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高端芯片被西方国家垄断的背后,光刻机的研发才是难题

时间:2021-06-02 22:45:49来源:中国传动网

导语: 作为集成电路产业的核心装备,有人称光刻机为“人类最精密复杂的机器”,光刻机作为芯片制造中最重要的设备,又被称为“曝光机”,作为芯片制造的核心设备之一。其中光刻机就是利用紫外线波长的准分子激光通过模版去除晶圆表面的保护膜的设备,然后再将晶圆浸泡在腐化剂中,失去保护膜的部分被腐蚀掉后形成电路。

      作为集成电路产业的核心装备,有人称光刻机为“人类最精密复杂的机器”,光刻机作为芯片制造中最重要的设备,又被称为“曝光机”,作为芯片制造的核心设备之一。其中光刻机就是利用紫外线波长的准分子激光通过模版去除晶圆表面的保护膜的设备,然后再将晶圆浸泡在腐化剂中,失去保护膜的部分被腐蚀掉后形成电路。

  常用的光刻机是掩膜对准光刻,而一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀等工序。光刻机的好坏直接决定了可以制造什么级别工艺的芯片,由此可见其重要性。

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  而在今年,苹果三星与华为都已经开始准备研制新的5nm的手机芯片了。 现在无论是苹果的A14、高通的骁龙888芯片、还是三星Exynos 1080、麒麟9000等都代表着5nm芯片的业界最高水准。在5G以及移动领域可见,各厂商都在摩拳擦掌,5nm芯片看似以达极限,但未来芯片还将持续进步升级,乃至有更大的技术突破犹未可知,而其中的光刻机必定扮演着不可或缺的重要角色。

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  作为世界上最复杂的精密设备之一,事实上,除了芯片的生产,也有用于封装的光刻,或用于LED制造的投影光刻。目前,我国高端光刻机基本上都是从荷兰ASML进口。其实无论在高端芯片的制造还是设计上,芯片设计制造一条龙服务都被西方国家垄断了,我国的这些产业目前正处于受制于人的地步。

  光刻机全球格局

  目前全球光刻机的主要厂商有:ASML、尼康、佳能、欧泰克、上海微电子装备、SUSS、ABM, Inc.。高端的投影式光刻机可分为步进投影和扫描投影光刻机两种,分辨率通常七纳米至几微米之间,高端光刻机号称世界上最精密的仪器,世界上已有1.2亿美金一台的光刻机。

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    而高端光刻机堪称现代光学工业之花,其制造难度之大,全世界只有少数几家公司能够制造。这些主要以国外品牌荷兰ASML,日本Nikon和日本Canon三大品牌为主。

  而在此之前,全球光刻机制造龙头荷兰阿斯麦尔(ASML)公司总裁就放言说,就算把图纸公开出来,我们也永远仿造不出顶级的光刻机。

  其实ASML在世界同类产品中有90%的市占率,在10纳米节点以下几乎是有100%的市占率,几乎垄断了全球高端芯片制造核心。而他们公司的利润也在前几年达到了20-30亿欧元,其他同业竞争的对手基本已无力追赶,连美国也是望尘莫及。

  

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  而我国的光刻机研制还处于初级阶段,因光刻机使用了部分美国技术,很多时候成为了他国牵制我们的芯片发展的重要手段,不得不承认这就是现阶段的现实问题。

  那么为什么中国买不到高端光刻机?

  ASML公司目前是业内的龙头老大,英特尔、台积电和三星都是其股东。他们大力支持ASML,并在工厂派驻技术人员。英特尔和三星的14nm光刻机都是从ASML购买的。格罗方德、联电、中芯国际等晶圆厂的光刻机也都主要来自ASML。

  顶级光刻机售价非常高,一台高达1亿多美元,有人会说,光刻机我们买一台不就行了吗?对不起,中国即便有钱也买不到!

