爲什麼說光刻機難以製作?

龍城瀟瀟生


光刻機,

關鍵是精度,精細度。粗放原理中國也會,但想進一步做精細就要真功夫了。

其實破解光刻機難題,有幾大塊,

讓我們一起分析。

1是芯片電路設計,

2是算法引導的電路改良(漢語拼音邏輯編程推動的算法電路改良

3是光路原理設計

4是光源設計

5是平臺臺架設計和材料

5是底片

6是硅晶片

7是客戶市場生態

也許還有8,9,10,11…

芯片電路,說白了就是與門,或門,非門,並聯,串聯,串並變聯

做出一些功能電路小單元,再依照軟件編程函數邏輯的需要,聯接成集成電路,再不斷地縮印,排列,縮印,排列,最後把數億個小單元集成刻印在一小塊硅晶片上,

在這個大流程中每一個環節的革新與進步,都會大大推動最後芯片的水準。

水準包括算力和算效,體積,能耗,壽命,生產成本,使用成本。

算力與算效是兩碼事兒

算一萬次1+1是算力,得出等於1萬是算效。

人類算100X100其實頭腦中只算了幾次。而計算機暴力運算了上萬次

人類計算2^(100^100)其實沒算多少次。

計算LogaN其實也沒算幾次。如果以計算機暴力運算算出的乘法表,對數表,函數表,平方表,開方表,做成數據庫,

矩陣數據庫,

計算機的機器運算就可以大大簡化,同等算力下,算效翻翻。

因為實際電路層面的物理行為少了,速度會大大提高,能耗會大大降低,散熱設備也會減負。

如果一種函數名,配置一個專屬數據庫(小矩陣數據庫),那巨量運算就簡化成了簡單讀取。

這樣設計出來的芯片電路算效翻翻,而算力佔用不大。能耗也低。

再說光源光路設計。激光聚焦焦點要清晰,光源頻率,波長,要穩定,波長要更短,光刀才細,

焦距要長短(深淺)合適,位置才準,能量不能太低,也不能過高,過高會把底片燒胡,

其實底片不一定非要比芯片更細少,可以用光路縮刻,7nm的芯片5nm的芯片,並不需要非得7nm的底片。

光路設計合理,20nm的底片一樣可以縮刻5nm的芯片。

所以芯片技術雖難,但卻是個唬人的難度。為的就是技術壟斷。這座高不可攀的高山根本三分之二是假的。只有三分之一的難度是真的。

再說設備材料。

設備的精度不僅取決於設計,加工精度,也取決於材料,

鏡頭的材質,機床鋼材的材質,膨脹率,內部變形應力,都會影響光刻機精度。

同樣的設計,同樣的車工,新鋼材應力未褪,加工出來的機床架精度會因變形而失準。放置經年的老鋼材,慢加工,應力變形就可基本消除。

同樣的優質機床鋼,多存幾份,存放一兩年,放成老料,再做光刻機,精度就上去了。

再說市場生態圈,這個與技術無關,是商業佈局的問題。

其實中國有的是硅晶片,這需要的是耐心。可以先幹短線的設計,耐心等待材料應力,心急吃不了熱豆腐。

對於光學顯微鏡調焦距,鏡筒大一點圓周度分更細,焦距也更細緻。

別太死心眼。


AUTUYT


你可以把光刻機想象成一臺巨大的照相機,它的作用是把一套非常複雜、有著幾十億條線路的圖像給拍攝到一張非常小的底片上。

光刻機對晶圓的光刻是芯片生產中最複雜、最關鍵、耗時最長、成本最高的步驟,其原理圖如下圖所示,簡單來說,你需要光源、被照射的物體【掩膜】、透鏡、底片【晶圓】。

先說光刻機的光源。

現在最先進的光源是極紫外光光源,要知道這個光源可不是隨便誰那個手電筒一照就算是光源了,而是要求這束光有很高的能量,並且還要求光源頻率穩定、能量均勻、平行度高,等等,所以需要及其複雜的結構來產生、調整光源,產生的光需要經過光束矯正器、能量控制器、光束形狀設置、遮光器等一系列的機構。下圖就是光刻機裡面最先進的能夠產生極紫外光的光源了,其複雜程度可見一斑。

