第一,目前全球最先进的光刻机,已经实现5nm的目标。这是荷兰ASML实现的。
而ASML也不是自己一家就能够完成,而是国际合作才能实现的。其中,制造光源的设备来自美国公司;镜片,则是来源于德国的蔡司公司等。这也是全球技术的综合作用。
第二,中国进口最先进的光刻机,是7nm。
2018年,中芯国际向荷兰ASML公司定制了一台7nm工艺的EUV光刻机,当时预交了1.2亿美元的定金。请注意,当时这台机器还没有交付,而是下订单。
但国内市场上,其实已经有7nm光刻机。在2018年12月,SK海力士无锡工厂进口了中国首台7nm光刻机。海力士也是ASML的股东之一。
第三,目前国产最先进的光刻机,应该是22nm。
根据媒体报道,在2018年11月29日,国家重大科研装备研制项目“超分辨光刻装备研制”通过验收。该光刻机由中国科学院光电技术研究所研制,光刻分辨力达到22纳米。
请注意该报道的标题:“重大突破,国产22纳米光刻机通过验收。”
也就是22nm的光刻机,已经是重大突破。
22nm的光刻机,关键部件已经基本上实现了国产化。“中科院光电所此次通过验收的表面等离子体超分辨光刻装备,打破了传统路线格局,形成一条全新的纳米光学光刻技术路线,具有完全自主知识产权。”
有关报道中的“全新的技术”,也就是中国科研工作者在关键部件完全国产化情况下,实现的这一次技术突破
中国和世界顶尖光刻机制造还有很大差距。
华为麒麟受制于人,中芯国际不堪大用,澎湃芯片久不见进展,虎愤芯片勉强能用。
实用更是有很远的路要走。
大家放平心态。
我国从1965年起就已经有了光刻机,但之所以现在大幅度落后,可能是由于以下几个原因造成的:
在有了光刻机之后遭遇了国际间的冲突,导致我国的观客机发展受到阻碍。1965年,我国的第1台光刻机是从外国进口的,直到现在为止全国只有两个国家拥有光刻机的高科技手段。特别是荷兰的光刻机技术在全球是遥遥领先的,但由于荷兰受到美国的影响,并不愿意把光刻机的相关技术和设备出口给中国,导致中国的光刻机的技术研发和发展,大幅落后,经过了几十年的不断演变,也就造成了我国现在的光刻机的技术仍然没有达到成熟阶段。
很多光刻机的零件部位需要出口,本地没有生产。光刻机所要求的科技含量非常高,特别是一些零件部位需要完全依赖外国的出口,因为这些零件需要有专业的设计师和科技人员进行长时间的打磨和研发之后,才达到了光刻机零件的标准。从中国目前已有的相关技术来看,想要达到此项科技仍然需要一定的时间,因此从这一角度而言,也会出现大幅度的落后。
光刻机的印制必须清晰和准确,这一点我国的技术尚未达到。光刻机对镜头技术的要求很高,基本上达到了普通镜头的千万分之一,这就意味着芯片上的所有电路图除了依靠高科技手段之外,还需要有独特的光刻机研发技术,才可以使得芯片上的印制图案清晰准确。虽然我国也有部分的光刻机,但精确度没有外国出口的光刻机清晰度和准确度高,导致我国在后续的芯片研发和光刻机的发展中受到了很大的阻碍,在使用的过程中并没有体现出良好的性价比,种种因素就造成了我国的光刻机在全球都已经大幅的落后。
光刻机,也叫掩模对准曝光机,曝光系统,光刻系统等,是制造芯片的核心设备。而芯片是手机的心脏,也是许多高科技产品的根基。
光刻机它采用类似照片冲印技术,把掩膜版上的精细图形通过光线的曝光印制到硅片上。
光刻机的主要性能指标有:支持基片的尺寸范围,分辨率、对准精度、曝光方式、光源波长、光强均匀性、生产效率等。
2018年11月29日,国家重大科研装备研制项目“超分辨光刻装备研制”通过验收。该光刻机由中国科学院光电技术研究所研制,光刻分辨力达到22纳米,结合双重曝光技术后,未来还可用于制造10纳米级别的芯片。
光刻机的原理是什么?
