光刻机技术的难点是什么?中国有没有能造光刻机的企业?
中国光刻机现状及领域突破
中国半导体芯片长期以来一直靠进口为主,每年进口的集成电路设备及材料大约为15000亿左右,相当于我国每年的石油进口量甚至还要多。
众所周知,芯片制造技术是一项综合性很强的技术,不仅聚合了很多的半导体领域的尖端技术,而且还需要先进的半导体设备匹配和强大的相关技术的储备,才能打造出一条技术先进的芯片生产线。
因此没有先进的半导体技术和各种半导体设备,要想打造出一条芯片生产线可谓是难上加难。
近期中芯南方厂的首条14nm芯片生产线正式投产,良品率超预期达到了95%,这标志着中芯国际已经超越了台积电南京厂、格芯等厂商,杀进了格罗方德、联电、东芝、美光等芯片厂商的阵营,拿到了跻身于全球先进芯片代工厂行列的入场卷。
中芯国际14nm芯片的量产,不仅让中国半导体芯片的发展向前推进了一大步,而且也解除了华为14nm芯片供给的后顾之忧。
中芯国际的14nm先进芯片生产线的诞生,只是中国芯片万里长征迈出的一小步,后面还有更长、更远的路要走,因为我们的目标是星辰大海。
目前我国半导体行业面临最为严峻的为光刻机,虽然14nm已经基本实现量产,但在7nm甚至是5nm方面全部空白,而且生产14nm的光刻机也得从荷兰阿斯麦进口。
想知道光刻机的制造难点在哪里,还得从芯片的制造过程说起!芯片的制造的大概过程是:芯片设计,晶片制作,封装制作,测试。而最难的步骤就是晶片制作,这个过程就需要先进的光刻机了。但是呢,紫外光源又分为极紫外EUV,深紫外DUV,紫外UV,可见光。从上到下波长依次增大!由此可知,极紫外光EUV的波长最短,所以说使用极紫外光EUV做为“刻刀”的光刻机分辨率极高,所以才能有7nm,5nm制程的芯片出现。
而光刻机主要是由测量台,曝光台,激光器,光束矫正器,能量控制器,遮光器,能量探测器,掩膜台,物镜等组成。即便是阿斯麦制造的光刻机,也是采购德国的蔡司公司的镜头,美国Cymer公司的光源。可以这样说,阿斯麦制造的光刻机是集全世界的先进技术于一体。此外,对于一些特殊的接口,需要用极其精密的仪器打磨,调试上百万次。
首先来说,光刻机需要的镜头误差必须控制在纳米级别,而能够制造出这种镜头的国家是凤毛麟角,德国的蔡司公司就可以制造出这样的镜头。还有比较重要的光源发出器极紫外光EUV,这个晶体也是难以制造的。此外就是机械部分,驱动机械,转轴机械部分都需要极高的精细度,制造这些机械设备就需要超精密机床,而机床则掌握在德日等国的手中。还有就是整个控制系统软件的编写,这个难度也比较大。如何防止光刻区的产生电磁辐射等等。由此可知,想要一个公司,不依靠外援全部搞定以上这些超精密仪器,那难度可想而知。别说一个公司了,就算一个国家也难以搞定。毕竟光刻机涉及的领域太多了,50000多个超精密部件根本就不是一个国家所能解决的。
其实光刻机需要的光学镜头的制造难度就比较大,需要高质量的合成石英玻璃,别小看这块玻璃,制造这块玻璃需要去应力,去气泡条纹,提纯度等。另外就是超高球面型精度镜片的加工,必须要保证加工精度。
还有就是必须的发光晶体。事实上,关于KBBF晶体,我国则是领先世界的,估计是不缺乏这个部件的。那么,我国光刻机应该就是被像镜头,软件系统,机械部件拦住了。
而我国也具备制造光刻机的实力,只不过制程工艺不如阿斯麦的光刻机。我国是由上海微电子研制的14nm制程的光刻机,目前已经经过专家的验收和测试了。而武汉光电所已经研制出9nm制程的光刻机了,我国光刻机技术只会与国际先进水平越来越近,总有超越的一天。
光刻机技术的难点是什么?中国有没有能造光刻机的企业?精密的高端光刻机是现今集成度越来越高的芯片制造所需要的,比如7nm/5nm制程的芯片。然而对于我们来说现实有些残酷,虽然我们有企业可以制造中低端的光刻机,却制造不了像ASML这样我们所需要的7nm EUV高端光刻机、连购买也成为了问题,直到现在还在和ASML交涉前两年中芯国际花费巨额资金预定的一台光刻机。
目前我国能够生产中低端的光刻机,而且在中低端市场份额占据不小,并且生产的中低端芯片份额也算不小,最突出的就是上海微电子装备(集团)股份有限公司。但是生产如手机所需7nm、5nm这样的芯片,国内光刻机的制程差距就显得较大了,国内性能领先的光刻机是上海微电子SMEE仅达到90nm。而像ASML早已经进入7nm、5nm制程的光刻机。
