光刻机的制造为什么这么难?

前言

我们现在手里拿的手机,工作中使用的电脑,家居生活中所用到的人工智能产品。

你知道里面最核心的东西是什么吗?

对,就是芯片。

光刻机的制造为什么这么难?

而光刻机又是芯片生产中必不可少的设备。

有同学肯定会问啦:光刻机是什么?它为什么这么重要?

别急,让我慢慢来告诉你

芯片制造

这里先来了解芯片是如何制造出来的?

如果想要制作一个芯片大概分这几个步骤:

第一就是我们要设计芯片电路图。

比如我们想要实现一个功能,那么如何实现?这就需要高级的人才把电路设计出来。

光刻机的制造为什么这么难?

第二就是制作。

芯片的制作流程是怎样的呢?

首先芯片的基板是由普通的沙子制成的,这个基板就叫做“硅晶圆”。

我们知道沙子的成分是二氧化硅。在制造这些晶圆的过程中,要将硅提纯并熔化,再从中拉出呈柱状的单晶硅晶棒,其产物是完美的硅晶格,之后晶体管将安置在上面。然后把它切片,切成很多片,变成硅片。

光刻机的制造为什么这么难?

然后就开始制作了。

首先在硅片上涂一层胶,也就是光刻胶,它的作用是可以感光。

下一步就是进行光刻。

光刻是什么意思? 简单说就是用光去照射它。

利用光刻技术将设计好的电路结构刻到晶圆上。之前说的光刻胶,它是对光敏感的。光一照它就会在硅片上反应,然后就在硅片上留下刻痕,但是光不是随便照。

这里我们的主角 光刻机要登场了。

光刻机的制造为什么这么难?

光刻机的原理其实就是一台大型照相机。紫外光把要雕刻的电路板通过凸透镜打在涂抹了光刻胶的硅晶圆上,将电路印在上面。

这里要提一下:

灰尘对晶体管的影响很大,所以晶圆制造环境必须是无尘的,真空环境。并且这种环境要比一般医院的手术室还要干净10万倍。

光刻机的制造为什么这么难?

因为即便空气中没有任何灰尘,气体分子本身也会影响紫外光成像。

作为光刻机核心部件的反射镜,其工艺调剂极其苛刻,瑕疵是用皮米来计算的。

什么是皮米?1皮米相当于1米的一万亿分之一。

拿我们熟悉的纳米来作比较:

假设一根头发的直径是0.05毫米,把它轴向平均剖成5万根,每根的厚度大约就是1纳米。也就是说,1纳米就是0.000001毫米,而1纳米是等于1000皮米。

光刻机必须把工程师绘制的电路板精确无误的投到硅晶圆上,不允许有丝毫误差,可见难度之高!

光刻机的制造为什么这么难?

之后在晶片上有很多微小的空隙注入离子,注入离子以后就会产生PN结,利用这个东西就会制造出上千万个元件。

第三就是封装。

这些工艺完成以后芯片的原型才形成,接着经过切割封装和插针等步骤以后芯片就生产出来了。

可以看得出来最难的是设计,其次是制作,最容易的是封装

光刻机

这里重点说说光刻机这个东西。

光刻机的制造为什么这么难?

在光刻机领域几乎垄断这个行业的霸主是一家荷兰的公司, 叫ASML,又叫阿斯麦,是一家专门生产光刻机的企业。

即使是晶圆代工国际大厂,比如我们知道的英特尔、AMD等等都需要向这家公司购买先进的光刻机才能完成芯片生产。

而且一台设备一亿美金,更重要的是,每年就卖几台。

那么为什么全世界只有荷兰的ASML才能制造顶级的光刻机呢?

ASML公司

这家公司可以说是世界上最顶尖的光刻机生产商,可以说是第一强,世界第二已经被远远甩在后面了。

他们掌握了现在最先进的EUV 极紫外光技术,这种光刻机已经能够制造7纳米以下制程的芯片了。再结合自己的封装技术, 也就是说可以算是“独孤求败”的境界了

这里给大家科普下:

什么是EUV极紫外光

紫外光源可以分为:可见光,紫外光 UV,深紫外光 DUV,极紫外光EUV。

越往下,它们的波长就越短。波长越短,就表示光刻的刀锋越锋利,对于精度控制要求也就越高

光刻机的制造为什么这么难?

