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  • 中国有没有必要举全国之力,去造一台光刻机?

    转载:本文嚟自微信公众号“腾讯科技”(ID:qqtech),作者:温戈,转载经授权发布。

    3月初,中芯国际迎嚟‌耐违嘅好消息:中芯国际同荷兰光刻机公司阿斯麦(以下简称“ASML”)签下大单,订购12亿美元光刻机。

    近年嚟,我国虽然在科技研发上取得‌多项重大进步,但在芯片研发同制造领域却亟待突破,特别是在新冠疫情之后,全球新一轮嘅“芯片荒”来袭造成‌产业链对于芯片供不应求嘅问题,我国想要推进独立自主嘅芯片研发,光刻机嘅生产制造就显得尤为重要。

    芯片虽小,制造难度却好大,而呢一过程中一个关键嘅工艺机器——光刻机嘅制造成为咗一大难题。芯片之于光刻机,就如同人同大脑嘅关系,但纵览几十年中国乃至全球球光刻机产业嘅发展却表现嘅差强人意,呈现出‌唯有荷兰ASML“一家独大”嘅局面。

    我哋不禁都对此有好多疑问:为何中国乃至全球对于制造光刻机嘅难度咁之大?ASML公司是点样做到光刻机产业中“全球霸主”嘅地位?为何该公司一台光刻机嘅售价达到‌数亿美元?

    中国有没有必要举全国之力,去造一台光刻机?

    (ASML EUV光刻机TWINSCAN NXE3400B,嚟源:ASML官网)

    Q1:光刻机是做乜嘢嘅?是在造芯嘅边个过程发挥作用?

    光刻机(英文“Mask Aligner”) ,又名掩模对准曝光机,是芯片制造流程中光刻工艺嘅核心设备。芯片嘅制造流程极其复杂,我哋可以概括为几大步骤:硅片嘅制备–>外延工艺–>热氧化–>扩散掺杂–>离子注入–>薄膜制备–>光刻–>刻蚀–>工艺集成等。光刻工艺是制造流程中最关键嘅一步,光刻确定‌芯片嘅关键尺寸,喺成个芯片嘅制造过程中约占据‌整体制造成本嘅35%。

    光刻工艺嘅作用是将掩膜版(光刻版)上嘅几何图形转移到晶圆表面嘅光刻胶上。首先光刻胶处理设备将光刻胶旋涂到晶圆表面,再经过分步重复曝光同显影处理之后,喺晶圆上形成需要嘅图形。原理示意图如下:

    中国有没有必要举全国之力,去造一台光刻机?

    (嚟源:科普中国)

    通常我哋以一个制程所需要经过嘅掩膜数量嚟表现呢个制程嘅难易。根据曝光方式不同,光刻可分为接触式、接近式同投影式;根据光刻面数嘅不同,有单面对准光刻同双面对准光刻;根据光刻胶类型不同,有薄胶光刻同厚胶光刻。一般嘅光刻流程包括底膜处理、涂胶、前烘、对准曝光、显影、刻蚀,去胶光刻检验等,但系以根据实际情况调整流程中嘅操作。

    Q2:光刻机系对边类芯片有影响?如果完全没有光刻机,芯片系咪仲可以正常生产?系咪有光刻嘅替代品?

    目前,无论是汽车芯片,手机芯片仲是第啲领域,包括军用,航空航日等应用嘅芯片都离不开光刻机。而光刻机本身按照应用可以分为几类,用于芯片前道制造嘅光刻机,用于后道芯片封装嘅光刻机同应用于LED制造领域嘅投影光刻机。

    1955年,贝尔实验室嘅朱尔斯·安德鲁斯同沃尔特·邦德开始将制造印刷电路板嘅光刻技术应用到硅片上。1958年,仙童半导体公司嘅杰·拉斯特同诺伊斯制造出‌第一台光刻照相机,用于硅基晶体三极管嘅制造。1961年,美国GCA公司制造出‌第一台光刻机,从此光刻成为芯片制造中最重要嘅环节。

    因为目前嘅芯片都仲是硅基芯片,历经大半个世纪嘅发展,从最初嘅电子管到晶体管,再到集成电路嘅发明,晶体管嘅关键尺寸一步一步缩小,而喺纳米级别嘅尺度进行电路雕刻,目前我哋所掌握嘅技术只有光刻。光刻技术在发展中不断嘅优化,是一步一步从历史嘅实践中得出嚟嘅工艺,如果想另辟蹊径,我哋将面对嘅是未知嘅黑暗同技术深渊,其难度不低于研发出高端光刻机。所以如果没有光刻机,芯片是无办法正常制造嘅,目前都不存在光刻机嘅替代品。

    Q3:点解光刻机嘅造价咁之高?究竟是边部分成本较高?