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  最主要的原因是被《瓦森纳协定》全称为《关于常规武器和两用物品及技术出口控制的瓦森纳协定》的限制,由美国、日本、英国、荷兰等40个成员国组成,限制向某些国家出口敏感产品和技术许可,而这个禁售名单就包括中国大陆。光刻机是高端技术的代表,也是芯片制造中不可缺少的设备。台积电是目前全球最大的芯片代工厂,也是阿斯麦公司的股东和最大合作伙伴,所以它能有先进的光刻机。其实不用说华为,连苹果也只能乖乖把芯片交给台积电去制造。光刻机采用大量美国技术标准,华为的高端芯片供应链被切断就是不争的事实。

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  而根据《瓦森纳协定》的规定,只有满足国外和成员国技术相差1.5代左右,才能有机会解除禁售名单。也就是说即便美国网开一面让我们买,我们花大价钱能买到的,也永远都是落后的、被淘汰的技术产品!

  世界上最先进的EUV光刻机

  对于10 nm节点的芯片,尼康和佳能也提供了类似的光刻设备,但是在芯片制造过程中,光刻无疑是最关键、最复杂、最耗时的一步。简而言之,光刻技术的原理是在硅片上覆盖一层高感光度的光刻胶,然后用紫外光通过掩模照射硅片。光刻胶在光照射下会发生化学反应。然后,用特定显影剂清洗曝光/未辐照的光刻胶,将电路图从掩模转移到硅片上。

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  光刻技术是芯片生产中的核心工序,它定义了晶体管的尺寸,占晶圆制造时间的40%-50%。光刻技术约占晶圆制造设备总投资的23%。考虑到光刻胶、光刻胶气体、掩模(掩模)、胶接开发设备等配套设施和材料的投入,整个光刻工艺成本约占芯片成本的三分之一。

  而当芯片进入到7nm内的工艺时,必须要用到EUV光刻机,即极紫外线光刻机,这种光刻机只有ASML能够制造。一台EUV光刻机的重量高达180吨,里面有10多万个零件,安装和调试就需要一年多的时间。

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  作为整机制造商,ASML其实只负责光刻机的研发设计和模块集成,除了这些还需要全面精细的上游产业链作为坚实的支撑。对于ASML的EUV光刻机来说,ASML公司的90%的关键设备来自世界各地。 ASML有5000多家供应商。其中,与产品相关的供应商,即直接用于生产光刻系统的材料、设备、零件和工具,包括790家供应商,约占ASML总支出的65%。

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  在一台尖端光刻机上你会看到全世界各国顶尖技术的荟萃:比如德国提供蔡司镜头技术设备,日本提供特殊复合材料,瑞典的工业精密机床技术,美国提供控制软件、电源等,还有其他数万个零件来自世界各地,目前世界任何一国都不具备制备高端光刻机所要求的全部顶尖技术、美国也不行。

  光刻机是高附加值产品,一台新的光刻机动辄3000至5000万美元。而研发周期长,投入资金也相当巨大。其实EUV光刻技术已接近物理学、材料科学和精密制造的极限。它的研发费用就超过了200亿欧,研发时间长达二十多年。可见,开发EUV的研发成本巨大、购买工具的成本巨大、而且使用和维护工具的成本巨大、因此,ASML在开发EUV工具方面确实冒了很大的风险。

  中国目前的光刻机发展

  我国的光刻技术还处于起步阶段。仅仅是实现光刻机国产化万里长征的一部分,距离打破ASML的技术垄断还有很长的路要走。目前,荷兰的ASML在光刻领域处于领先地位,占据了高达90%的市场份额,垄断了高端光刻机市场,现最高水准达到5nm精度。

  目前上海微电子设备有限公司可以生产90nm精度的光刻机,它也代表着我国光刻机的最高水平。中国也在此方面虽然有长期投入,但投入水平和不能和多国合作同日而语。光刻机的核心技术掌握目前看至少也需要二十多年,毕竟西方众国也花了几十年才做出来。

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  随着美国的制裁和禁售、我国光刻机的未来只有自主研发这唯一出路。ASML纵然能保持技术和市场领先地位,但是随着未来科技发展,技术更新突破、这些差距将会更快地被缩小。

  而目前而言,国内的高端芯片供应链渠道严重受制于国外,如何自主研发打通高端芯片研发制造一条龙这才是目前最大的难题。


标签: 芯片

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