所以国内芯片制造企业一直在竭力想要引进高端的光刻机,但这又被ASML所垄断。中芯国际早在两年前就花费1.5亿美元向ASML预定一天7nm EUV工艺的光刻机,本来预计2019年年初交货,却因为各种各样的原因被拖到现在,依然没有交货。通过国家层面的交涉,来自ASML最新的消息是:“未来ASML将会继续和中国合作,不管有没有销售许可证,ASML都希望能够继续向中国销售供应光刻机。”。也许中芯国际的这台高端光刻机将会很快到来,并且华虹半导体也有望获得高端光刻机。
为何ASML会如此忸怩作态不愿及时交付7nm的光刻机呢?一个是源于ASML受西方针对我们泡制的《瓦森纳协定》控制,对我国实行高科技的限制性封锁。也就是说,如中国在某一领域有所进展,则相关技术解禁一层。比如我们有90nm的光刻机,ASML就只对我们开放75nm的光刻机。另一个缘于美国的打压,也就是现目前如果ASML光刻机中美国的技术占据25%,那么ASML就要受到美国的管制而不能出口。
光刻机的技术特别是其零部件技术和产品,具有相当的高难度。其组成的3万多个部件都要相当可靠才行,这其中有很多的技术难点需要解决,比如能量控制器、透光器、掩膜版、激光器等等。比如:曝光系统,需要频率稳定能量均匀的光源,但这个光源我们自己造不了但又从外部得不到,这个光源被美国的极紫外光龙头公司Cymer所掌握(后来被ASML收购);又比如为了保证光通过物镜不变形而所需的要求极高的镜头被德国蔡司所掌握;还有轴承、阀件等等,这些精密的部件都需要依靠国外进口而得来,但却被别人禁运,我们制造的部件又达不到如此精密。
光刻的原理是通过在硅片上涂沫光刻胶,再经过紫外光透过掩摸照射光刻胶,Mask上印着预先设计好的IC电路图案,光刻过程中曝光在紫外光线下的光刻胶被溶解掉,清除后,留下的图案与mask上的一致。再用化学溶剂溶解掉暴露出来的晶圆部分,剩下的光刻胶保护着不应该蚀刻的部分。蚀刻完成后,清除全部光刻胶,露出一个个凹槽。当然了,这些工序还远远未结束,还需要掺杂填充金属物质作为导线,需要反复再多做几层结构,做好并校验与掩模一致后,才能切割和封装。
可以说中间经历的所有过程都是纳米级的过程,以我国现有的工业装备和精密度制造行业来看还相差太远,这不是短短几年就能突破的问题,保守估计再有30年未必可知,荷兰的AMSL公司是世界上光刻机制造最先进的企业,其应用的极紫外光光刻技术成为了现在光刻机的主流技术。
其中应用的EVU软X光,在船头物质的过程中需要超级强的光源,想要创造出这种超级强的光源是非常有难度的,因为散射光源连空气都能吸收,因此机器内部就必须要做成真空状态,传统的光刻机想要实现这个超强光源,避免光纤被吸收只能通过反射镜将光源再集中,有的光刻机光反射镜都需要几顿的重量才可以实现,而EUV对光的集中度要求是非常高的,反射的要求是长30CM起伏不到0.2nm,这相当远几千公里的铁轨起伏不能超过几毫米,可想而知这个精度有多吓人,而我国在精密仪器制造方面的确差距甚远,这个路还要很多年才能实现。
包括前阶段所说的我国9nm样机问世的这种消息,其实真实的请款是9nm分辨率是真实的,但是对国内光刻机的研发贡献非常有限,因为从实验室理论实现到量产设备的研发成功相差实在太远。实现高分辨率光刻和是否可以应用于芯片制造又有很大差异,很多实验室所能实现的超分辨率都是完全规则的图案,也就是说实现的分辨率都是横平竖直的样子,但是大部分的电路其实都想我们普通看到的电路那样弯弯曲曲的,因此现阶段我国的各种技术突破大都停留在实验室阶段,想要应用到实际生产制造方面真的还不行。
另外,在光刻机系统中,除了光学系统以外,还有大量的机械运动系统,测量系统,控制系统等等,因此就算是光学系统上突破,和ASML的差距依然还是十分巨大的,因此光刻机的制造困难远远不是我们自己想想的那样,其中富含的技术难点和突破点还有待于我国科学家去研究、去突破。
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