当然了,ASML并不是白手起家的公司。而是从著名电子制造商飞利浦独立出来的一个公司,背后研发实力、经费实力一点也不差,可以说不缺钱。这家公司集中了无数资源和丰富的研发经验。

但是你想不到的是ASML的光刻机中超过90%的零件都是向外采购的,即使零件多数都是向外采购的,但是核心技术人家是有的。

其次独特的合作模式 也是ASML成功原因之一。

ASML有个奇特的规定就是只有投资ASML才能获得优先供货权,意思就是要求客户要先投资自己才行。这样的合作模式让ASML获得了大量的资金。

可以说大半个半导体行业都是ASML一家的合作伙伴,这样会发生什么呢?

这样会形成了庞大的利益共同体,就算是技术研发出现了失误,大家平摊风险就好了,各家也可以通过不同的资源来进行优化。

我国芯片发展历程

这里说下我国的芯片发展历程:

2000年台积电并购了世大积体电路,导致不少世大主管以及工程师出走上海。这些工程师就是现在“国家队”中芯国际半导体创始人,前CEO 张汝京。

2004年4月,中芯国际在海外注册创立。自此开启中国半导体舰队起航的蓝图。

光刻机的制造为什么这么难?

张汝京带领海外400人才大军,协助中国半导体从0到1,中国大陆晶圆代工产品从0到1 要归功于中芯国际创始人张汝京。在他的领导下,建立中国大陆第一座8寸晶圆厂。

光刻机的制造为什么这么难?

那么为什么这么多年过去,没有培养足够的本土化人才呢?

中国早期发展半导体是靠从美国德州仪器出身的张汝京对产业从0到1的贡献。但这期间高速发展,过度扩大产能以及效率不高的经营下,导致每一家半导体厂都陷入亏钱窘境。

而之后互联网产业兴起,在抢人才方面成为了集成电路产业一个强势竞争对手。

光刻机的制造为什么这么难?

互联网行业新鲜、有趣、又接近普通大众,看起来更是光鲜亮丽,对优秀人才极具有磁吸效应。

而半导体产业却不是这样的,要日夜轮班研发,生产线是24小时轮转。因为这完全代表了一个国家科技水平一分钟也不能耽误。

中国芯片业在加速技术换代,其中中芯国际更是大陆半导体的领头羊。它的最大目标是缩短与台积电、三星等之间的技术差距。

2019年 中芯国际完成14nm制程量产,同时 中芯国际以N+1制程 冲击7nm工艺。

光刻机的制造为什么这么难?

我们常说的7nm工艺 14nm工艺具体是什么含义呢?

其实说的是晶体管栅极的最小线宽。

栅极越窄,则芯片损耗越低,同时尺寸也越小。前面说的制程这个概念,其实就是栅极的大小,也可以称为栅长。

所以芯片界以栅极宽度命名芯片制程,但是栅极宽度并不代表一切。栅极之间的距离和内部连接间距也是决定性能的关键要素,这两个距离决定了单位面积内晶体管的数量,而这个才是最值得关注的指标。

中芯国际

从晶体管诞生之初,人类就千方百计的把它缩到最小。目前最顶尖的7nm工艺在物理上已经接近极限。

现在广泛使用的DUV又称深紫外光刻机,与之对应的EUV 称为级紫外线光刻机。

光刻机的制造为什么这么难?

中芯国际 14nm制程 就是用DUV造出来的,中芯国际的下一代N+1工艺和14nm相比性能提升了20%,功耗降低了57%,逻辑面积缩小了63%,SOC面积减少了55%。

而这已经是7nm的技术标准了。

7nm还是10mm已经不是那么重要了,并不是说栅极宽度不够小,芯片就不先进。重要的是在每平方毫米芯片上如何塞满1亿个晶体管。

中国这些年一直在同ASML公司谈判,目前中芯国际第一台从ASML采购的光刻机已经搬入厂内,为中国打开了高端芯片制造业的产业大门,为未来5nm制程产生了巨大的作用。

光刻机的制造为什么这么难?

芯片产业不仅需要大量的研发资金,还需要更多的人才,同时也需要先进的技术。

如果你只买回了机器,而没有掌握其中的技术路线,就等于买回来一堆废铁。

所以说对于芯片界来说,真正重要的还是行业顶尖的技术人才。

光刻机的制造为什么这么难?

好啦,今天的内容就到这里,如果你喜欢我们“52赫兹实验室”。

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