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为何我们能造出核弹却造不出高端光刻机?

芯片被称为电子产品的心脏,承担着运算和存储的功能,更被誉为国家的“工业粮食”。指甲大小的手机芯片上就集成了10亿个晶体管。

为何我们能造出核弹却造不出高端光刻机?

一个国家制造芯片的技术,在某种程度上代表了该国的信息技术水平,也是综合科技实力的体现。

光刻机,这个生僻的工业制造设备名称,成为了网络热搜词:它和下一代工业革命的核心产品,芯片,关系密切。没有高精度的芯片,那些改变人类生活和经济的核心技术,如人工智能,虚拟现实(VR), 物联网,下一代无线通信,都不可能实现。

在下一次工业革命中,先进的芯片技术是决定一切的核心

可以说,光刻机之于我们这个时代,如同蒸汽机,发电机,以及计算机之于前三次工业革命一样重要,是衡量一国科技研发与工业水平的标杆。不少专家指出,我国制造先进水平光刻机的难度,堪比当年制造原子弹。

为何我们能造出核弹却造不出高端光刻机?

目前主流使用的光刻机主要分为两类,第一类就是DUV光刻机,第二类就是EUV光刻机。

目前全世界只有一家企业能造出最高端的EUV光刻机,那就是荷兰阿斯麦!

那么,首先让我们先来看,光刻机是什么?

光刻机,这台可以卖到上亿欧元的精密设备,是通过紫外光作为 " 画笔 ",把预先设计好的芯片电子线路书写到硅晶圆旋涂的光刻胶上,精度可以达到头发丝的千分之一。举个例子,华为海思成功设计开发了麒麟系列芯片,想要真正做成手机芯片,就需要台积电利用光刻工艺来进行代工制造。

光刻的原理和过程一般是这样的:首先制备出芯片电路图的掩膜版,然后在硅片上旋涂上光刻胶,利用紫外光源通过掩膜版照射到光刻胶上。经过对准曝光后,紫外光照射到区域的光刻胶会因为化学效应而发生变性,再通过显影作用将曝光的光刻胶去除,下一步采用干法刻蚀将芯片电路图传递到硅晶圆上。

为何我们能造出核弹却造不出高端光刻机?

光刻工艺直接决定了芯片中晶体管的尺寸和性能,是芯片生产中最为关键的过程。光刻机中的曝光光源决定了光刻工艺加工器件的线宽等特征尺寸,当前市场主流采用深紫外 ( DUV,193 nm ) 光源,最先进的是采用极紫外 ( EUV,13.5 nm ) 光源的的 EUV 光刻机。

现代光刻工艺一般包含硅晶圆的清洗烘干,光刻胶的旋涂烤胶,对准曝光,显影,刻蚀以及检测等多重工序。由于现代芯片的复杂性,生产过程往往需要经过几十次的光刻,耗时占据了芯片生产环节的一半,光刻成本也达到了生产成本的三分之一。

听完光刻原理和过程,你可能觉得这也没什么啊,一台光刻机怎么能比造原子弹还难啊?

要知道随着科技的发展,现代高端手机芯片中的晶体管达到上百亿个,华为 5nm 制程的麒麟 1020 芯片密度高达每平方毫米 1.7 亿个。这样的加工精度决定着光刻机是半导体制造过程中技术含量最高的设备,涉及到从紫外光源、光学镜头、精密运动和环境控制等多项世界各国顶级科技成就的运用。

为何我们能造出核弹却造不出高端光刻机?

光刻机被称为现代半导体行业皇冠上的明珠,现在单台 EUV 光刻机配件多达 10 万个,价格高达 1.2 亿美元。当前世界上光刻机市场的老大是荷兰的阿斯麦 ASML,占据了全球高端光刻机市场份额的 89%,剩下的被日本的尼康和佳能所瓜分。而 7 纳米以下的 EUV 光刻机市场则被阿斯麦完全垄断,把尼康和佳能等竞争对手踢出场外。

环顾世界,能造原子弹的国家已经很多,但高端的 EUV 光刻机,现在能制造的只有荷兰的阿斯麦公司。一方面,一台 EUV 光刻机 10 万配件,集结了全球顶级技术,不是一个国家的技术储备力量能够独立实现的。另一方面,光刻机毕竟只是生产工具,不像原子弹这样的国之重器,可以不计成本靠举国之力进行制造,光刻机只是芯片制造中的一个环节,还需要上下游产业链的支持,能造出来不稀奇,重要的是还能靠它赚钱。

为何我们能造出核弹却造不出高端光刻机?

我们主要说说EUV,EUV光刻,全称极紫外光刻(Extreme Ultra-violet),它是以波长为10-14纳米的极紫外光作为光源的光刻技术。

在光刻技术中,提升分辨率的途径主要有三个:一是增加光学系统数值孔径;二是减小曝光光源波长;三是优化系统。

EUV相较于DUV,把193nm波长的短波紫外线替换成了13.5nm的“极紫外线”,能够把光刻技术扩展到32nm以下的特征尺寸,在光刻精密图案方面自然更具优势,大大减少工艺步骤,提升良率。

那么EUV技术的难点到底在哪儿?1、光源产生难:

193nm紫外线的光子能量为6.4eV(电子伏特,能量单位),EUV的光子能量高达为91~93eV!这种能量的光子用一般的方法是射不出来的,激光器或灯泡都不行,它的生成方法光是听起来就非常变态,这需要将锡熔化成液态,然后一滴一滴地滴落,在滴落过程中用激光轰击锡珠,让其化为等离子态,才能释放“极紫外光”。这样的光源用久了就会在里面溅很多锡微粒,必须要定时清洁才行。

2、发光过程难:

EUV不仅能量高,对物质的影响也极其强大,它们可以被几乎任何原子吸收,所以传播路径必须是完全的真空。要想让EUV聚焦到合适的形状,只能用这种用6面凹面镜子组成的系统——EUV/X射线变焦系统(EUV /X-Ray focusing systems)。

为何我们能造出核弹却造不出高端光刻机?

3、有效功率转化率低:

可是就算是镜子,每一面镜子都会吸收30%的EUV,整个系统里有4个镜子用于发光系统,6个镜子用于聚焦系统。EUV光罩本身也是一个额外的镜子,形成了11次反射。这个过程中,只有大约2%的EUV来到了晶圆上。因为效率低,所以需要的功率也大幅上涨。ArF光源平均的功率为45W,而EUV的平均光源功率为500w!

4、成本太高:

最先进的EUV光刻机售价高达1亿欧元一台,是DUV光刻机价格2倍多,采购以后还需要多台747飞机才能运输整套系统。

5、环境要求高

EUV光刻机必须在超洁净环境中才能运行,一小点灰尘落到光罩上就会带来严重的良品率问题,并对材料技术、流程控制、缺陷检验等环节都提出了更高的要求。

6、极度耗电

最关键的是,EUV光刻机还极度耗电,它需要消耗电力把整个环境都抽成真空(避免灰尘),通过更高的功率也弥补自身能源转换效率低下的问题,设备运行后每小时就需要耗费至少150度的电力。

为何我们能造出核弹却造不出高端光刻机?

除此之外,次级电子对光刻胶的曝光、光化学反应释放气体、EUV对光罩的侵蚀等种种难题都要一一解决。这就导致很长时间里EUV的产量极低,甚至EUV的产量只有日均1500片。

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