与冲洗照片有相似的地方,但又不大一样。
冲洗照片,是将需要洗印的照片从底片上洗印到相纸上,或是将原底片上的影像放大到相纸上。
光刻机是把大的底片缩小,就是把集成电路图缩印到晶元相纸上。
它与洗印放大机的结果恰好是相反的。
为什么一个原理上并不难的机器门槛很高呢?难点在于它的精度上,所谓是量变产生了质变。
如果我们画一张电路图,把它画在A4大小的纸上,这一点也不难,许多人都能做到。
话题扯得有点远,再回到光刻机上。
在A4大小的纸张上画图相对比较容易。但是如果要把电路图画到一张邮票上就困难了许多。我们再设想一下,如果要把电路图画到一粒米粒上或一粒沙子上就更困难了。
不仅如此,如果要把这粒沙子放到一辆运动的赛车上,让你在运动的状态下,在一边追赶其它赛车的同时,在挡风玻璃上的沙粒上画出电路图,就几乎不可能做到了。
虽然它们都有一个名字,叫画电路图,但是所处的环境、介质及大小的不同,难度就有着天壤之别。
所以,光刻机也分低端和高端。10纳米以下的属于高端光刻机。
笔的粗细,在图纸上所呈现的内容量是不一样的。笔尖越细所能够画出的内容越多,难度也越大,越高端。同样的,还有沙子的大小。沙粒越小,笔尖越细,画的内容越多,难度也就越大。
目前最高端的光刻机的工艺是5纳米级别。5纳米大约为50个原子的宽度。
一个原子的实际大小,大约为黄色光波的5000到2000分之一之间。在这种极端精度下,很多原本可以忽略不计的细节,全部都变成了障碍和难点。
比如说,在赛车的过程中震动是极度敏感的,比如关门的动作,可能都是灾难性的。所以必须要搭配一个极端精度的减震系统。
喜欢摄影的朋友都知道,在摄影过程中,其中一个重要参数就是曝光度。洗印照片也有曝光的问题。曝光量的多少,时间的长短,都会影响成像的效果。
光源,它是画图用的。必须频率稳定,能量均匀,平行度要求高。任何曝光不准确,都会严重影响成像的质量。
因此,运动状态下控制精度,必须是纳米级别的,稍有偏差,成像就会出问题。
光刻机远比我们想象的要复杂的多。可以说,光刻机是人类历史上几乎最精密的机器设备。
有人说,生产芯片靠砸钱。钱,肯定是需要的,但还有环境问题和上述的要素。
科学是来不得半点虚假的。
不会。
20世纪50年代,美国已经有了自己的接触式光刻机,一年后,又推出了自动步进式光刻机。同样,日本的光刻机也不远。我国1978年在gk-3的基础上发展了gk-4,自动化程度有所提高,但仍没有摆脱接触式光刻机。粗略地说,美国和美国的光刻机之间的差距是20年。然而,1981年《光电子工程》第5期有一篇文章当时,国产光刻机,一直在追赶世界的步伐,并没有停滞不前。1985年,一台步进式光刻机样机研制成功。经鉴定,它达到了美国4800 DSW的水平。如果当时的数据没有出入,那应该是中国第一台分布式光刻机。与国外(1978年美国)的差距相比,时差应为7年。
回到问题上来,如果成立于1987年的华为立即投入光刻机的研发,会不会在高端光刻机上留下自己的身影?毕竟,我们一直在追。80后应该还记得自己的童年。生活才刚刚开始,边远地区的温饱问题才刚刚解决。在这个时候,是应该考虑生存第一,还是坚持自主更新、自力更生?80多年来,财政赤字每年都超过100亿元。虽然年度报告的数字很好看,但仍有人真的饿了。在这个时候,我们是想要技术还是生存?当时我国经济做了一部分调整,那就是缩小基础设施建设和大中型建设项目的规模,当然也包括一些科技项目。如果几亿人等着吃饭,只能放弃一些科研项目,优先发展经济,以经济建设为中心。我们可以把更多的事情转移到我们的家庭中去,而不是去改变我们的生活。
