中国永远造不出高端光刻机?莫要长他人志气灭自己威风

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2020-08-10 20:22:54

8月7日,华为消费者业务CEO余承东在中国信息化百人会2020年峰会上说了这样一段话——

“在半导体制造方面,华为没有参与重资产投入型的领域、重资金密集型的产业,我们只是做了芯片的设计,没搞芯片的制造。”

没搞芯片制造?

联系到近期美国对中国一系列的打压行为,余承东的话就像一根刺。

一众营销号也纷纷开始带节奏:

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而“锁喉”华为的,正是半导体产业非常重要的一环:光刻机。

光刻机的那些门道

“光刻机”在百度百科上的解释十分官方:

光刻机(Mask Aligner) 又名:掩模对准曝光机、曝光系统、光刻系统等,是制造芯片的核心装备。它采用类似照片冲印的技术,把掩膜版上的精细图形通过光线的曝光印制到硅片上。

但抛开这些绕口的定义,光刻机的实质就是一台“幻灯机”。幻灯机可以把我们想要的影子投影到幕布上,而光刻机可以用光线,把芯片雕刻成我们想要的样子。

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光刻机的发展史就是一部追求“更小激光波长”的奋斗史。更小的激光波长,意味着能把更小的芯片设计成更复杂的样子,而雕刻出来的芯片,功能也更强大。

在光刻机发展之初,人们普遍运用的都是紫外光源(UV),当时,“光刻”也并不是高科技,很多半导体公司通常都会自己设计、组装光刻设备。

20世纪90年代,人们开始在光刻机上采用深紫外光源(DUV),激光波长也控制在了193nm。我们现在很多芯片都仍是用这种193nm波长的光刻机生产出来的。

当然,人们并没有放弃对光刻机更极致的追求。1997年,美国英特尔公司以公司形式发起了极紫外光源(EUV)联盟。最后只有荷兰ASML公司成功了,他们用二氧化碳激光照射在锡等靶材上,激发出了13.5nm的光子,作为光刻机光源。

从那以后,光刻机就正式迈入了EUV时代。

一个难点,衍生出光刻机世界拉锯战

我国半导体行业最早起源于70年代,且当时的整体水平并没有落后世界太多。

1977年,我国最早的光刻机GK-3型半自动光刻机就诞生了。同一年,中国科学院半导体所开始研制JK-1型半自动接近式光刻机,并在1981年成功研制出两台样机。1985年,我们还研制出了中国第一台分步投影式光刻机。

可以说,在整个六七十年代,中国大陆的半导体工业水平是仅次于美国,领先于日、韩的。

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GK-3光刻机

可到了90年代,世界半导体行业格局发生了翻天覆地的变化。

导致这一变化的根源,就是光刻机的核心难点:光线波长。

想做出更精密的芯片,光刻机的用来制造芯片的每一道光线都要更“精益求精”。“用更短的波长”,是每家光刻机公司的毕生追求。

当时,美国、日本、韩国的几家公司你追我赶,在90年代前半期把光刻机波长做到了365nm i-line,后来又做到了248nm。当这个数字被控制在193nm时,整个行业陷入了瓶颈,这个瓶颈期,至少长达20年。

也就是在这个时间段,我国的光刻机技术,因为“造不如买”、“科研-教育-产业”脱节,被世界远远抛下。

在这段“瓶颈期”里,科学家和产业界提出了各种超越193nm的方案,最后只有台积电(全称:台湾积体电路制造股份有限公司)和ASML合力,在光刻机的晶圆光刻胶上加了1mm厚的水,开创了一种浸入式光刻方法,把光刻机的波长做到了今天的7nm(华为的麒麟980就是用这种光刻机生产出来的)。

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与此同时,ASML还因为积极加入极紫外光源(EUV)联盟,用自己一贯的良好表现为公司争取到了最好的研究资源,最终研制出目前世界范围内最精尖的EUV光刻机,把光波长度做到了7nm。做到这一步,ASML可以说是光刻机行业的绝对“头牌”了。

因此,尽管ASML生产的EUV光刻机开出天价(每台1.2亿美元)、体积庞大(一台EUV光刻机重180吨,超10万个零件,需要40个集装箱运输,安装调试需要一年时间)、出货缓慢(每年产量19台,排队交货,需要等好几年),但丝毫不妨碍ASML每年都接到雪片一样的订单。

而目前,国内最成熟的光刻机加工制程仍是90nm,由上海微电子装备公司出品。明年他们计划交付首台国产28nm的immersion光刻机。

刺眼的差距。

买卖要看脸色,我们的出路在哪里?

2017年,中芯国际成功预定了ASML公司1台制程为7nm的EUV光刻机。但至今,这台光刻机都没有顺利交付。

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ASML生产的光刻机

部分国外媒体把这件事的原因归结为ASML主要元器件供应商Prodrive在2018年突发大火,所有订单只能延期。

但究其根源,我们都心知肚明:是一份包括“巴统”17国在内的28个国家共同拟定的《瓦森纳协定》

根据这份协定,即便中国企业想购买二手的光刻机设备,也必须等到国外的公司使用5年后才能拿到手。相当于我国的企业在2020年只能买到ASML2015版的光刻机。而5年,对于半导体产业来说,已经能够进行数次更新迭代。

对于像ASML这样的企业来说,一边是可以源源不断为自己提供各种研发资源的大国,一边是只有一台订单的中芯国际,孰轻孰重不言而喻。光刻机,留给我们的就只有“自研”这一条路。

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2020年1月22日,ASML行政总裁Peter Wennink表示,未来会继续向中国企业销售高端光刻机产品,因为他们的高端EUV光刻机设备,中国企业永远都无法复制。

相似的话,在上海微电子成立时也出现在欧洲专家的口中:“即使有全套图纸,中国也造不出光刻机。”但显然,上海微电子做到了,并且一直在进步。

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上海微电子(SMEE)生产的光刻机

为了光刻机,国内各界一直拼尽全力。2018年,清华大学朱煜团队研发出双工作台光刻机,使我国成为全球第二个具备开发双工作台光刻机的国家。2019年,武汉光电国家技术研究中心甘棕松团队成功刻出9nm线宽的线段,实现了从超分辨成像到超衍射极限光刻制造的重大创新,打破了三维纳米制造的国外技术垄断。

最近,中芯国际的高管开始喊话“即便无法进口EUV光刻机,也有底气量产7nm芯片”了。他们已经成功通过浸润式技术达到7nm芯片的工艺精度,预计在2021年就可以实现小规模量产。

至于华为,从2016年就开始申请光刻机相关技术专利,据相关数据显示,目前已经在相关领域投资了80亿美元。

中国真的会如ASML所认为的那样,永远也不可能生产出7nm的光刻机吗?

或许这个“永远”,也没那么远。

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