    一台高端光刻机嘅造价需要上亿美元,甚至比一台波音嘅客机仲要贵。光刻机咁之昂贵嘅原因是因为其涉及系统集成、精密光学、精密运动、精密物料传输、高精度微环境控制等多项先进技术,是所有半导体制造设备中技术含量最高嘅设备。其中最关键零件之一,由德国蔡司生产嘅反射镜必须要做到史无前例嘅光滑度,瑕疵大小仅能以皮米(奈米嘅千分之一)计。

    咁样嘅精度是乜嘢概念?ASML 总裁暨执行长彼得(Peter Wennink)在接受媒体专访时解释,如果反射镜面积有成个德国大,最高嘅突起处唔可以高于一公分!

    因此,光刻机都具备极高嘅单台价值量,目前世界上最先进嘅ASML EUV光刻机单价达到近一亿欧元,但系满足5nm芯片工艺嘅生产。

    ASML嘅光源嚟自于美国Cymer,光学模组嚟自德国蔡司,计量设备嚟自美国,但属于德国科技,佢嘅传送带则嚟自荷兰VDL集团。一台光刻机90%零件都系通过全球采购,当中涉及到4个国家十多家公司,而下游客户嘅利益都同ASML牢牢捆绑。

    中国有没有必要举全国之力,去造一台光刻机?

    (注:ASML光刻机,嚟源:ASML官网)

    Q4:中国明明知道本国嘅芯片科技较为落后,几十年前点解不发展芯片同光刻机?

    我国唔系不重视,都唔系不发展,而是在当时嘅国内以及国际大环境下,芯片嘅问题相对显得“渺小”嘎啦。

    另外,当年发展两弹一星是国家安全嘅保障,而芯片问题在民族存亡嘅问题下,又显得太渺小。但係中国真嘅没有发展芯片吗?显然唔系,事实上我国嘅光刻技术起步并唔晚,上个世纪60年代我国嘅中科院就研究出‌65接触式嘅光刻机。

    1978年,中科院半导体所开始研制半自动接近式光刻机。

    中国有没有必要举全国之力,去造一台光刻机?

    1990年,由中科院光电所承担嘅直接分步重复投影光刻机样机研制成功。

    中国有没有必要举全国之力,去造一台光刻机?

    (注:图片嚟源于网络)

    1996年,中科院成都光电所研制嘅0.8-1微米分步重复投影光刻机通过验收。

    中国有没有必要举全国之力,去造一台光刻机?

    (注:图片嚟源于网络)

    所以,国内嘅光刻机技术从未停止研发,我哋都有自主技术嘅光刻机,只是从未拥有世界领先嘅光刻机罢嘎啦。

    Q5:家阵时最知名嘅光刻机厂商是荷兰嘅ASML,点解芯片强国美国、日韩没有一家光刻机大厂?在一个盛产风车同郁金香嘅国家,早期只有三十几个人嘅ASML是点样崛起嘅?

    要想知道点解最好嘅光刻机嚟自荷兰,而唔系美国,得从半导体发展嘅三个历史阶段说起。

    第一阶段:上世纪60~70年代是早期光刻机发展阶段。

    当时美国是走在世界前面嘅,噉时候仲未有ASML。

    光刻机嘅原理其实像幻灯机一样简单,就是将光通过带电路图嘅掩膜(Mask,后嚟都叫光罩)投影到涂有光敏胶嘅晶圆上。早期60年代嘅光刻掩膜版以1:1嘅尺寸紧贴在晶圆片上,而那时嘅晶圆都只有1英寸大小。

    中国有没有必要举全国之力,去造一台光刻机?

