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一台售价7亿的光刻机,制造的芯片才值几千块钱

作者:admin 发布时间:2020-08-02

芯片,这个最近耳熟能详的词语,频频出现在大众视野,让很多并不了解科技产业、并不熟悉芯片的人对芯片有了越来越多的认识。

芯片自从被发明出来,就一直是全球最高精尖的科技产品,任何电子设备,不论是军用还是民用,都是离不开芯片的。

而我国的高科技产业起步较晚,在美国70年代家用电脑都已经进入寻常百姓家的的时候,我国连黑白电视机都买不起。

直到从90年代开始,家用PC电脑才开始走入大城市的工薪阶层和政府部门。而CPU芯片作为电脑的核心,是非常重要的,没有它电脑就无法工作,它就像人们的大脑一样,控制着计算机(电脑)的各种行为。

但是长期以来,由于国外芯片技术发展较早,比我国几乎早发展了一代人的技术水平,而我国在芯片领域起步较晚,基础比较薄弱,国外先进的技术、设备一直都是限制卖给中国使用的,所以我们只能从国外购买芯片,国产自给率不足20%。

我国是世界上的芯片进口大国,每年都要花费数千亿美元在芯片的进口上,因为我们无法制造出高端芯片,而制造不出高端芯片的关键原因,就是用于生产高端芯片的设备——光刻机,一直以来,最先进的光刻机都是由荷兰ASML公司研发的,由美国、德国为首的发达国家掌控,形成庞大的利益共同体,而其生产的EUV高端光刻机内部达8万多个零部件,其中关键零部件多产自美国,而这些对技术工艺要求极高的零部件,有不少是个别企业独有的技术,别人根本无法复制和模仿,甚至就像ASML总裁所说的那样:“即使公开图纸,也不怕被山寨”。而台积电、三星、英特尔、中芯国际、中兴等等都是ASML的客户。

由于光刻机内部零件的复杂性,以及对高精密仪器制造的超高要求,我们国家无法制造出先进的光刻机,只能采买。美国一纸禁令,要求所有使用使用美国的技术、软件设计、零部件和制造半导体芯片的设备以及相关厂商不得向中国华为出售相关半导体芯片产品。

这项芯片禁令升级,导致华为甚至中国在芯片领域直接被美国卡脖子。我们面对美国的限制和打压,正在面临着前所未有的芯片困境,让我们真正的意识到,自主研发国产芯片的重要性,而光刻机的自主研发,就成了重中之重。

晶圆是指制作硅半导体积体电路所用的硅晶片,其原始材料是硅。高纯度的多晶硅溶解后掺入硅晶体晶种,然后慢慢拉出,形成圆柱形的单晶硅。硅晶棒在经过研磨,抛光,切片后,形成硅晶圆片,也就是晶圆。

其工作原理和照相机相似,光刻机利用发出的光,通过具有电路图的光罩对涂有光刻胶的晶圆薄片进行曝光,而光刻胶在光的照射下发生反应,从而将光罩上的电路图“复印”到晶圆薄片,从而将电路图绘制在了晶圆上。

晶圆经过切割等加工手段最终制成一个又一个的芯片。就如同单反摄像机一样,镜头是最核心的部分,也是最贵的器件,光刻机也是如此,镜头也是光刻机最核心的部分,但是要比单反镜头要大得多,一个镜头直径能达到1米高2米甚至更大。

因此,镜头就变得十分重要,德国蔡司镜头是公认的最强大的光学镜头,ASML生产的光刻机就是用的他家的。

光刻机有了镜头还不行,另外一个比较重要的就是光源,光源的工艺能力水平取决于其光源的波长。一般地,波长越短,工艺越好。这是为什么呢?

