML公司在高端光刻领域几乎处于垄断地位。 尤其是其生产的极紫外光（EUV）光刻机，是制造7nm及以下先进工艺的“杀手级”设备。
EUV光刻技术之所以难以突破，原因有很多：
光源： EUV光源的产生非常困难，需要特殊的激光和液态锡滴，能量效率极低，设备庞大且昂贵。
光学系统： EUV光线会被绝大多数材料吸收，所以不能用透镜，只能用反射镜。这些反射镜需要做到极高的精度和反射率，并且表面要极其平整，误差要以原子级别来衡量。
掩模版： 同样，也不能用透射掩模版，只能用反射掩模版，制作工艺难度极大。
ASML能够实现EUV，是基于几十年的技术积累、巨额的研发投入，以及与全球主要芯片制造商（如Intel, TSMC, Samsung）的深度合作，共同分担风险和成本。 这些制造商为了获得EUV能力，向ASML投入了巨额资金，加速了EUV的研发进程。
这构成了一种“双重路径依赖”：
从ASML的角度： 他们在EUV上投入了太多，积累了独一无二的技术和专利，想要转型去做其他技术（比如更高频的光学或者完全不同的成像方式），成本和风险都太高了。
从芯片制造商的角度： 如果你想生产最先进的芯片，你就必须依赖ASML的EUV光刻机。你买了ASML的设备，就得按照它的技术路径来设计你的工艺。你想用其他家的设备？目前来说，在高端制程上，你几乎没有替代选择。
所以，整个产业，从设备制造商到芯片设计公司，再到代工厂，都被EUV这条路径“绑架”了。 即使有公司在尝试其他技术（比如纳米压印、电子束光刻等），但由于ASML在EUV上的先发优势和技术壁垒，这些替代技术很难在短期内对EUV形成颠覆性的挑战，尤其是在主流的先进制程领域。
4. 工艺“堆叠”的复杂性：环环相扣，牵一发而动全身
现代半导体工艺，从晶体管的栅极结构、互连线材料，到蚀刻、沉积、抛光（CMP）等每一个步骤，都极其复杂，并且是环环相扣的。
FinFET/GAAFET： 现在的先进逻辑芯片，基本上都采用了3D结构的晶体管，如FinFET（鳍式场效应晶体管）或GAAFET（栅极全环绕场效应晶体管）。这种结构的制造，涉及到非常精密的垂直刻蚀、多层材料沉积和原子层沉积（ALD），对材料、设备和工艺参数的控制要求极高。
互连线： 芯片内部的晶体管之间需要用金属导线连接，早期用铝，后来用铜。铜比铝电阻率低，传输信号更快，但铜很难刻蚀，所以需要特殊的“镶嵌”工艺。再往后，为了降低电阻和电容，还引入了低介电常数（lowk）材料。这些材料的特性往往很脆弱，容易在后续的高温或化学处理中损坏。
每一个改进，都可能牵扯到其他数十个甚至上百个工艺步骤的调整。 例如，换一种栅极材料，可能就需要重新优化前面的刻蚀工艺，或者后面的CMP工艺。你无法孤立地看待某一个环节，整个工艺流程是一个高度集成、相互影响的系统。
这就意味着，一旦某个工艺环节建立起来，其他环节也必然要围绕它进行调整和优化。 这种“系统性的耦合”使得改变变得异常困难。你想引入一种全新的晶体管结构？那意味着整个“工艺树”都要重新设计，这需要海量的研发时间和资金投入。
所以，硅工艺，尤其是先进的硅工艺，确实是深陷路径依赖的泥潭。 过去的选择，无论是对硅材料的决定、对晶圆尺寸的优化、对光刻技术的依赖，还是对现有工艺流程的积累，都形成了一种强大的惯性。
你想打破它？ 除非出现一种全新的、颠覆性的技术，能够完全绕过现有硅工艺的瓶颈，并且在成本、性能、功耗、良率等各个方面都具备压倒性的优势，否则，这条由硅构成的“路径”，恐怕还会继续延伸下去。而研发这样的颠覆性技术，本身就是一个漫长而充满不确定性的过程。