无独有偶,成立于1987年的华为也没想到会改变当时中国的通信环境,而是在能够生存和发展之后才确立了自己的目标。从打破“七国八制”到率先冲入“无人区”的5g,华为真的敢碰光刻。光刻技术的研发和生产,当然是一个高端的技术项目,难度是公认的。当时,华为无法承受同样的研发投入。因此,如果华为早研发生产光刻机,就不会成功。1国内环境,不允许。你们生产的产品在国外可能过时了。2国外仍然会有一个压抑的环境。简而言之,华为是一家通信公司,主营业务是通信。手机终端和自己的芯片研发都是在后期发展起来的,但一直专注于通信业务。现在华为的手机和一系列终端服务都已经成熟,所以做芯片是很自然的事情。总之,如果你吃饱了,你应该考虑吃得好。
光刻机被誉为半导体产业皇冠上的明珠。光刻机的主要作用是将掩模版上的芯片电路图转移到硅片上,在某种程度上来说,光刻工艺的决定了半导体线路的线宽,同时也决定了芯片的性能与功耗,越高端的芯片,所需要的光刻工艺也越先进。
“工欲善其事,必先利其器”,光刻机就是芯片制造中的那一把“利器”,也被誉为半导体产业皇冠上的明珠。光刻机的主要作用是将掩模版上的芯片电路图转移到硅片上,在某种程度上来说,光刻工艺的决定了半导体线路的线宽,同时也决定了芯片的性能与功耗,越高端的芯片,所需要的光刻工艺也越先进。
大家都知道,芯片很重要,离开了芯片,几乎所有电子设备都会失去作用。但要是离开光刻机,自然也就制造不出芯片,同样也不可能有手机、电脑等电子设备的产生。
光刻机的关键技术:以光为媒,刻化℡☎联系:纳于方寸之间
指甲盖大小的一枚芯片,内部却包含了上千万个晶体管,犹如一座超级城市,线路错综复杂,这跟光刻机的工作原理相关,其中涉及系统集成、精密光学、精密运动、精密物料传输、高精度℡☎联系:环境控制等多项先进学科。因此光刻机是所有半导体制造设备中技术含量最高的设备,具备极高的单台价值。
如果单纯从工作原理的角度来解析,光刻机并不复杂。“以光为媒,刻化℡☎联系:纳于方寸之间”,光刻机是通过串联的光源能力以及形状控制手段,将光束透射过画着线路图的校正,经过物镜补偿各种光学误差,将线路图成比例缩小后映射到硅片上,然后使用化学方法进行显影、刻蚀处理,最终得到刻在硅片上的电路图。
但是它最难的在于,需要在极小的空间内完成超精细的纳米级雕刻工艺,为具备这项能力。需要掌握的关键技术有很多,主要包括以下几种:
1、“℡☎联系:缩投影系统”即所谓的“光刻机镜头”。这种镜头不是一般的镜头,其尺寸可以达到高2米直径1米甚至更大。光刻机的整个曝光光学系统,可能需要20多块锅底大的镜片串联组成,将光学零件精度控制在纳米级别。每块镜片都由高纯度透光材料制成,还包括高质量抛光处理等过程,一块镜头的成本在数万美元上下;
2、既然叫做“光刻机”,所以“光源”也是光刻机的核心之一,要求光源必须发出能量稳定且光谱很窄很窄的紫外光,这样才能保证加工精度和精度的稳定性。按照光源的发展轨迹,光刻机从最初的紫外光源(UV)发展到深紫外光(DUV),再到如今的极紫外光(EUV),三者最大的不同在于波长,波长越短,曝光的特征尺寸就越小。
(资料源自上海℡☎联系:电子官网、东兴证券研究所,OFweek电子工程网制图)
最早的光刻机采用汞灯产生的紫外光源,从g-line一直发展到i-line,波长从436nm缩短到365nm。随后,业界利用电子束激发惰性气体和卤素气体结合形成的气体分子, 向基态跃迁时所产生准分子激光的深紫外光源,将波长进一步缩短至193nm,由于在此过程中遇到了技术障碍,因此采用浸没式(immersion)等技术进行矫正后,光刻机的极限光刻工艺节点可达28nm。
如今,业界最先进的光刻机是EUV光刻机,将准分子激光照射在锡等靶材上,激发出波长13.5nm的光子作为光刻机光源。EUV光刻机大幅度提升了半导体工艺水平,能够实现7nm及以下工艺,为摩尔定律的延续提供了更好地方向。而业界也只有ASML一家能够提供EUV设备,处于产业金字塔顶端;