    (注:光刻技术原理图,图片嚟源于网络)

    因此,光刻那时并唔是高科技,半导体公司通常自己设计工装同工具,比如英特尔开始是买16毫米摄像机嘅镜头拆‌用。只有GCA、K&S同Kasper等好少几家公司有做过一点点相关设备。

    60年代末,日本嘅尼康同佳能开始进入呢个领域,毕竟当时嘅光刻不比照相机复杂。

    1973年,拿到美国军方投资嘅Perkin Elmer公司推出‌投影式光刻系统,搭配正性光刻胶非常好用而且良率颇高,因此迅速占领‌市场。

    1978年,GCA推出‌世界上第一台商用步进光刻机DSW4800(direct step to wafer)。该机器使用g线汞灯同蔡司光学元件。以10:1嘅比例将芯片线路成像到10毫米见方区域。该机器价格为45万美元,第一台机器以37万美元嘅价格卖畀‌德州仪器嘅研发部门。由于啱开始DSW4800嘅生产效率相对较低,所以Perkin Elmer在后面好长一段时间仍处于主导地位。

    第二阶段是在80-90年代,半导体产业嘅第一次“转移”。

    80年代左右,因为美国扶植,最开始是将一啲装配产业向日本转移,而日本都抓住‌机会,喺半导体领域趁势崛起。

    在90年代前后,日本嘅半导体产业成为咗全球第一,高峰期时占据‌全球超过60%嘅份额,出口额全球第一,超过美国。

    在嗰个芯片制程仲停留在微米嘅时代,能做光刻机嘅企业,少说都有数十家,而尼康凭借住相机时代嘅积累,喺嗰个日本半导体产业全面崛起嘅年代,成为咗当之无愧嘅巨头。

    短短几年,尼康就将昔日光刻机大国美国拉下马,同旧王者GCA平起平坐,拿下三成市场份额。

    中国有没有必要举全国之力,去造一台光刻机?

    (注:尼康光刻机,嚟源于尼康官网)

    而后嚟尼康作为九十年代最大嘅光刻机巨头,佢嘅衰落,说嚟都充满偶然,始于那一回157nm光源干刻法同193nm光源湿刻法嘅技术之争。

    当时嘅光刻机嘅光源波长被卡死在193nm,是摆在全产业面前嘅一道难关。

    降低光嘅波长,从光源出发是根本方法,但高中学生都知道,光由真空入水,因为水嘅折射率,光嘅波长会改变——在透镜同硅片之间加一层水,由于水对 193nm 光嘅折射率 高达 1.44,原有嘅193nm激光经过折射,不就直接越过‌157nm嘅日堑,降低到134nm‌吗!

    中国有没有必要举全国之力,去造一台光刻机?

    (注:浸没式光刻可缩短等效波长,嚟源:Nikon,《纳米集成电路制造工艺》)

    2002年,时任台积电前研发副总经理嘅林本坚拿住这项“沉浸式光刻”方案,跑遍美国、德国、日本等国,游说各家半导体巨头,但都食‌闭门羹。

    当时仲是小角色嘅ASML(1984年飞利浦同一家小公司ASM Internationa以50:50组成嘅合资公司,最初员工只有31人)决定赌一将,相比之前在传统干式微影上嘅投入,押注浸润式技术更有可能以小博大。于是ASML同林本坚一拍即合,仅用一年多嘅时间,就喺2004年拼全力赶出‌第一台样机,并先后夺下IBM同台积电等大客户嘅订单。

    第三阶段是在新千年前后时期,荷兰ASML嘅崛起。

    1997年,英特尔攒起‌一个叫EUV LLC嘅联盟。联盟中嘅名个个如雷贯耳:除咗英特尔同牵头嘅美国能源部以外,仲有摩托罗拉、AMD、IBM,以及能源部下属三大国家实验室:劳伦斯利弗莫尔国家实验室、桑迪亚国家实验室同劳伦斯伯克利实验室。

    呢啲实验室是美国科技发展嘅幕后英雄,佢哋之前嘅研究成果覆盖‌物理、化学、制造业、半导体产业嘅各种前沿方向,有核武器、超级计算机、国家点火装置,甚至仲有二十多种新发现嘅化学元素。

    资金到位,技术入场,人才云集,但偏偏联盟中嘅美国光刻机企业SVG、Ultratech早在80年代就被尼康打得七零八落,根本烂泥扶不上墙。于是,英特尔力邀ASML同尼康加入EUV LLC。但问题在于,这两家公司,一个嚟自日本,一个嚟自荷兰,都唔系本土企业。

    中国有没有必要举全国之力,去造一台光刻机?

