光刻机制造瓶颈在哪里?
光刻机毫不夸张的可以说是世界工业体系百年积累的结晶,整个机器需要三万余个零件,每一个零件都不能有丝毫偏差,一丝一毫的偏差都不能使千万的电路一丝不乱,毫无偏差的分布在指甲盖大小的芯片上面,我国在上面要走的路还很长。
瓶颈一 巨额的资金
这是目前制约我国光刻机发展的主要原因,近两年虽然国家清楚的认识到了半导体对一个行业对一个国家的重要性,并且大力投入资金,扶持了一大批企业,这些资金也只能解一时之急,光刻机龙头企业ASML每年在光刻机上面的投入是以百亿人民币为单位,这是目前我国半导体企业达不到的。
瓶颈二 顶尖的零件
ASML作为世界工业体系的积累结晶,每一个零件每一项技术都是最顶尖的,他的镜片来自德国蔡司,每一块都不能有丝毫偏差,这是数十年的技术积淀,其光源来自美国极紫外光龙头cymer公司(已被ASML收购),这家公司是euv领域的领头羊,在机器组装方面选择了三星和台湾代工,所有方面ASML都在选用最好的东西,这是国内无法比拟的。
瓶颈三 人才的匮乏
仅仅是资金的投入和优秀的零件都不是最重要的,最重要的还是人才的匮乏,没有自己的技术和人才,就算把图纸摆在我们面前我们也做不出来,所有当前最重要的事情就是培养人才,进行人才的积累,这个行业要用长远的眼光看待,而不是几个月的事情。
有些东西是不能靠别人施舍来的,还是得靠自己,除了上面的一些瓶颈,还有一些不能说的东西,不过相信在中华民族坚持不懈自强不息的民族精神之下,这些都是时间问题,加油我的国。
制造光刻机最大的瓶颈只有三个“光源+镜头+掩膜台”,搞定了这三个瓶颈之后,剩余的小瓶颈就靠精加工实力了。由此可知,光刻机的研发涉及的领域太多太多了,基本上就是精加工,也只有强大的工业化国家才具有生产制造先进光刻机部件的能力。
光刻机的研制难点之一:光源
与早已面世的DUV光刻机的Arf准分子光源不同。EUV光刻机的光源是波长为13.5纳米的EUV光源。该光源必须具有“功率大,控制精准”的特点。就以Cymer公司为ASML研发的极紫外光源为例,该光源波长为13.5纳米,经过收集后的功率为250W。该光源产生的二氧化碳激光必须要精准的打击到由发射装置发射出每秒高达5万滴的纯锡滴靶上面。另外,每一滴锡滴靶的直径为30微米,锡滴被蒸发后还不能污染反光镜。由于EUV光源的波长极短,在大气中也能够被吸收,所以光所走的路径要被制造成真空的。所以说,EUV光源的难点就在于大功率和精准控制上。
光刻机的研发难点之二:镜头
由于EUV的光源太短,除了会被空气吸收之外,还会被玻璃吸收。这也是EUV光刻机不能使用玻璃透镜,而必须使用反光镜的根本原因。前面也说了,玻璃会吸收EUV光波,所以反光镜的镜面不能使用玻璃,而用的是钼和硅制成的特殊膜镀到反光镜镜面上才有效果。另外普通的镜面也达不到反射所有光波的效果,这里就用到布拉格反射器了。还有就是,要求反光镜的镜面凸起幅度不能超过0.3纳米,而镜面的直径为30 厘米。这种难度可以想象以下,基本上就相当于京沪线的轨道起伏不超过1毫米,所以对光学加工技术要求极高,世界上能够制造出这样镜头的国家太少太少了。虽然,布拉格反射器的反射效率极高,但是美经过一次反射,都要损失十分之三的能量,而ASML的光刻机中有11个反光镜,也就是说光源要经过11次反射才能到达晶圆。这其中损失的能量可就不小了,最终基本就剩余2%的光线了。这也是对光源导弹功率要求较大的原因之一。
光刻机的研发难点之三:掩膜台