什么是路径依赖？简单说，就是你一旦选择了某条路，后面很多选择都会被这条路“锁死”。 就像你小时候学写字，先学了楷书，将来再学草书、行书，自然会带着楷书的影子，很难完全撇开。但如果一开始你就学了狂草，那对楷书的理解和运用可能就完全不同了。
硅工艺也是一个道理，而且这个“路”走得太深太远了。
1. 材料选择的“原罪”：硅，并非唯一的选择，却是“最优”的妥协
你知道吗？最早的半导体材料，其实有很多选择，比如锗。锗的电子迁移率比硅高，理论上可以做出更快、更小的器件。但是，锗有两个致命弱点：
热稳定性差： 到了较高温度，锗的性能就开始“拉稀”，这在需要高功率或高温环境下工作的设备里是致命的。
杂质敏感： 锗对杂质非常敏感，一点点不干净的东西就能毁掉它的半导体特性。
而硅呢？
热稳定性极佳： 硅的禁带宽度大，在高温下也能保持不错的半导体特性，这为很多应用场景提供了可能性。
氧化层稳定且绝缘： 硅最牛掰的地方在于，它能生成一层非常稳定、厚度可控的二氧化硅（SiO2）氧化层。这层氧化层简直是完美的绝缘体，而且可以非常精确地控制厚度，这对于制造场效应晶体管（MOSFET）这种现代半导体最核心的器件至关重要。没有这层高质量的氧化层，就没法控制沟道内的载流子。
地壳含量丰富： 硅是地壳里第二丰富的元素，这意味着原材料供应充足，成本相对较低。
所以，尽管锗在某些方面更有优势，但出于对稳定性和工艺复杂性的考量，产业选择了硅。 这就像你选择一家公司，可能另一家公司产品参数更好，但这家公司更有钱、更稳定、更值得信赖，于是你还是选了这家。一旦这个选择做出了，后面所有的研发、设备、生产线，都围绕着硅展开。
2. 晶圆尺寸的“惯性”：越大越好，但越往后越难改
从最早的几英寸晶圆，到现在的12英寸（300mm），晶圆尺寸一直在“越来越大”。为什么？因为在同一张晶圆上能制造更多的芯片，摊薄了单个芯片的制造成本。
但是，晶圆尺寸的增加，对工艺的要求是指数级增长的：
均匀性： 尺寸越大，整个晶圆上的材料沉积、刻蚀、光照等工艺参数要做到均匀，难度呈几何级数增加。一点点偏差，都会导致晶圆边缘的芯片性能远不如中心。
设备精度： 负责处理这么大尺寸晶圆的设备，其机械精度、光学精度要求也极高，一台设备的成本是天文数字。
良率： 尺寸越大，任何一个微小的缺陷都可能毁掉更多的芯片，良率控制难度剧增。
一旦产业习惯了300mm晶圆，所有的设备、厂房、甚至操作人员的技能，都围绕这个尺寸来构建。 你想跳到450mm（曾经有过尝试，但最终因为成本和技术难度放弃了），那就意味着：
全新的设备体系： 现有设备全报废，需要从零开始设计制造。
全新的厂房设计： 现有厂房无法适应，需要推倒重来。
全新的工艺流程： 即使是相同的工艺步骤，在更大的尺寸下也需要重新验证和优化。
这种巨大的沉没成本和技术迁移成本，使得产业很难轻易地放弃现有的300mm晶圆生态，即使理论上450mm可能带来更低的单位成本。 这就是典型的路径依赖：过去的投资让你在某个点上固定，要改变方向，付出的代价太大了。
3. 光刻技术的“垄断”：EUV的终极考验
芯片制造最核心的工艺之一是光刻，也就是把电路图“印”在硅片上。光刻机的精度决定了芯片的制程节点（例如7nm, 5nm, 3nm）。
长久以来，荷兰的ASML公司在高端光刻领域几乎处于垄断地位。 尤其是其生产的极紫外光（EUV）光刻机，是制造7nm及以下先进工艺的“杀手级”设备。
EUV光刻技术之所以难以突破，原因有很多：