3、分辨率,对光刻工艺加工可以达到的最细线条精度的一种描述方式。光刻的分辨率受光源衍射的限制,所以与光源、光刻系统、光刻胶和工艺等各方面都有关系,总体来说,分辨率和光源波长的关系可以用公式“R(分辨率)=K1(工艺参数)λ(光源波长)/NA(光学镜头的数值孔径)”;
4、工艺节点,是反映芯片技术工艺水平最直接的参数。工艺节点的尺寸数值基本上和晶体管的长宽成正比关系,每一个节点基本上是前一个节点的0.7倍,0.7X0.7=0.49,所以每一代工艺节点上晶体管的面积都比上一代小大约一半,因此单位面积上的晶体管数量将翻番,这就是著名的摩尔定律。一般18~24个月,工艺节点就会发展一代。
工艺节点发展以28nm为分水岭,虽然依然按照0.7倍的规律前进,但实际上晶体管的面积以及电性能的提升远落后于节点数值变化。比如英特尔当时统计数据显示,他们20nm工艺的实际性能已经相当于三星14nm和台积电的16nm工艺。更麻烦的是,不同厂商工艺节点换算方法不一,导致了很多理解上的混乱。因此,只有对芯片有很高要求的产品才会采用28nm及以下先进工艺。当然,发展到现在,台积电已经开发出了更为先进的5nm工艺并实现量产,今年下半年就会有搭载相关芯片的产品面世。
高端光刻机为什么难买又难造?
一般来说,一条芯片生产线上需要好几台光刻机,而一台光刻机的造价也非常高,其中成像系统和定位系统最贵,整台设备算下来造价三千万到五亿美元不等。此外,光刻机上的零部件还包括来自瑞典的轴承、德国的镜头、美国的光栅、法国的阀件等等,都属于各个国家的高端工艺产品。
光刻机的折旧速度非常快,每天大概就要花费3~9万人民币,将其称为“印钞机”也不为过。正是因为光刻机昂贵的造价和上文中提到的各项高先进技术,ASML一年也只能制造出20多台EUV光刻机。
这么昂贵的设备,ASML公司一年卖出几台就够养活整个公司了,中国市场一直以来都是ASML看好的重点业务区域,但是却偏偏不能向中国出售高端光刻机,为什么呢?这里就要提到《瓦森纳协定》。比如中芯国际苦苦等待的EUV光刻机,虽然设备一直没到,但是也没有因此停止研发进程,已经在14nm的基础上研发出“N+1”、“N+2”工艺,等同于7nm工艺,公司联合首席执行官兼执行董事梁孟松也透露出,现阶段哪怕不用EUV光刻机,也可以实现7nm工艺。但想要大规模成熟量产,依然离不开EUV光刻机。
中国又被誉为“制造大国”,既然买不着,那自己造如何?
在过去,搜狐能 copy 雅虎,淘宝能 copy eBay,滴滴 copy Uber,那咱们能不能 copy 一个ASML出来自己造光刻机?要知道,ASML可谓是当前光刻机领域的“一哥”,尽管尼康和佳能与之并称“光刻机三巨头”,但在支持14nm及以下的光刻机上,唯有ASML一家独大。
“光刻机之王”ASML的成功难以复制。ASML出身名门,由原本荷兰著名的电器制造商飞利浦公司半导体部门独立拆分出来,于2001年更名为 ASML。
在ASML背后,还有英特尔、三星、台积电、SK海力士等半导体巨头为其撑腰,只有投资了ASML,才能成为其客户,拿到光刻机产品的优先供货权。多方资本注入下,ASML也有了更多强化自身实力的机会:
2001年,ASML收购美国光刻机厂商硅谷集团获得反射技术,市场份额反超佳能,直追尼康;
2007年,ASML收购美国 Brion 公司,成为ASML整体光刻产品战略的基石;
2012年,ASML收购全球知名准分子激光器厂商Cymer,加强光刻机光源设备及技术;
2016年,ASML收购台湾半导体设备厂商汉℡☎联系:科,引入先进的电子束晶圆检测设备及技术;
2016年,ASML收购德国卡尔蔡司子公司24.9%股份,加强自身℡☎联系:影镜头技术;
2019年,ASML宣布收购其竞争对手光刻机制造商Mapper知识产权资产。
在上文中提到,光刻机设备融合了多门复杂学科,不仅种类繁多,还要求是当前该领域最先进的技术,放眼当下没有任何一家公司敢说自己能在这些领域都做到最好。也就只有ASML能够不断通过自研、收购等方式,一步步走上神坛。