掩膜台的作用就是就是承载掩膜版运动的部件,它的运动精度是纳米级别的。基本上掩膜台的运动人眼根本就看不出来,毕竟是纳米级别的。要用什么样的控制设备才能使掩膜台的运动为在纳米级别是一个难题。所以说,最终又回到精加工领域了。
光刻机中比较重要的除了光源,镜头,掩膜台之外,还有就是双工件台了,一个工件台用于制造芯片,另一个则用来测量,为下一个晶圆做基础。其他就是轴承之类对加工精度要求极高的部件了。总而言之,光刻机是集世界技术和精加工于一体的设备,制造难度极大。
答:光刻机作为晶圆加工的关键设备,其核心技术一直被国外垄断,荷兰的ASML掌握着这个行业的尖端市场,ASML的EUV已经达到10nm,我国中芯国际自主研发的光刻机还在90nm,所以差距还是很大的。
其瓶颈有以下几点总结:
这也是最关键的一环,钱能解决的问题都不是问题,问题是这一环不是钱能解决的。
在上世纪末,集成电路技术刚起步,我国的起步还不错,至少没有落后太多;但是三十四年过去了,国外已经积累了大量的技术经验和人才储备,但是我们国家在这方面却落后了很多。
其中原因是多方面,该领域人才的重视程度、国家的扶持,国内环境等等。
当然,目前国家已经注视这个行业的重要性,不过人才的积累真不是几年就能起来的,比如外国的专家就成说过:就算给我们全套的图纸,我们也制造不出来。
光刻机是一个极为复杂的设备,其中数万个机械零件都需要尖端技术,比如:镜头。
这是光刻机的关键零件之一,ASML的镜头来自德国蔡司,了解镜头领域的人,应该清楚蔡司的镜头制作水平。
巨大的资金,专业的人才,高精尖的技术,都奇缺无比,中国光刻机的水平真是连人家的尾气都吃不到。我们从钱、人、技术三个方面都说一下。
一台先进的光刻机能有5万多个零件,设计生产并不容易,光刻机的原理并不难,看下图就知道了,难点是里面的每一步都要求最先进的工艺和零件。
光源和镜片都是很核心的东西,光源提供者Cymer是世界领先的准分子激光源提供商,现在被ASML收购了。光源很复杂,说一下大家熟悉一些的镜片,ASML的镜片是蔡司提供的,这个反射镜要求多高呢?瑕疵大小仅能以皮米(纳米的千分之一)计。ASML总裁暨CEO温彼得(Peter Wennink)曾经形象的表示,如果反射镜面积有整个德国大,最高的突起处不能高于一公分高。这样的工艺,佳能和尼康都放弃了。
有顶级的镜头和光源,没极致的机械精度,也是白搭。光刻机里有两个同步运动的工件台,一个载底片,一个载胶片。两者需始终同步,误差在2纳米以下。两个工作台由静到动,加速度跟导弹发射差不多。SMEE(中国生产光刻机的上海微电子)总经理贺荣明说:“相当于两架大飞机从起飞到降落,始终齐头并进。一架飞机上伸出一把刀,在另一架飞机的米粒上刻字,不能刻坏了。”
半导体行业是资金密集型企业,产业链的各个环节都是如此。截至2016年年底,国家集成电路产业投资基金股份有限公司"大基金"两年多来共决策投资43个项目,累计项目承诺投资额818亿元,实际出资超过560亿元。涉及半导体的设计、制造、封装等各个环节,看着很多吧。我们看一下生产光刻机的ASML在2017年一年的研发费用投入——12.6亿欧元,约合人民币97亿!你想追赶?800亿全投到这上面也不行,因为还有很多核心的核心零部件做不出来,比如上面说的反射镜。佳能和尼康最后竞争失败很大程度上是因为投入资金过于巨大,而ASML在2012年为了解决资金的问题让Intel、三星、台积电入股。
ASML的光刻机可以说是西方智慧或者说是人类这几十年来的只会的结晶,是最尖端的光学、材料学、机械等的结合体,即便ASML生产光刻机,还有超过80%的零件是向外采购的,ASML称之为『开放式创新』(open innovation)。