光源： EUV光源的产生非常困难，需要特殊的激光和液态锡滴，能量效率极低，设备庞大且昂贵。
光学系统： EUV光线会被绝大多数材料吸收，所以不能用透镜，只能用反射镜。这些反射镜需要做到极高的精度和反射率，并且表面要极其平整，误差要以原子级别来衡量。
掩模版： 同样，也不能用透射掩模版，只能用反射掩模版，制作工艺难度极大。
ASML能够实现EUV，是基于几十年的技术积累、巨额的研发投入，以及与全球主要芯片制造商（如Intel, TSMC, Samsung）的深度合作，共同分担风险和成本。 这些制造商为了获得EUV能力，向ASML投入了巨额资金，加速了EUV的研发进程。
这构成了一种“双重路径依赖”：
从ASML的角度： 他们在EUV上投入了太多，积累了独一无二的技术和专利，想要转型去做其他技术（比如更高频的光学或者完全不同的成像方式），成本和风险都太高了。
从芯片制造商的角度： 如果你想生产最先进的芯片，你就必须依赖ASML的EUV光刻机。你买了ASML的设备，就得按照它的技术路径来设计你的工艺。你想用其他家的设备？目前来说，在高端制程上，你几乎没有替代选择。
所以，整个产业，从设备制造商到芯片设计公司，再到代工厂，都被EUV这条路径“绑架”了。 即使有公司在尝试其他技术（比如纳米压印、电子束光刻等），但由于ASML在EUV上的先发优势和技术壁垒，这些替代技术很难在短期内对EUV形成颠覆性的挑战，尤其是在主流的先进制程领域。
4. 工艺“堆叠”的复杂性：环环相扣，牵一发而动全身
现代半导体工艺，从晶体管的栅极结构、互连线材料，到蚀刻、沉积、抛光（CMP）等每一个步骤，都极其复杂，并且是环环相扣的。
FinFET/GAAFET： 现在的先进逻辑芯片，基本上都采用了3D结构的晶体管，如FinFET（鳍式场效应晶体管）或GAAFET（栅极全环绕场效应晶体管）。这种结构的制造，涉及到非常精密的垂直刻蚀、多层材料沉积和原子层沉积（ALD），对材料、设备和工艺参数的控制要求极高。
互连线： 芯片内部的晶体管之间需要用金属导线连接，早期用铝，后来用铜。铜比铝电阻率低，传输信号更快，但铜很难刻蚀，所以需要特殊的“镶嵌”工艺。再往后，为了降低电阻和电容，还引入了低介电常数（lowk）材料。这些材料的特性往往很脆弱，容易在后续的高温或化学处理中损坏。
每一个改进，都可能牵扯到其他数十个甚至上百个工艺步骤的调整。 例如，换一种栅极材料，可能就需要重新优化前面的刻蚀工艺，或者后面的CMP工艺。你无法孤立地看待某一个环节，整个工艺流程是一个高度集成、相互影响的系统。
这就意味着，一旦某个工艺环节建立起来，其他环节也必然要围绕它进行调整和优化。 这种“系统性的耦合”使得改变变得异常困难。你想引入一种全新的晶体管结构？那意味着整个“工艺树”都要重新设计，这需要海量的研发时间和资金投入。
所以，硅工艺，尤其是先进的硅工艺，确实是深陷路径依赖的泥潭。 过去的选择，无论是对硅材料的决定、对晶圆尺寸的优化、对光刻技术的依赖，还是对现有工艺流程的积累，都形成了一种强大的惯性。
你想打破它？ 除非出现一种全新的、颠覆性的技术，能够完全绕过现有硅工艺的瓶颈，并且在成本、性能、功耗、良率等各个方面都具备压倒性的优势，否则，这条由硅构成的“路径”，恐怕还会继续延伸下去。而研发这样的颠覆性技术，本身就是一个漫长而充满不确定性的过程。
网友意见
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