    (注:Ultratech光刻机,图片嚟源于网络)

    当时嘅美国政府将EUV技术视为推动本国半导体产业发展嘅核心技术,并唔太希望外国企业参同其度,更何况是八九十年代在半导体领域压‌美国风头嘅日本。但EUV光刻机又几乎逼近物理学、材料学以及精密制造嘅极限。光源功率要求极高,透镜同反射镜系统都极致精密,仲需要真空环境,其配套嘅抗蚀剂同防护膜嘅良品率都不高。别说日本同荷兰,就算是美国,想要一己之力自主突破这项技术,但系以说是比登日仲难,毕竟美国已经登月嘎啦。

    最后,ASML同意在美国建立一所工厂同一个研发中心,以此满足所有美国本土嘅产能需求。另外,仲保证55%嘅零部件均从美国供应商处采购,并接受定期审查。所以点解美国能禁止荷兰嘅光刻机出口中国,一切嘅原因都始于此时。

    错失EUV嘅尼康,仲未完全失去机会,等佢一蹶不振嘅,是盟友嘅走。当时嘅英特尔为咗防止核心设备供应商一家独大,制作22nm嘅芯片仲是一直采购ASML同尼康两家嘅光刻机。但“备胎终究是备胎”,一转身,英特尔就为咗延续摩尔定律嘅节奏,巨资入股ASML,顺带将EUV技术托付。

    另一边,相比一步步集成‌全球制造业精华嘅ASML,早年间就习惯单打独斗嘅尼康在遭遇美国封锁后,更是一步步落后,先进设备技术跟不上且不提,就连落后设备嘅制造效率都迟迟提不上嚟。而佳能在光刻机领域一直没有争过老大,当年佢嘅数码相机称霸世界,利润好高,但系对一年销量只有上百台嘅光刻机根本没有畀予重视。2012年,英特尔连同三星同台积电,三家企业共计投资52.29亿欧元,先后入股ASML,以此获得优先供货权,结成紧密嘅利益共同体。喺2015年,第一台可量产嘅EUV样机正式发布,意味住在7nm以下嘅先进工艺节点,ASML再无对手!

    Q6:系咪可以说全球嘅芯片产业被ASML扼制住‌咽喉?有没有能对ASML产生威胁嘅厂商?佢哋嘅技术水平点样?

    同其说全球嘅芯片产业被ASML遏制住‌咽喉,不如说是被ASML及其背后嘅利益共同体扼制住‌咽喉。除咗ASML,目前世界上第啲比较先进嘅光刻机厂商分别是日本嘅尼康同佳能。从目前尼康嘅官网上可以睇到尼康最先进嘅光刻机型号为NSR-S635E。

    中国有没有必要举全国之力,去造一台光刻机?

    (注:尼康嘅最先进NSR-S635E光刻机,嚟源:尼康官网)

    从其关键参数同介绍嚟睇,其光源波长为193nm,水平大致相当于ASML DUV光刻机嘅水平。不过,依照ASML(ASML)、尼康、佳能三家公司嘅官方数据整理得知,上年全球光刻机总销售量为413台。其中ASML销售258台占比62%,佳能销售122台占比30%,尼康销售33台占比8%。按照销售额嚟计算嘅话,因为最昂贵嘅EUV只有ASML制造销售,所以总嘅份额占比依次是91%、3%、6%。所以目前无论是尼康仲是佳能都无办法对ASML构成威胁。

    中国有没有必要举全国之力,去造一台光刻机?

    (注:尼康NSR-S635E光刻机参数表,嚟源:尼康官网)

    Q7:家阵时中国光刻机研发实力点样?系咪具备独立制造光刻机嘅实力?相比ASML嘅崛起,中国有强大嘅基础,点解而家造出一台光刻机咁难?目前最好嘅国产光刻机是乜嘢实力水平?相当于国际上乜嘢样级别嘅产品?

    目前中国具备独立制造光刻机嘅实力,光刻机企业包括上海微电子装备(SMEE)合肥鑫硕半导体,无锡迎翔半导体等。其中最先进嘅是上海微电子装备有限公司嘅600系列光刻机,但系满足IC制造90nm、110nm、280nm关键层同非关键层嘅光刻工艺需求。该设备可用于8寸线或12寸线嘅大规模工业生产。据悉,SMEE今年即将交付可以制造28nm芯片嘅光刻机,对此我哋拭目以待。

    中国有没有必要举全国之力,去造一台光刻机?

    (注:SMEE系列光刻机,嚟源:SMEE官网)

    目前,SMEE嘅光刻机使用嘅光源分别为深紫外ArF(193nm)、KrF(248nm),i-line (365nm),虽然已经用到‌深紫外光源,但其整体制造能力距离ASML嘅第四代光刻机DUV光刻机仲差一大截,整体水平相当于ASML 2003年左右嘅第三代光刻机TWINSCAN AT:1150i,从这方面嚟睇,同国外嘅差距有18年。但随住新工艺研发难度嘅提高,国外嘅工艺进程都放缓,况且好多原理我哋已经认识,相信国内同国际先进制程嘅真实差距在10-15年左右。

    中国有没有必要举全国之力,去造一台光刻机?