再說光刻機的掩膜。

這部分系統由掩膜版和掩膜臺組成。

掩膜版就是承載著芯片線路設計圖的玻璃板,能夠把這麼複雜的電路給縮小到玻璃中,難度可想而知有多高。現在市場上的報價貴的要幾十萬美元。

而掩膜臺是安放掩膜版的地方,這可不是隨便找個地方把掩膜版一放就行的。就好像人在拍照的時候不能亂動,不然很容易拍糊了一樣,掩膜版的位置必須要十分精確。為了保證掩膜版的位置及其精確,需要一整套複雜的系統來控制它的運動,保證達到納米級的精度。

光刻機的透鏡系統【實際上叫做物鏡】

所有搞攝影的人都知道,相機不貴,貴的是鏡頭。而為了保證成像的光能夠在傳播過程中不發生變形,光刻機的“鏡頭”可是個複雜的大傢伙,是由世界上最頂級的光學儀器製造商蔡司負責設計製造的。

下圖就是光刻機的透鏡系統,這龐大的體積、中間層層疊疊的鏡片,是不是相比之下,什麼“大三元”鏡頭都弱爆了?

然後是量臺和曝光臺——這是放置晶圓的地方。

這塊地方也是需要精確的運動控制的,而且像ASML生產的光刻機可以在一片晶圓曝光的時候,檢測另一片晶圓,所以效率非常高。

最後是減振器。

因為光刻的過程,對光線的精度控制要在納米級,所以工作臺即便是最微小的振動對於光刻來說都是致命性的。因此整個光刻系統都是放置在一個減振器上,這個減振器可以把外界的振動降到最低。


從上面的介紹可以看出,光刻的每一個步驟、每一個零件對於人類科技來說都是巨大的挑戰,對光學、材料、控制、電子、機械、化學等等學科的要求都是極高的,而要把這所有的科學技術集中到這麼一臺機器上,其難度可想而知。

如下圖所示,就是ASML的光刻機,這樣的光刻機一臺就要一億美元,而且就是這麼貴的價格還不是你想買就能買到的。

所以說,光刻機的設計生產真的是難上加難,中國在這方面的發展還遠遠趕不上世界先進水平,還需要繼續努力!


SilentTurbine


光刻機是芯片製造中必不可少的精密設備。其難度甚至超過航空發動機。

首先是在技術上的難度:

光刻機可以說每個部件都是科技含量很高,步步困難重重。

瓶頸主要集中在透鏡、掩膜版、光源、能量控制器等。

下面簡單單介紹光刻機的結構和工作原理:

光刻機的光源有:激光,紫外光、深紫外光、極紫外光。現在最先進技術是極紫外光。

下圖是以激光為光源的光刻機簡易工作原理圖:


在製造芯片時,首先在晶圓(硅晶片)表面塗光感膠,再用光線透過掩模版(相當於芯片電路圖紙的底片)照射硅片表面,被光線照射到的光感膠會發生反應。此後用特定溶劑洗去被照射或者未被照射的膠,電路圖就印到硅片上。

此過程相當於木匠施工用墨斗放樣、劃線。

硅片上有了電路圖的圖樣後,就輪到刻蝕機登場,刻蝕機相當於木匠的鋸子、斧頭、鑿子、刨子。刻蝕機按圖施工,在硅片表面雕刻出晶體管和電路。

芯片主要是精度要求高。納米精度是什麼概念呢?是我們肉眼無法分辨的,大概相當於一根頭髮絲的5000分之一納米細小。

光刻機幾個關鍵部件:

光源:必須穩定、高質量地提供指定波長的光束。

能量控制器:就是電源。電源要穩定、功率要足夠大,否則光源發生器沒辦法穩定工作。大、穩、同時要考慮經濟性能。耗電太高,客戶就用不起。

掩膜版:通俗點理解,相當於過去用膠片沖洗照片時的底片。底片如果精度不夠,是洗不出來高精度照片的。光刻機施工前,要根據設計好的芯片電路圖製作掩膜板。掩膜板材質是石英玻璃,玻璃上有金屬鉻和感光膠。通過激光在金屬鉻上繪製電路圖。精度要求非常高。

透鏡:用透鏡的光學原理,將掩膜版上的電路圖按比例縮小,再用光源映射的硅片上。光在多次投射中會產生光學誤差。要控制這個誤差。精度要求很高。

就是測量臺移動的控制器,也是納米級精度,要求超高。

荷蘭的ASML公司壟斷了高端光刻機。但其透鏡來自德國的蔡司,自己也做不了。光源是美國的Cymer。所以說它也不是完全技術獨立。主要是技術難度太大。

其次是資金上的困難:

