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制造芯片就如在一粒米上写下整部《红楼梦

发布时间:2022-04-24 03:54:45 来源:欧宝手机注册 作者:欧宝官方网址下载

 

  在一粒米上写下整本《红楼梦》,这并非什么遥不可及的难事,只要我们拥有一台光刻机!

  事实上远比在一粒米上写出整部书更难的事,是如何选择并获得当今世界功能最强大的光刻机。

  阿斯麦是目前全球最大的光刻机生产商,在中高端光刻机市场,阿斯麦公司占据大约60%的市场份额;而在最高端的光刻机市场,阿斯麦公司大约占据90%的市场份额。阿斯麦的主要竞争对手是来自日本的尼康,尼康光刻机的主要优势在于相对较低的价格。

  要说到最近很热门的中兴通讯被美国禁运芯片事件,其实仔细分析一下就可以发现,芯片制造最重要的设备是光刻机。

  关于光刻机的故事还可以从一家著名的荷兰公司说起,那就是位于总部阿姆斯特丹的荷兰皇家飞利浦电子集团。

  飞利浦是一家 “百年老店”,它的核心业务聚焦于医疗设备 、照明和家庭电器三大领域。飞利浦的节能灯、冰箱与剃须刀,可能是大家都听说过的,但从飞利浦公司还诞生了一家芯片行业谁都不敢得罪的巨头公司——那就是老百姓都不是很熟悉的阿斯麦公司。

  阿斯麦公司原来是飞利浦的一个设备部门,后来独立为一家以生产光刻机为主要业务的高科技公司。它成立于1984年,总部在荷兰的埃因霍温。

  “阿斯麦”是在股票市场上的简称(1995年,阿斯麦在美国NASDAQ证券交易所和阿姆斯特丹交易所上市),其实这个公司名叫Advanced Semiconductor Material Lithography Holding N.V(先进半导体材料光刻控股公司),把这几个英文单词的第一个字母联起来就是ASML。

  飞利浦公司是阿斯麦公司的大股东。飞利浦与阿斯麦同时也是中国台湾的芯片代工企业台积电的重要股东。所以,从这里可以看出,台积电与阿斯麦在股权结构上有深刻的联系。这也可以解释为什么阿斯麦不是自己生产芯片来赚钱,因为台积电帮它赚了呀。

  在芯片的生产过程中,必须要用到一些仪器设备,其中最重要的设备就是光刻机。

  因为芯片从本质上来讲是生长在硅片上的微型电路。这一行业一直以来被魔幻的摩尔定律所指引,自1965 年起,能放置在集成电路上的晶体管数量每年都翻一倍,芯片上的电子线路的刻线也将越来越细。

  那么,如何才能在硅片上把微型的电子元器件画上去呢?这就好像我们想要在一粒大米上雕刻上整本《红楼梦》,这需要用到光刻机等高端精密仪器。光刻的过程总体来说是用高能量的光子在硅片上扫射的过程,这看起来有点像用针给一个人“纹身”,光子的作用就好像是一根针。所以光刻机首先需要用到光,但并不是任何光都可以进行光刻——波长越短的光,刻出来的刻痕越小——而紫颜色的光比红颜色的光波长更短,因此一般用紫光或者紫外线来做光刻机的“纹身针”。

  光刻这个工艺一般的做法是先在硅片表面涂上均匀的光刻胶,然后将掩模版上的图形放在光刻胶上,接着用光刻机的光进行扫射,这样电子元器件器件或电路结构就会被“复制”到硅片上了。

  对于大多数人来说,光刻机或许是一个陌生的名词,但它却是制造大规模集成电路的核心装备——它是芯片工业的母机——这也是我们的装备制造业还没有达到世界一流水平的地方。

  在每颗芯片诞生之初,是都需要经过光刻工艺的。换个角度来说,光刻机其实是把电子工程师的设计思想‘印入’硅材料的一种必要装备——按照科幻小说《三体》来比喻,光刻机可以看成是一种打印思想钢印的高级机器,它能把思想变成为实物。

  阿斯麦的光刻机按照使用的光源不同,可以分为DUV光刻机和EUV光刻机。DUV是Deep Ultra Violet的缩写,翻译成中文就是“深紫外光”;而EUV是Extreme Ultra Violet的缩写,翻译成中文就是“极深紫外光”。

  据《互联网周刊》了解,DUV光刻机的极限工艺节点是28纳米,要想实现比28纳米更细的芯片制程,就只能使用EUV光刻机了,目前阿斯麦的EUV光刻机能做到的最小芯片制程是7纳米——这已经是当前世界的最高水平了。

  紫外光的光源一般是激光器,比如2013年阿斯麦的EUV光刻机研发成功,当时使用的光源是波长为193纳米的准分子ArF激光,使用这种激光光源的光刻机使得硅片晶园的加工工艺能达到22纳米左右。当然了,如果换成波长更短的13.5纳米紫外线纳米的芯片制程。

  阿斯麦的光刻机所用到的激光器也不是它自己生产的。在早期,阿斯麦用的激光器光源是美国Cymer公司制造的(2012年10月为了加快EUV光刻机的研发进度,阿斯麦宣布收购Cymer公司)。后来,德国亚琛的XTREME technologies公司,也为阿斯麦公司研制EUV极端紫外光刻机提供13.5纳米波长的极端紫外光源(这种激光光源的功率很大,大概在200瓦特左右,这可以实现大致相当于4万个激光笔同时打开以后的光功率)。