说出来很多人可能不信,我国最早研发光刻机的时候,ASML还没有出现。资料记载,1977年也就是中国恢复高考那年,我国最早的光刻机-GK-3型半自动接近式光刻机诞生,由上海光学机械厂试制。
80年代其实开了个好头,1981年,中国科学院半导体所成功研制出JK-1型半自动接近式光刻机样机。1982年国产KHA-75-1光刻机的诞生,估计跟当时最先进的佳能相比也就相差4年。1985年中国第一台分步投影式光刻机诞生,跟美国造出分布式光刻机的时间差距不超过7年。这些都说明当时中国其实已经注意到了投影光刻技术的重要性,只是苦于国内生产工艺尚不成熟,所以很难实现量产。
80年代末期,“造不如买”的思想席卷了大批制造企业,我国半导体产业研发进程出现了脱节,光刻机产业也未能幸免。
虽然后续一直在追赶国外列强的脚步,但产业环境的落后加上本来就与世界先进企业有差距,使得中国终究没有在高端光刻机领域留下属于自己的痕迹。
“眼看他起朱楼,眼看他楼塌了”,80年代初期奠定的中国光刻机产业基础就这样被轻视了。这也是为什么我国光刻机产业一直赶不上国外的原因,再加上光刻机制造所需要的各种零部件,也都受到不同程度的管制,如今想再追回来,实在太难。
中国高端光刻机正在路上
2001年, 科技 部和上海市于2002年共同推动成立上海℡☎联系:电子装备公司,承担国家“863计划”项目研发100nm高端光刻机。据悉,中电科四十五所当时将其从事分步投影光刻机团队整体迁至上海参与其中;
2008年, 科技 部召开国家 科技 重大专项"极大规模集成电路制造装备及成套工艺"推进会,将EUV技术列为下一代光刻技术重点攻关的方向。中国企业也将EUV光刻机列为了集成电路制造领域的发展重点对象。
如今,国内从事光刻机及相关研究生产的除了上海℡☎联系:电子装备、合肥芯硕半导体、江苏影速集成电路装备以外,还有清华大学精密仪器系、中科院光电技术研究所、中电科四十五所等高校/科研单位。
在研发成果上,2016年,清华大学“光刻机双工件台系统样机研发”项目成功通过验收;2016年,清华大学“光刻机双工件台系统样机研发”项目成功通过验收;2018年,国家重大科研装备研制项目“超分辨光刻装备”通过验收,也是世界上首台用紫外光源实现22nm分辨率的光刻机,意义在于用便宜的光源实现较高的分辨率,用于一些特殊制造场景。
可以看到,在光刻机的自主研发进程上,中国也取得了很大的进步。但相对来说比较缓慢,要想真正研发出高端光刻机,需保证多个学科和领域的技术水平达到或者超过世界先进水平,任何一环节落下都会影响产品的性能。
这是美国的精准打击,有本事查查这个馊点子是如何出笼?我觉得正是我们50年代人掌舵时缺乏几乎所有科学知识,被自己权力切割,连同40后与60后的纽带一同切掉,30后已失能,40后除做房地产的尖子,其余趋向失能,50后是鸿沟的分界,权力中心做自然科学的极少,人才都是做买卖的,买不到自然只有造,说造,得创新,虽然少,但不乏有能做光学化学电学,机电一体化的,光电的组织能力,基本都要退休能要吗?后来60,70都是40,50教的,他们都缺乏系统边缘渗透交融能力,天天喊隔行如隔山,各霸一方,搞这种综合高 科技 设备既缺乏专业精通,又少有隔行合作的气量,包括航空发动机也一样,他瞄准了不打这,那打什么?
因为世界上的高端光刻机只有荷兰在生产,产量有限所以难买。光刻机融合了工业制造的几乎各个方面的高精技术所以也难造。
高端光刻机难买是因为以美国为首的西方国家对中国进行严密的技术封锁,难造是因为光刻机是高 科技 的集成产品,在我国基础如此薄弱的情况下还能取得如此成绩本身就是一个奇迹,假以时日,光刻机也会象盾构机一样被攻克。
难买是别个不想让你超越自己!难造是因为之前有配套设施没把它当回事!接下来重视起来了就不难造了!