    (嚟源:SMEE官网)

    Q8:ASML嘅光刻机制造,几乎都是靠全球化产业链完成嘅,按照家阵时嘅国际形势,中国制造一台光刻机嘅难度是唔系比以往更大‌?

    高端光刻机嘅制造困难在其中嘅众多核心部件都系极其精密嘅,光刻机唔系一个国家嘅技术,而是用成个西方最先进嘅工业体系在支撑。无论是在过去仲是而家,中国想独立制造一台高端嘅光刻机都非常嘅难。对于光刻机众多嘅核心部件,想在每一个上面都做到世界级嘅精度几乎是一个不可能完成嘅任务。另一个原因就是《瓦纳森协议》嘅存在,佢是由欧美强国制定嘅一个先进技术限制出口嘅方案,旨在保护其先进核心技术不外泄。虽然佢是由欧美40多个国家共同指定嘅,但是基本受美国掌控,并且直指中国。比如在2004年,捷克拟向中国出口“无源雷达设备”时,美国便向捷克施加压力,迫使捷克停止这项交易。

    中国有没有必要举全国之力,去造一台光刻机?

    (注:瓦纳森协议)

    Q9:中国芯片厂商好多时候是买二手嘅光刻机,二手产品对芯片会有边啲影响?为何不买最新嘅?

    造成中国厂商购买二手光刻机嘅主要原因仲是由国内半导体产业链供需失衡导致嘅。为咗缓解产能不足嘅情况,导致日本大量嘅二手设备流入中国,甚至而家连二手设备都已经大幅涨价。这都从侧面说明‌目前我国芯片制造设备,就算在成熟工艺上依然无办法自畀自足。

    至于点解不买最新嘅,原因之一是买不到,仲有一个原因是二手设备具有明显嘅价格优势,通常为新设备价格嘅70%不到。半导体作为资金密集型嘅产业,前期嘅投入是巨大嘅,所以削减成本以维持其利润都是企业要考虑嘅问题。另外好多领域需要嘅芯片是成熟嘅工艺制程,二手设备都是可以满足需求嘅。

    Q10:ASML光刻机曾一度被禁止运送至中国,这系咪都加大‌中国嘅芯片荒程度?系咪有比较好嘅解决方案?如果没有好嘅解决方案,中国芯片产业将面临点样嘅困境?

    这嘅确在一定程度上加大‌国内芯片荒嘅程度。但是ASML嘅光刻机并未完全禁止出口畀中国,3月3日中芯国际同ASML签订‌12亿美元嘅协议购买光刻机,预计会包含NXT 1980Di,NXT2050i等DUV光刻机,但系以用于制造14nm或者制程更先进嘅芯片。

    目前嘅芯片短缺已经不剩只是中国嘅问题,都是世界性嘅问题。短期之内没有太好嘅办法,但是长期嚟睇,我国已然开始重视半导体产业,喺“十四五”规划同2035远景目标纲要度,提到‌要“增强集成电路产业自主创新能力,推动先进工艺等重大项目尽早达产”等战略目标。喺摩尔定律放缓嘅今日,只要我哋稳扎稳打,就一定能缩小同世界先进工艺嘅差距,甚至在未嚟十年迎头赶上。

    EUV光刻机作为集成‌全球最顶尖技术嘅产品,为其供应零部件嘅是嚟自不同国家嘅上百个企业。这都是点解一位ASML嘅高管敢于放豪言讲:就算开放图纸畀中国,中国都造不出嚟光刻机。事实上,ASML对向中国出售光刻机一直都系持积极态度嘅,2020年,ASML发往中国大陆地区嘅光刻机台数超过‌其发往全球总数嘅20%,中国是ASML最大嘅客户之一。

    有人说,我哋造嘅出嚟原子弹,难道造不出嚟光刻机?笔者认为,时代变嘎啦,我哋以举国之力去造光刻机并唔见得是一个明智嘅选择,因为其需要投入嘅资金以数千亿计,更需要投入大量嘅高端人才。毕竟,ASML都是依靠各个国家嘅高科技汇聚才实现嘅。

    cantonese.live 足跡 粵字翻譯

    2021-03-23 14:35:10

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