为什么光刻机比原子弹还难造?_港美股今日行情

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2021年1月28日13:12:07 评论 157 3847字阅读12分49秒
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为什么光刻机比原子弹还难造?_港美股今日行情,微雕,以光为刀。…

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老铁成了快手的天花板

如果没有抖音的出现,这个故事会以老铁和快手“相互成就”作结。...

光刻机,这个生僻的工业制造装备名称,在2020年成为了网络热搜词:它和下一代工业革命的焦点产物,芯片,关系密切。没有高精度的芯片,那些改变人类生涯和经济的焦点手艺,如人工智能,虚拟现实(VR),物联网,下一代无线通信,都不可能实现。

可以说,光刻机之于我们这个时代,犹如蒸汽机,发电机,以及计算机之于前三次工业革命一样主要,是权衡一国科技研发与工业水平的标杆。不少专家指出,我国制造先进水平光刻机的难度,堪比昔时制造原子弹。

微雕,以光为刀

那么,首先让我们先来看,光刻机是什么?

光刻机,这台可以卖到上亿欧元的周详装备,是通过紫外光作为“画笔”,把预先设计好的芯片电子线路书写到硅晶圆旋涂的光刻胶上,精度可以到达头发丝的千分之一。举个例子,华为海思乐成设计开发了麒麟系列芯片,想要真正做成手机芯片,就需要台积电行使光刻工艺来举行代工制造。

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一台荷兰阿斯迈光刻机内部的紫外光源 | www.asml.com

光刻的原理和历程一样平常是这样的:首先制备出芯片电路图的掩膜版,然后在硅片上旋涂上光刻胶,行使紫外光源通过掩膜版照射到光刻胶上。经由瞄准曝光后,紫外光照射到区域的光刻胶会由于化学效应而发生变性,再通过显影作用将曝光的光刻胶去除,下一步接纳干法刻蚀将芯片电路图通报到硅晶圆上。

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光刻工艺直接决议了芯片中晶体管的尺寸和性能,是芯片生产中最为要害的历程。光刻机中的曝光光源决议了光刻工艺加工器件的线宽等特征尺寸,当前市场主流接纳深紫外(DUV,193 nm)光源,最先进的是接纳极紫外(EUV,13.5 nm)光源的的EUV光刻机。

现代光刻工艺一样平常包罗硅晶圆的洗濯烘干,光刻胶的旋涂烤胶,瞄准曝光,显影,刻蚀以及检测等多重工序。由于现代芯片的庞大性,生产历程往往需要经由几十次的光刻,耗时占有了芯片生产环节的一半,光刻成本也到达了生产成本的三分之一。

阿斯麦,皇冠上的珍珠

听完光刻原理和历程,你可能以为这也没什么啊,一台光刻机怎么能比造原子弹还难啊?

要知道随着科技的生长,现代高端手机芯片中的晶体管到达上百亿个,华为5nm制程的麒麟1020芯片密度高达每平方毫米1.7亿个。这样的加工精度决议着光刻机是半导体制造历程中手艺含量最高的装备,涉及到从紫外光源、光学镜头、周详运动和环境控制等多项天下各国顶级科技成就的运用。

光刻机被称为现代半导体行业皇冠上的明珠,现在单台EUV光刻机配件多达10万个,价钱高达1.2亿美元。当前天下上光刻机市场的老大是荷兰的阿斯麦ASML,占有了全球高端光刻机市场份额的89%,剩下的被日本的尼康和佳能所朋分。而7纳米以下的EUV光刻机市场则被阿斯麦完全垄断,把尼康和佳能等竞争对手踢出场外。

环视天下,能造原子弹的国家已经许多,但高端的EUV光刻机,现在能制造的只有荷兰的阿斯麦公司。一方面,一台EUV光刻机10万配件,集结了全球顶级手艺,不是一个国家的手艺储备气力能够自力实现的。另一方面,光刻机究竟只是生产工具,不像原子弹这样的国之重器,可以不计成本靠举国之力举行制造,光刻机只是芯片制造中的一个环节,还需要上下游产业链的支持,能造出来不稀奇,主要的是还能靠它赚钱。

那小伙伴们的问题又来了,为什么全球半导体产业的生长主力集中在美日韩以及中国台湾,为何全球最大的光刻机装备提供商,竟然不是来自天下科技霸主美利坚,而是荷兰这个风车之国?

实在,阿斯麦的前身属于著名的电子厂商飞利浦,1984年才最先自力运营。在阿斯麦早期生长时,就面临着要和崛起的日本芯片厂商尼康和佳能的猛烈竞争,但阿斯麦掌握住了国际风云的转变,专注于光刻机焦点手艺的研发,通过与西欧大学以及研究机构的互助,打造上下游利益链条,奠基了坚实的手艺基础,用了30年时间确立起了极高的手艺壁垒。

对于荷兰阿斯麦来讲,与台积电互助研制浸润式光刻装备机,就是它的诺曼底上岸之战。

它抓住了这个手艺生长要害转折点,从而实现高端光刻机的手艺突破,获得芯片制造市场的主导职位。

2002年左右,传统193 nm深紫外光刻机推进到芯片的65nm水平时,遇到了亘古未有的瓶颈。日本的微影双雄尼康和佳能选择的手艺门路是:继续降低曝光波长,开发波长更短的157 nm深紫外光刻机。