光刻機由於技術難度大,研發資金投入巨大,以至於佳能和索尼都虧損嚴重,已經停止研發,退出未來技術的競爭。

荷蘭的ASML,為了籌集資金,同時也是進行上下游利益捆綁,研發風險共擔,邀請英特爾、三星和臺積電出資,做自己的大股東。ASML實際上是美、日、韓、德等共同投資的項目,資金充裕。

中國也在此方面有長期投入,但投入水平和不能和多國合作同日而語。中國有相對寬裕的研發資金,也才是最近7、8年的事情,而光刻機的研發,10年都顯然不夠。

我們能不能也參與到荷蘭的ASML的研發中呢?是不行的。因為發達國家之間,由美國牽頭,搞了個《瓦森納協定》,專門對中國進行技術禁運,技術封鎖的。我們也買不到荷蘭的ASML最新的光刻機,更別說參股和技術合作了。

目前我們還在追趕,量產的是上海微電子的90納米的,離ASML的10 納米的差距很大。下一步,隨著長春光機所的極紫外光技術的突破,有望衝擊22-32納米的技術。那時荷蘭可能進入7納米時代。雖然和7納米還有很大差距,但如果能實現,進步也是驚人的。如果能做出量產型,就是世界第二的水平了。

中興事件,提高了國人對技術自主的關注,相信未來會更加註重投入。只要努力,就有希望。

讓我們為默默奮鬥在一線的科研人員致敬!


仁觀天下


這次美國對中興的制裁,確實讓中國感到了“芯”痛!

中興沒有“芯”,美國一制裁,自然就“心”被挖走了一樣,董事長說,美國的制裁讓中興立馬處於休克狀態,我覺得這個一點也不假!

難道中國對無芯的工業不感到焦慮嗎?不是的,確實,要造一顆芯,在中國的工業水平不高,國外禁運的前提下,要造出他確實不容易。

芯片這個產品,要造出它,需要設計、製造、封裝、測試等一系列的產業鏈,在這方面,就連世界唯一超級大國美國的一些零部件也需要歐洲日本進口,作為中國來說,工業起步比他們要晚,自然難度就更大了。

光刻機是製造芯片的一個核心的機械,所謂的光刻,其實也就是類似於木工的木鬥,類似工業放樣的角色。

目前,光刻機市場基本上是阿斯麥(ASML)壟斷了80%以上的高端份額,也就是說,45nm以下的市場,基本就是它獨步江湖了。但這個企業沒在美國,而是在荷蘭,是原來老牌的電子企業飛利浦旗下的企業。

光刻機是一個非常綜合化的機械設備,牽涉到光機電等一系列的基礎科學,美國尚且不能造出很好的產品,它也只能通過Intel等企業去投資這個企業,以獲得優先的供貨權利。

在中國,其實也能造出光刻機來,只是精度差一些罷了,這個企業叫上海微電子,要是上市,我估計現在它肯定漲爆了。

因此,光刻機造不出來,只是我國工業發展水平離歐美日還有差距而已,假以時日,造光刻機會如同造螺絲刀一樣方便的。


e來趣客


簡單說,就是難在精密度上。因為一臺好的光刻機要在nm級個位數。也就是10nm以內。

上海產的光刻機能達到90nm,現在的高水平是7nm,在nm級別上玩產品,是對一個國家綜合能力的體現,一臺好的光刻機需要很多領域的精密製造和精密控制。

十年樹木,百年樹人。真正的突破制少要三代人的真正努力。

所謂的彎路超車如同掩耳盜鈴,仿造和研發所用時間是不一樣的,十年樹木,百年樹人。


春夏秋冬229923483


足球能踢好,其他的事情才有可能做好


zhu2015


有了90納米以後才有9納米,先解決有無,再追求高精尖。對技術人才要重點培養,要消除他們的一切顧慮,從物資到精神儘量滿足,使科技人才能集中精力投入到科研中。在光刻機以及其它高科技產品研發應採取各個擊破,也就是各個關健技術專門有人攻關,就好比動手術專門有人麻醉,專門有人主刀,專門有人監視儀器。這樣研發起來難度就可以降低一些。別人製造也不是從各個國家加以組合嗎?我們是人口大國更有這個條件。


李斌生


最難的是裡面的光學器件,被德國蔡司公司壟斷,買不到你怎麼做,還有極紫外光源,所以水平落後


海jun米gou


再複雜也要造,能比起造原子彈艱難嗎?關鍵是要有不畏艱難,勇於攻堅的革命精神。拿出中國人的骨氣來就一定能造出來。


手機用戶73599495538


人家是外星人造的?不行就慢慢來唄?美好的差一點也可以用的,沒他們我們都啥也別乾等死?


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