大家都知道,初中物理就学过的一个公式【光速=频率×波长】,那么就能够得出频率与波长成反比【频率=光速/波长】,光速是固定的,当波长越小时,频率就越高,而频率越高,振动幅度就越小,那么光传播的路线就越直,那么它的抖动就越小,那么图像的像素点就会越小越密,那么分辨率就会越高,就越能够精准的将电路图绘制在晶圆上。

光刻机分辨率,以纳米为单位,其计算公式为:【分辨率 = 工艺系数 * 波长 / 镜头数值孔径】

工艺节点: 工艺节点(nodes)是反映集成电路技术工艺水平最直接的参数。通常我们所常见的描述芯片是多少多少纳米,就是指的工艺节点。目前主流的节点为0.35um、0.25um、0.18um、90nm、65nm、40nm、28nm、20nm、16/14nm、10nm、7nm等,和最近最新的工艺节点为5nm,台积电已经实现。

在65nm工艺及以前,工艺节点的数值几乎和光刻机的最高分辨率是一致的。由于镜头数值孔径并没有太大变化,所以工艺节点的水平主要由光源波长决定,ArF193nm波长可实现的最高工艺节点就是65nm。而在65nm以后,由于波长难以再突破,业界发明了一种沉浸式技术,将等效的光源波长利用水的折射原理缩小到了134nm。而引入这一技术之后,镜头数值孔径也进一步得到提高,从而使得分辨率提高了。

因此,虽然光源波长没变,但是工艺节点却推进到了28nm。然而到了28nm后,技术难以再解决出现的单次曝光系列问题,便使得28nm成为工艺节点的一个重要分水岭。

毫无疑问,EUV光刻机是最好的。主流厂商的7nm及以下芯片的制造工艺都会采用EUV光刻机,其中三星在7nm上已经采用,而EUV光刻机目前只有ASML一家能够量产,因特尔和台积电一直到7nm工艺节点都依然使用浸润式(immersion)ArF的光刻设备,而7nm以下的工艺就必须采用EUV光刻机了。沉浸式DUV光刻机(ArF + immersion)能够生产28-7nm芯片。

在未来,5nm和3nm工艺必然是EUV光刻机的天下,三星7nm工艺已经采用了EUV光刻机,而中芯国际早在2018年就已经从ASML订购了一台EUV光刻机,然而却因为美国从中阻挠,虽然钱已交付,但是货却迟迟无法拿到。

目前我国的芯片技术水平至少落后国外10年,而中芯国际是我国数一数二的芯片制造厂商,其目前的水平可以量产14nm芯片,但是整整比台积电5nm工艺水平落后3代。虽然能够量产14nm芯片,但是其使用的光刻机依然是DUV沉浸式光刻机,只能够生产28-7nm芯片,7nm以下的芯片是无法制造出来的,必须使用EUV光刻机,然而中芯国际向ASML购买的EUV光刻机,花了7个亿,钱打过去了,却迟迟两年没有到货。

制造光刻机的难度,可能比制造航天发动机还要困难,目前世界上没有一个国家能够可以独立完成高端光刻机的制造,哪怕是ASML能够制造,也不是凭借一己之力完成的,它是国际上数十个国家合作才能完成的。

美国近期的一纸禁令,让国内芯片相关产业为之颤抖,看似是打压限制华为,实则是制裁我国芯片产业的发展之路。芯片的重要性也得到了国家重视,直接拿出1600亿投资华为、上海微电子、中兴等公司,研发自主知识产权的芯片。

虽然光刻机制造技术我们难以企及ASML的高度,但是在国产企业的努力下,成果还是有目共睹的。

6月中旬的时候,一名自称上微的员工在某论坛发帖称,上海微电子就称28nm工艺节点的光刻机将会在2021年下半年交付,最迟2022年,将达到批量生产,大批交付使用。随后该帖子已经被删除。

虽然没有得到官方证实,但是最近都在宣传报道此事,假如这个传闻属实,那么对于我国光刻机技术发展来说将会是一个非常大的突破。

这里有一个误区需要解释一下,该光刻机并非光源28nm的光刻机,28nm应该指的是28nm工艺节点,并非光源波长。因为按照目前上微官网SSA600/20光刻机介绍来看,最高工艺节点是90nm,使用的光源为365nm,如果28nm工艺节点属实,那么估计采用的应该是沉浸式193nm光刻机实现的。

