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光刻机和蚀刻机

(2018-05-02 20:48:06)
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差距可以说是极大的

蚀刻机方面做的相对较

中国已是世界顶尖水平

荷兰的asml公司所垄断

亟待攻克的核心技术

分类: 中国震撼

光刻机和蚀刻机是什么


芯片,本质上是一种大规模集成电路,而光刻机和蚀刻机都是在生产现代大规模集成电路过程中必不可少的设备,两种设备各司其职、不可互相替代。想要了解这两种设备的区别,就一定要知道芯片是怎么生产出来的。

光刻机和蚀刻机
光刻机和蚀刻机

什么是光刻机?什么是蚀刻机?

最通俗的说法,所谓的大规模集成电路就是把我们正常看到的电路变得很小、很密集,所以说我们正常看到的最简单的电路和芯片里面复杂而密集的电路没有本质的区别。

中国芯的那点事儿(一)光刻机和蚀刻机是什么?

↑复杂电路↑

中国芯的那点事儿(一)光刻机和蚀刻机是什么?

↑最简单的电路↑

这个原理说起来当然是非常轻松的。但是在实际操作的过程中,如何让电路变得很小、很密集却让科学家犯了难:简单的电路我们可以用手搭,但是那么小、甚至于只有几个纳米宽的电路我们怎么搭起来呢?

于是在长期的探索中,科学家就找到了两种物质:一种我们比较熟悉——金属,另一种是光刻胶。这两种物质有什么奇特的地方呢?又跟芯片制造有什么关系呢?

简单说,光刻胶是一种胶状的物质,可以被光侵蚀掉,但是化学物质没法侵蚀掉它金属不会被光侵蚀掉,而化学物质却可以侵蚀掉它。(虽然现在最先进的是用等离子蚀刻,但是我们这里先不说那个,说比较基础一点儿的原理)

所以说制造芯片的基本原理就是利用这两种物质的性质:在金属表面覆盖一层光刻胶,然后用光先把光刻胶侵蚀掉(就好像是拍照片显影那样,被挡住的地方照不到光,就会在光刻胶上留下来一个影子),下一步再用化学物质浸泡,这样有光刻胶的那部分金属就不会被侵蚀、没有光刻胶的地方会被侵蚀掉——于是金属表面就形成了我们想要的形状。

这两个过程就是所谓的光刻和蚀刻,对应的设备就是光刻机和蚀刻机。

下面这幅图就是光刻机的原理,电路的形状一开始是画在一张比较大的分划板上的,然后通过透镜把电路的图案缩的很小,然后照射在涂抹了光刻胶的金属板上(就是所谓的晶圆了)。

中国芯的那点事儿(一)光刻机和蚀刻机是什么?

↑光刻机的原理图↑

下面这幅图这是蚀刻的过程。可以看到,没有光刻胶的那部分金属在化学物质的作用下被溶解了,然后晶圆表面就变成了我们想要的形状。整个大规模集成电路光刻和蚀刻的过程可以见再下一张图。

中国芯的那点事儿(一)光刻机和蚀刻机是什么?

↑化学物质腐蚀↑

中国芯的那点事儿(一)光刻机和蚀刻机是什么?

↑芯片中电路的制造过程↑


那么中国现在两种设备的发展如何?

其实从刚刚的大规模集成电路的制造过程上我们也看到了,光刻的复杂程度要远远高于蚀刻,所以光刻机的复杂程度也远远高于蚀刻机,所以现在世界上能够生产高端光刻机的国家没有几个。目前最先进的光刻机制造商是荷兰的ASML,可以说是仅此一家、别无分号(占有80%的市场份额),一台最先进的光刻机售价一亿美元,而且还不接受讨价还价,你爱买不买。

而在现在这个时间节点上(2018年),ASML使用的光线已经到了极紫外光(EUV),所以可以光刻7nm以下的大规模集成电路。而受制于《瓦森纳协定》,ASML不可以向中国出售先进光刻机。所以在这方面中国长期处于被封锁的状态。

中国芯的那点事儿(一)光刻机和蚀刻机是什么?

↑ASML的高端光刻机↑

那么中国自己的光刻机是什么水平呢?非常遗憾的是,中国的光刻机水平落后世界很多目前能够量产的光刻机只能够光刻90nm的大规模集成电路,跟最先进的设备差距可以说是极大的。也许试验室里有更高制程的光刻机技术,但是在量产、投入生产之前还只是镜花水月。

相对而言,中国在蚀刻机方面做的相对较好,现在中国最先进的等离子蚀刻机已经制造到了5nm的制程,并且7nm制程的蚀刻机已经在去年走出试验室,开始向台积电等厂商供货,这方面中国已经是世界顶尖水平。

中国芯的那点事儿(一)光刻机和蚀刻机是什么?

↑大国重器中的中国蚀刻机(片中用的是刻蚀机)↑


所以,制造芯片需要两条腿:光刻机和蚀刻机,

而我们的光刻机距离世界顶尖水平还有相当遥远的距离,

而在蚀刻机方面,我国的水平还是相当不错的,只是要戒骄戒躁、再接再厉。


追根溯源,找到芯片业难以逾越的瓶颈究竟有几个,它们在哪里?
光刻机这种绝顶技术,中国集全国之力,需要砸多少钱用多长时间才能搞出来?
只能定点清除难点了。
光刻机和蚀刻机