这时,台积电的一名工程师林本坚提出:以水为介质可以制造浸润式光刻机,在镜头与晶圆曝光区域之间的清闲充满高折射率的水,水对193 nm紫外光的折射率为1.44,从而实现在水中等效波长为134 nm,从而一举实现 45nm以下制程。

浸润式光刻机,这个想法是创造性的,但在手艺上若何实现照样个大问题。

那时,阿斯麦的主要竞争对手尼康和佳能,对浸润式光刻机远景并不看好,一直主攻更短波长的深紫外光源。而阿斯麦则赌上了企业生长的运气,与台积电联合攻关,经由三年的全力投入研发,浸润式光刻机终获乐成,从而改写了未来半导体十余年的生长蓝图,将芯片加工的手艺节点从65 nm连续下降。光刻要害手艺的重大突破,直接拉动阿斯麦的市场占有率由25%攀升至80%,把尼康和佳能打的满地找牙。

真正让阿斯麦称霸光刻机领域的战争,是极紫外EUV光刻机手艺的开发。

极紫外光刻的原理是20世纪80年代由日本人提出并验证的,但若何实现低成本的量产,是摆在日本和西欧各国半导体业界眼前的伟大难题。

作为天下第一的科技霸主,美国面临那时日本芯片产业的崛起,也是不能容忍的。

出于国家安全和商业利益的思量,为了争取美国在半导体行业上的优势,为了在下一代半导体制程上把日本芯片企业赶出局,从EUV光刻机入手,美国政府和业界专门成立了复仇者同盟,啊不,是EUV同盟。

由英特尔、AMD、摩托罗拉和IBM等业界巨头,加上隶属于美国能源部的桑迪亚国家实验室和劳伦斯利弗莫尔国家实验室组成,可谓阵容强大, 配合攻克生产装备的难题。而欧洲30余国也紧跟潮水,集中了科研院所的研究气力,介入EUV光刻手艺的开发。

荷兰阿斯麦公司作为掌握光刻机系统集成和整体架构的焦点企业,自然成了西欧自家的小棉袄,顺遂赶上了西欧EUV手艺研究生长的风口,投资德国卡尔蔡司,收购美国Cymer光源。集成天下各国顶尖科技的EUV光刻机研发乐成,一举奠基了阿斯麦在高端EUV光刻机领域的垄断职位,EUV光刻机的周详水平已经到达给你图纸,也无可复制。

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阿斯迈EUV光刻机内部事情模拟图,其精致庞大水平令人恐慌 | www.asml.com

当前,ASML成为天下上唯一拥有EUV光刻机生产能力的产商,以波长13.5 nm的极紫外光作为光源,可以实现7 nm以下制程的芯片,当前苹果和华为等旗舰手机的5nm 制程芯片都是由阿斯麦EUV光刻机生产。尼康和佳能面临手艺壁垒和巨资开发投资,只能望EUV而兴叹,起个大早,没赶上集。

那么阿斯麦制造的EUV光刻机都卖给了谁?数据显示,2019年该公司共生产了26台EUV光刻机,其中有一半卖给了台积电,剩余一半卖给了英特尔、三星等客户。海内半导体代工企业中芯国际曾花了1.2亿美元订购一台,由于你懂的缘故原由,至今尚未交付。

荷兰阿斯麦的乐成不是有时的,也是有迹可循的,首先,它30年内专注生长光刻机焦点手艺,保持稳定的战略目标,不停研发新手艺新产物。从浸入式光刻机到EUV光刻机的生产,阿斯麦和它的互助伙伴不停挑战摩尔定律,突破芯片加工极限。而作为曾碾压阿斯麦的竞争对手,佳能和尼康逐渐进入数码相机等来快钱的消费电子市场,从而失去了光刻机领域的优势。

其次,阿斯麦通过投资和入股等方式,获取光刻系统的焦点手艺,而光刻机90%的其他部件都是互助和外购天下顶级手艺产物,好比德国机械、蔡司镜头和美国光源。同时引入英特尔、台积电和三星等电子巨头的注资,形成了无法复制的战略利益配合体。

阿斯麦和台积电等下游公司也同样通过股份战略互助,形成利益和研发配合体,台积电用EUV磨练芯片加工手艺,同时台积电又把芯片加工中遇到的问题和新的要求不停反馈给ASML,从而开创手艺创新和质量改善的双赢局势,台积电也成为全球首家提供5nm制程代工营业的芯片厂商。

国产之路,任重道远

再来看看海内的光刻机研发状态,实在我国在60年代第一块集成电路问世之后,就最先了光刻工艺的研究,但在80年代以后,随着“造船不如买船,买船不如租船”的说法盛行,由于也缺乏响应的芯片产业链,许多自主攻关项目纷纷下马。

当前,我国光刻机的主要生产厂家是上海微电子,已经实现90纳米制程量产,28 nm工艺的国产光刻机也预计在2021年交货,虽然和国际领先的5 nm另有几代差距,但已经可以知足海内芯片市场的中端需求。

2019年4月,光电团队武汉国家手艺研究中心团队行使两束激光在自主研发的光刻胶上突破光束衍射极限,行使远场光学乐成雕刻出一条宽9nm的线段,实现了从超分辨率成像到超扩散极限光刻的重大创新。

然而,从手艺实验室乐成,到可批量化大批制造的商用装备,依旧另有很长的路要走。特别是需要几万个零部件要到达高精准度的高端光刻机,其中的要害高精度零部件好比镜头、光源、轴承等,目前海内产业链的制造水平还暂时达不到,需要历久联合攻关,我们的义务依旧艰难而繁重。(编辑:mz)

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