我国造不出光刻机,有以下三个原因:
1.因为我们的技术有限。为了阻止我们的技术发展,西方国家阻碍了一些技术进入中国。因此,这一限制将影响中国在光刻机的发展。
2.事实上,我们的许多组件的使用取决于国际市场,在这种情况下,我们很难获得国际市场的支持。
3.ASML的成功是因为其技术的局限性,更重要的是,它把一些企业当成了自己的股东,比如三星、台积电,英特尔等等。
所以在这种情况下,会发现光刻机在中国的发展并不是特别突出。正是因为光刻机的限制,中国在芯片领域的代工确实受到了很大的影响,华为不得不受到限制。因此,只有不断自主研究和开发属于我国的光刻机,才能打破这种束缚。
中国的刻蚀机的确是达到了世界先进水平,光刻机还早,而且就算是这两样都世界先进了,不代表中国芯片业的前路就不艰辛了。
目前中国的刻蚀机的确领先,5纳米等离子体刻蚀机已经通过台积电验证;但是光刻机就差多了,之前新闻报道中提到的“中科院SP超分辨光刻机”其实最多只能算是一个“原型机”,和ASML的光刻机不能相提并论,也不能用来制造芯片,还需要攻克一系列的技术难题。
退一步讲,就算是中国的光刻机与刻蚀机都达到世界领先就解决问题了么?ASML的EUV光刻机我们已经下单等待交货了,是不是到货以后中国就可以生产7nm甚至是5nm的芯片了?
不要把问题想简单了,以为芯片也只有光刻机和刻蚀机。芯片制造的技术、经验、工艺以及人才是一个系统性的工程,台积电也不是一天建成的,有了光刻机也不代表我们就能造出最顶尖的芯片。 再退一步讲,如果一流光刻机和刻蚀机都国产了,台积电也变成了中国企业,中国的芯片业就独步天下了么?当然不是,我们还需要高通、苹果、英伟达、英特尔、赛灵思、德州仪器这样的芯片设计、研发、制造和销售公司来打造整个芯片行业的产业链 芯片行业的产业链非常长,不是靠几台光刻机和刻蚀机就能解决问题了,上、中、下游都有众多厂商在其中竞争搏杀,从这个意义上来讲,中国的芯片行业并非全面落后,但前路的确依旧艰辛,需要我们继续努力!!
中国拥有41个工业大类、207个工业中类、666个工业小类,是联合国认证的在全世界范围内唯一拥有完整工业门类的国家。
但是就是这样一个拥有全产业链的国家为什么还会被光刻机卡住脖子呢?
光刻机的原理
尽管光刻机的原理网上一搜到处都是,但这里我们试图用一些通俗易懂的概念来讲解光刻机的大致原理。
光刻机的主要用途是用来制造芯片。往往芯片的大小就如同人的指甲,就是在这小小的指甲片上集成着数十亿个元器件,说起来你的指甲片上附着的细菌都没这么多。
那么如此多的元器件是怎样集成在这么小的地方上的呢?一般来说,我们要制造某种东西都是先将组成这种东西的零件制造出来然后拼接起来,但对于芯片来说,世界上还没有能够将芯片上的元器件单独制造出来的工具,所以只能从整体出发。
芯片制造简单流程
光刻机正是沿用整体思路,但是要在这么小的地方“刻”出数十亿个元器件传统的方法肯定行不通,总不能用刀刻,用水洗出来元器件吧,所以“刻”出元器件的工具也非同寻常那就是“光”。以过去颇为流行的胶卷相机为例,胶片是黑色的而且不能见光,见光就会变白变得没什么用了,研制光刻机的工程师们也找到了遇到光线就很容易溶解的胶片,这种特殊胶片就是光刻胶。
举个例子,如果我们想在芯片上刻上去一个正方形,那么我们就用正方形的光线去照射涂抹光刻胶的芯片,光刻胶溶解的同时也会连带下面的硅层溶解,这样在经过后期的一些处理芯片上就会出现刻出来的正方形。而正常的光刻是数十亿个元器件一同进行的。
光刻示意图
但还有一个问题是这些芯片上的元器件不可能都是像方形、圆形这样的简单图形,总不能为此制造不同光线的发射器吧,光刻机的工程们又想到的了投影仪的原理,或者是中国古代传统的皮影戏,只要制作出了“剪影”,然后将“剪影”用光线投射到硅片上就可以了。
光刻机领域被卡在哪里?