而紧接着7月7日有媒体报道称上海微电子技术公司成功研发出22nm工艺节点光刻机,采用紫外光源实现22nm工艺,成功打破西方技术垄断。

很多人会质疑和小看22nm工艺,会觉得现在都7nm、5nm芯片了,还停留在22nm上,如此“粗糙”能有什么用?当然,我们承认与ASML 5nm工艺还有巨大的差距,但是相比之前90nm工艺,我们的进步是非常明显的,而且22nm工艺应用范围是非常广的,虽然可能用在手机芯片上会显得十分落后,但是在其他领域上的应用是十分广泛的,22nm以上的工艺都可以通过该光刻机制造出来,足以应对全球60%以上的芯片制造,而且就这,我们还是达到了世界前列水平,但是距离世界高端水平依然有巨大的差距。

前几天被媒体争相报道,说中科院官网公布了一项技术研究论文进展情况,媒体报道如下:

据中科院7月7日官网报道称,近日,中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员张子旸与国家纳米中心研究员刘前合作,在Nano Letters上发表了题为5 nm Nanogap Electrodes and Arrays by a Super-resolution Laser Lithography的研究论文,报道了一种新型5nm超高精度激光光刻加工方法。研究团队基于光热反应机理设计开发了一种新型三层堆叠薄膜结构。

然而大师兄并没有在中科院官网上找到与网络传播的那张截图,中科院7月7日相关报道或已被删除,大师兄只在其官网搜到这样一篇文章,发表时间是7月13日。

估计中科院发布的报道,让很多人误以为中科院研发出了5nm光刻机,产生了误会,所以随后出来辟谣纠正了。不过论文还是存在的。

该技术采用双激光束(405nm)交叠技术,精确控制能力大幅提高,突破极限,达到最小5nm工艺的水平。

该技术有别于传统的缩短激光波长和增大镜头数值孔径的方式(前面有介绍缩短波长,增大孔径,可以提高分辨率),而是利用自主研发的激光直写设备,利用了激光与物质的非线性交互来提高加工分辨率。

后面这段话非专业人士听不懂,忽略就好,反正就是有了这项技术,我们就有了光刻5nm的方法!是一个新的突破!

而英特尔目前还只停留在7nm工艺,台积电与三星在7nm以下产生了激烈的竞争,这不得不引起业界的广泛关注。

我们一直在讨论台积电和华为在芯片供应上的种种拉扯,却忽略了三星这个大厂,突然冒出的消息让人虎躯一震。

台积电一直是三星的最大竞争对手,在5nm工艺的竞争上,三星已然是略败下风。而台积电早已经在4nm及3nm工艺进行了技术储备,4nm量产计划也将在2022-2023年有望实现。从工艺上讲,三星是落后台积电一年多的,而这次三星跳过4nm,直接进入3nm工艺,必然是想要与台积电再次拼个你死我活。

而且有消息传出,三星将在3nm工艺上绕开美国专利技术,从而摆脱美国技术限制,为华为供货提供了可能。

三星在芯片领域起步较台积电晚一些,台积电一直是华为的重要客户之一,而因为美国的影响,台积电不得不缩减、甚至是取消为华为代工的订单,6月份台积电曾宣称将第四季度华为芯片的订单取消,从而将该部分订单产能分给了苹果、高通以及国内部分手机厂商。而三星在与华为的合作上,虽然没有台积电那么多,但是依然是比较重要的合作伙伴。

三星或将从台积电手中取得更多的华为5G芯片的订单,双方的合作亦有可能将进一步加深。

未来很长一段时间,三星的主要客户依然是高通,而如果三星能够绕过美国专利技术,采用自有产权实现3nm工艺,那么预计华为也将成为三星的重要合作伙伴。

美国不管是对华为卡脖子,还是对中国卡脖子,甚至对所有国产厂商卡脖子,虽然短时间内对我们有所影响,但适当的卡脖子也不算坏事儿,因为有美国这样的存在,将会使我们警钟长鸣。

光刻机的重要性是不言而喻的,一台光刻机虽然售价七八亿人民币,创造的芯片价值虽小,但是却至关重要,没有它就造不出芯片,创造的价值和产业链、供应链是非常巨大的。

中国目前的半导体行业,较国外落后10-20年,不论是国产光刻机,还是国产芯片设计与制造,又或者是国产操作系统,我们都需要国人不断地支持,努力的追赶,相信在不久,撑住这未来5-10年,挺过去,我们国产技术必定能够追赶上国际先进水平。