光刻机是制造芯片的核心设备,一直以来被荷兰的ASML公司所垄断。Intel、台积电、三星都是它的股东方。国际上14nm的光刻机都是ASML的产品。其每年的产量只有24台,单价高达1.5亿美元。目前订单已经排到了3年以后。
我国曾多次想要订购ASML的14nm光刻机,但无奈的是,不管多少钱,人家不卖!现在国内一些32nm和22nm的光刻机都是采购自其他国家的二手设备,就算是二手也还需要向美国提出申请,人家同意才行。最为令人气愤的是,出售给我国的光刻机都带有附加条件,那就是不能用来生产军用级别的芯片和给中国自主芯片代工,也就是说中国人自己研制的芯片,不能用人家的设备生产。之前宣称的我国龙芯和申威等国产芯片之所以无法量产,就是这个原因。芯片性能达到了国际水平,但却没有相应的国产光刻机生产。



《科技日报》4月19日的专栏“亟待攻克的核心技术

解读了那些让中国难望顶级光刻机项背的“细节”。以下为全文:

指甲盖大小的芯片,密布千万电线,纹丝不乱,需要极端精准的照相机——光刻机。光刻机精度,决定了芯片的上限。高精度光刻机产自ASML、尼康和佳能三家;顶级光刻机由ASML垄断

“十二五”科技成就展览上,上海微电子装备公司(SMEE)生产的中国最好的光刻机,与中国的大飞机、登月车并列。它的加工精度是90纳米,相当于2004年上市的奔腾四CPU的水准。国外已经做到了十几纳米。

光刻机和蚀刻机

ASML EUV光刻机 问世时售价曾达1亿美元  图源:网络

祖传的磨镜手艺

光刻机跟照相机差不多,它的底片,是涂满光敏胶的硅片。电路图案经光刻机,缩微投射到底片,蚀刻掉一部分胶,露出硅面做化学处理。制造芯片,要重复几十遍这个过程。

位于光刻机中心的镜头,由20多块锅底大的镜片串联组成。镜片得高纯度透光材料+高质量抛光。SMEE光刻机使用的镜片,得数万美元一块。

ASML的镜片是蔡司技术打底。镜片材质做到均匀,需几十年到上百年技术积淀。

“同样一个镜片,不同工人去磨,光洁度相差十倍。”SMEE总经理贺荣明说,他在德国看到,抛光镜片的工人,祖孙三代在同一家公司的同一个职位。

另外,光刻机需要体积小,但功率高而稳定的光源。ASML的顶尖光刻机,使用波长短的极紫外光,光学系统极复杂。

3万个机械件都要可靠

有顶级的镜头和光源,没极致的机械精度,也是白搭。光刻机里有两个同步运动的工件台,一个载底片,一个载胶片。两者需始终同步,误差在2纳米以下。两个工作台由静到动,加速度跟导弹发射差不多。

贺荣明说:“相当于两架大飞机从起飞到降落,始终齐头并进。一架飞机上伸出一把刀,在另一架飞机的米粒上刻字,不能刻坏了。”

而且,温湿度和空气压力变化会影响对焦。“机器内部温度的变化要控制在千分之五度,得有合适的冷却方法,精准的测温传感器。”贺荣明说。

SMEE最好的光刻机,包含13个分系统,3万个机械件,200多个传感器,每一个都要稳定。像欧洲冠军杯决赛,任何一个人发挥失常就要输球。

图纸不是关键

2002年SMEE成立,是中国政府为了填补光刻机空白而立项。贺荣明去德国考察时,有工程师告诉他:“给你们全套图纸,也做不出来。”贺荣明几年后理解了这句话。

并不是说图纸不重要,贺荣明说,如何将系统的误差分配到子系统,设计有高下之分。但顶级光刻机也需要细节上的技术洁癖。“一根光纤,一行软件编码,一个小动作,如果不兢兢业业做好,整个系统就不优秀。”贺荣明说。

发展光刻机,需要高素质的人群。所以我们做来做去,做最多的是培养人,改变人。”贺荣明说,这需要他们用五十年一百年的长远眼光去做事情,而不是期望几个月解决问题

如今SMEE每年增加数百项专利,活得很好,以中低端市场支持高端研发。而国际巨头仍在前进,发展浸没式光刻机(光在水中波长更短)、磁悬浮驱动(减少工作面震动)、反射镜代替透镜技术、真空腔体的极紫外光学系统……

(科技日报记者 高博)  

全世界只有十几台的光刻机,一亿美元一台

北京时间   2018-04-30​​中国作为进出口依赖度很强的国家,每年要从国外源源不断的购进很多所需的材料。但是你们知道吗?我们国家每年进口最多的不适石油而是芯片,我国很多数码设备,例如计算机和手机的处理器芯片都需要进口。

光刻机和蚀刻机

​制造一款芯片并不像我们想的那么简单,这需要高端的技术,高端的人才,高端的设备。这三点缺了哪个都不行。最近传来消息中国在芯片制作方面已经取得了关键性的突破,南科大7纳米技术已经研发成功,但是在生产制造方面却是走的十分艰难。

光刻机和蚀刻机

​作为希望霸主的美国,为了限制中国芯片的崛起,对欧洲等掌握芯片技术的国家发起了禁令,严禁向中国出售高端芯片设备,中国每年花大价钱买来的其实都是一些较为低端的芯片。

最近,中国的科研人员再度为国争光,因为中国的芯片行业在未来几年内会实现跳跃式的增长,眼看势头不对,一些除美国之外的国家纷纷表态乐意为中国提供芯片技术支持,2019年在中国工厂将会看出EUV光刻机。

光刻机和蚀刻机

​这种机器全世界只有十几台,中国一旦有了这种光刻机,那么就有底气可以和芯片巨头三星,英特尔这样的企业一决高下,我们也期待中国早日开发出属于自己的芯片。​​​​

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