中国被光刻机卡脖子这句话其实有些片面,我们并非不能制造出光刻机。
中国的上海微电子装备有限公司是世界上少数可以制造光刻机的公司,根据最新的消息,该公司已经成功研制出28nm制程的光刻机。
那么,光刻机既然能被制造出来那么它又被卡在哪里了呢?
总体来说,光刻机的镜头、光源、掩膜台等方方面面都受到一定的制约,但这不能全部归咎于中国产业链全而不强,因为世界经济贸易呈现全球化的特点,即使是光刻机的制造龙头荷兰的ASML,也是从全世界采购光刻机元件,最后进行组装。
荷兰ASML公司
而中国由于受到高科技设备进口的限制无法购买制造光刻机的高端器件,所以生产的光刻机大部分只能成为“备胎”或低端芯片的生产设备,大陆最大的芯片代工公司中芯也不得不花费数亿美元进口ASML,而且时不时面临延迟交货、断供的风险。
光刻机内部结构图
这里,我们以光刻机的配套材料光刻胶谈谈卡脖子问题。
美国的两个小弟,日本与韩国早就互看不顺眼,所以经济实力比较强的日本对韩国发动了经济制裁,禁止出口有关半导体的生产材料,虽然进出口名单中并不包含光刻胶,但显然也是制裁韩国的利器之一,原因无它,日本在光刻胶的生产上占据垄断地位,约占全世界80%的光刻胶份额。
世界光刻胶份额
光刻胶大致分为正光刻胶和负光刻胶,大致的成分多是以脂类的感光物质以及其他溶剂。光刻胶对于光刻机的重要性就如同胶片对于胶片相机,光刻胶质量不合格,就算是1nm制程的光刻机也不会有生产力。
光刻胶的制造难点不在于它的化学成分是什么,这些很多资料上都有,最重要的还是制造光刻胶的工艺流程,比如说制造出来的光刻胶其金属残留浓度要极低而这做到这一点不仅需要大量资金的投入还要不同学科科研人员以及工程师们共同的努力配合。
当然,中国也是可以制造光刻胶的,但是主要是应用在低端产业的(主要应用于印刷电路板),而半导体光刻胶(代表光刻胶最先进水平)、面板光刻胶在国内基本没什么份额,见下图。
国内光刻胶分布
目前,中国的光刻胶正在向LCD光刻胶即面板光刻胶发力,一些企业也逐渐采用国产化光刻胶,目前的国产化率虽然不高,约为10%但份额仍在有序上升,而半导体光刻胶国内正在进行攻关,一些半导体光刻胶如KrF光刻胶已经通过国内验证。
国产化光刻胶之路仍然路途迢迢,但是胜利的希望在不断扩大。
对于光刻机领域的常见误解
由于光刻机对于普通人就是高大上的存在,所以对于光刻机有很多的误解。
误解一:有了光刻机就能制造芯片。
这是很常见的误解之一。实际上,光刻机也只是制造芯片流程的一部分,或者说主要工具之一,其他的等离子刻蚀机、离子注入机、晶圆划片机等设备也是制造芯片缺一不可的设备。
除此之外制造工艺也是和设备等同重要的,如果制造工艺不合格不仅芯片生产不出来甚至还会导致设备损坏,就像台积电尽管设备是自己的,但使用了美国的技术依旧无法为华为代工,另外设备的维护也需要专业人员操作。
芯片生产过程
很遗憾的是,除了少数设备我们追平了国际先进水平,其他的仍然有一定差距,光刻机只不过是被推出来反思的工具而已。当然,光刻机的确是最重要的设备,而国外对我们的封锁也主要在这里。
误解二:关于光刻机的称呼问题
网络上包括一些新闻媒体用 xx 纳米光刻机来指代光刻机能制造什么级别的芯片,其实这是不严谨的说法,准确的说法应该是光刻机的xx纳米制程,或者xx纳米制程光刻机,这也体现了上面说的工艺流程的重要性。
光刻芯片
实际上,根本没有所谓的什么14nm光刻机、5nm光刻机,我们看到的也只是xx纳米的工艺研发成功而并非光刻机。
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