  除了激光器光源,阿斯麦的光刻机还用到了很多光学镜头,这些镜头多数依靠德国蔡司的光学技术。而且整台光刻机的核心的机械零部件也来自美国和德国,从这个意义上来说,阿斯麦是一家科学仪器的系统集成商。

  阿斯麦最先进的EUV光刻机可以达到7nm的工艺精度,这是最先进的光刻机。但这种最先进的设备在中国大陆是“禁运”的(受西方《瓦森纳协议》的限制,中国大陆厂商只能买到阿斯麦的中低端产品,出价再高,也无法在第一时间购得最先进的光刻机)。

  所以直到现在,我国大陆还没有任何一家芯片企业可以获得阿斯麦的EUV光刻机用于生产。

  但因为阿斯麦是台积电的股东,所以它生产出来的最先进的光刻机,会在第一时间供货给台积电。这种模式也使得台湾地区在芯片制造技术的源头上会领先一些,这里面有一个技术革新的时间差是短期内无法克服的。

  据《互联网周刊》所了解,平均每台EUV光刻机的价格超过1亿美元。2017年,阿斯麦的EUV光刻机全年出货量仅为12台;2018年全年可望增加至20台,但能发货到中国大陆地区的订单被压到2019年以后。

  2017年10月,阿斯麦中国区总裁金泳璇在接受媒体(DIGITIMES)采访时说:“阿斯麦对中国大陆芯片加工厂与国际客户一视同仁,只要客户下单,EUV光刻机进口到中国大陆完全没有任何问题,在交期方面,所有客户也都完全一致,从下单到正式交货,均为21个月。”不过,金泳璇的表态也只在理论上成立,从实际操作上却存在一定的问题,因为股权结构上存在的利益关系(阿斯麦公司有一个非常奇特的规定,只有投资阿斯麦公司,才能够获得优先供货权。这样的投资合作模式使得阿斯麦获得了大量的资金,包括英特尔、三星、台积电、海力士都在阿斯麦中有相当可观的股份,因此也形成了庞大的利益共同体),另外也受到了《瓦森纳协议》的影响,中国大陆实际上很难在第一时间获得阿斯麦的技术最为领先的光刻机产品。

  据《互联网周刊》了解,2017年来自中国大陆的芯片加工公司中芯国际与阿斯麦公司签订了7纳米工艺制程的EUV光刻机订单,到2019年,大陆首台EUV光刻机可望落地中芯国际。

  从这里也可以折射出阿斯麦公司在光刻机市场上的垄断性行业地位。目前,位于中国武汉的长江存储等芯片设计制造公司也还没有EUV光刻机,它们现在使用的是阿斯麦DUV光刻机进行存储芯片的制造。

  为了摆脱《瓦森纳协议》对中国的半导体行业造成的技术压制,缩短与国际先进芯片设备的技术革新时间差。中科院微电子研究所与上海微电子等单位正在积极研制中国自己的光刻机。

  在上海微电子公司总经理贺荣明看来,光刻机是把世界做“小”的装备,是微纳制造的工业母机——因为无论是手机、电脑、电视,它们的电子终端都离不开芯片。如果没有“中国光刻机”,那么制造“中国芯”也就无从谈起,可以说,谁掌握了光刻技术,谁就拥有了芯片产业未来发展的掌控权。

  但是,制造一台光刻机并不容易,一台光刻机有上万个零件,要在电脑程序控制下进行复杂协调的联动,运动精度误差不得超过一根头发丝的千分之一。

  在目前光刻机的市场上,除了日本的尼康,上海微电子成为来自中国的代表性品牌之一。

  但是,中国完全自主生产的光刻机只有90纳米的工艺制程,离阿斯麦EUV光刻机最好的指标——7纳米工艺制程还有一个数量级的距离。

  当然,中国也不用妄自菲薄,目前中国精密激光已经进行取得很大进展——用于空间引力波探测的激光器正在研究,这在未来也可以投入到光刻机等行业中。而中国在精密机械部分定位上也已经突破,目前能做到的最好定位精度达到2纳米。

  另外一方面也值得注意,其实,在目前这个时代,摩尔定律其实已经开始失效,因为比7纳米更小刻线的光刻机的制造越来越难, EUV光刻机虽然代表了阿斯麦公司的技术一流的地位,但芯片刻线越细,量子力学效应越明显。在未来,传统的光刻机已经不受摩尔定律的左右,具有更小波长的X射线同步辐射与电子束刻蚀机才是未来发展的方向——在这方面,中国已经布局了上海光源等同步辐射光源,在国际上处于一流的领先地位。从芯片的角度来说,则量子计算机才是未来的发展方向,中国科技大学的潘建伟研究组等在这方面也已经取得国际一流的成绩。

  中国应该在科学技术上奋起直追,但也要把握在其他相关替代方向上弯道超车的机会。而且,我们必须承认,在自由贸易的表面下,实际上高技术市场并非是没有壁垒的,中国这样的大国,应该追求完备的工业体系,在市场化的前提下进入全球化分工,同时积极探索高科技创新的有效模式。这也是中兴事件与阿斯麦公司的故事给我们国家的教训。

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