03.05 为什么中国人自己不会做光刻机,它的核心技术是什么?

边厨特色菜馆


现在网络媒体往往是用芯片代替半导体、集成电路、晶圆等词汇,严格来说,这些词汇之间还是有所差异的。芯片在这里的用法也跟网络媒体的一致。

厂商在制造芯片的过程,其实是个相当复杂的过程,芯片是多个学科共同作用的结晶。厂商在制造芯片的过程中,从前端工序、到晶圆制造工序,之后再到封装和测试工序,主要用到的设备依次包括,单晶炉、气相外延炉、氧化炉、低压化学气相沉积系统、磁控溅射台、光刻机、刻蚀机、离子注入机、晶片减薄机、晶圆划片机、键合封装设备、测试机、分选机和探针台等。其中,厂商必须要利用光刻机,才能把掩模版上的图形(电路结构)临时“复印”到硅片等半导体基材(表面已均匀涂有光刻胶)上,以便开展下一步工序。可以这样说,光刻机在芯片制造工序中是最核心的设备。台积电、三星电子、英特尔等晶圆制造厂商要投产越先进的制程工艺,就必须采用更加精密且复杂的光刻机,对光刻机的要求包括高频率的激光光源、光掩模的对位精度、设备的稳定性等。越是先进的光刻机,便是集合了多领域中的尖端技术于一体。

▲晶圆制造中的七个主生产区。

▲中国上海微电子的光刻机。

其实这些年来,国内早就有设备厂商,以及研究机构在对光刻机进行研发。如上海微电子、中电科四十五所、中电科四十八所等。所以并不是中国人自己不研制光刻机,尤其是研制前道光刻机,而是因为在研制出达到国际一流的光刻机中,所面临的困难既太多,又太难。至于光刻机的核心技术都有什么?这其实由专家们合作写出一本厚厚的书最好,我这里用几百上千的文字充其量就只能说到些皮毛。

总部位于荷兰的ASML脱胎于飞利浦,于1984年成立,至今所经营的产品主要还是光刻机。ASML凭借自己多年在行业中所积累的技术和经验,在2017年取得的收入又创出新高,净利润也同步大增。ASML的收入大致分为两个部分,一个是通过向客户供应极紫外EUV、深紫外DUV光刻机等设备获得的收入(在ASML当年的营收中占比达七成左右),另一个就是为客户提供设备安装、系统升级等服务获得的收入(在ASML当年的营收中占比约三成)。

目前,在行业中知名度较高的厂商,除了ASML外,另两家是日本的尼康和佳能。德国SUSS、美国MYCRO、以及在中国的某些设备厂商,能够向客户提供低端的接触式和接近式光刻机。而前面已经列举到的上海微电子,则研发出了中端的投影式光刻机。

在业界中,ASML主要推行的是部件外包、合作研发技术的策略,并专注于对核心技术的研发,力求为客户提供好的技术与服务方案。自2000年ASML向市场推出双工作台的设备后,便在市场中逐步居于主导的地位,设备的精密度与工作效率均在行业中领先。尼康和佳能则偏重于自研技术的策略,事后表明,这确实反倒限制了尼康和佳能的产品。如今尼康和佳能在新一代的光刻机市场上基本是彻底败给了ASML。尼康和佳能的光刻机,现主要集中在KrF或者ArF光刻机,面向对精度要求不高的工艺制程,如用于LED与面板制造行业的投影光刻机、芯片封装环节中的后道光刻机等。况且,尼康和佳能也已进一步缩减对光刻机的研发费用。

最早的光刻机采用的是接触式曝光,即人们把掩模直接贴在晶圆上片进行曝光,不过这很容易污染制程和缩短掩模的寿命。后来有了接近式光刻机,即人们利用气垫在掩模与硅片之间制造微小空隙,然而,这对成像精度造成了影响。后再到上个世纪的80年代,人们利用光学镜头来调整距离与改善成像质量,才达到了微米以下的精度。

1986年,ASML向市场推出步进式光刻机,提高了掩模的使用效率和光刻精度,让芯片的制造工艺在过去的基础上直接上了一个新台阶。2001年,ASML向市场推出双工作台的设备(过去均为一个工作台),使得光刻机能在一个工作台进行曝光晶圆片,在另一个工作台进行预对准工作,并在第一时间得到结果反馈,生产效率比过去提高35%,精度比过去提高10%。ASML开发出双工作台的系统,在技术上的难度并不小,对工作台的转移速度和精度有极高的要求。ASML独创的磁悬浮工作台系统,使得系统能够克服摩擦系数和阻尼系数,使得系统的加工速度和精度超过了机械式和气悬式工作台。2007年,ASML向市场推出浸没式系统,在原有的光源基础上缩短了光波的波长,从此在行业中确立了领头羊的地位。浸没式光刻是指在镜头和硅片之间增加一层专用水或液体,光线浸没在液体中曝光在硅晶片圆上。由于液体的折射率比空气的折射率高,因此成像精度更高。从而获得更好分辨率与更小曝光尺寸。浸没式光刻与二次曝光,同样为后面极紫外光刻机的问世奠定了基础。

光源无疑是光刻机的核心技术之一。这样的光源,必须要满足一定的条件:有适当的波长,波长越短,曝光的特征尺寸越小;有足够的能量,且均匀地分布在曝光区域。厂商推进光刻进步最直接的方法之一,是降低所用光源的波长,早期的紫外光源是高压汞灯,经过滤光后采用其中的436nm g线或者365nm i线。之后采用的是波长更短的深紫外光光源,这是一种准分子激光,是利用电子束激发惰性气体和卤素气体结合形成的气体分子,向基态跃迁时所产生的激光。这种激光的特点是方向性强、波长的纯度高、输出功率大,如KrF 248 nm、ArF 193 nm和F2 157 nm等。

2002年,业界便有人提出了波长为193nm的浸没式光刻的规划,由于193nm的光谱在水中的折射率高达 1.44,等效波长缩短为134nm,设备厂商只需对现有设备做较小的改造,就能将蚀刻精度提升一到两个世代。ASML首先向市场推出193nm的浸没式设备,效果优于157nm光源的设备,成功地帮助晶圆制造厂商将90nm制程工艺提升到65nm,彻底打败了选择干式蚀刻路线的尼康和佳能。

▲光刻机的工作原理。

2010 年之后,制程工艺的继续演进到22nm,已经超越浸没式的蚀刻精度,于是业界开始导入两次图形曝光的方案,以间接方式来制作印制线路。两次曝光虽然能制作比光源精度更高的芯片,但副作用是导致了光刻的次数与掩模的数量大增,造成工艺成本的上升及生产周期的延长,所以波长更短、精度更高的光源,才是提升制程能力的关键。对于使用浸没式+两次图形曝光的ArF光刻机,工艺节点的极限是10nm,极紫外光刻机可使工艺制程继续演进到7nm与5nm的水平。

对于ASML已向市场推出了最新一代的极紫外光刻机,采用的光源为13.5nm。正如行内业者所说:“EUV光线的能量、破坏性极高,制程的所有零件、材料,样样挑战人类工艺的极限。例如,因为空气分子会干扰EUV光线,生产过程得在真空环境。而且,机械的动作得精确到误差仅以皮秒。最关键零件之一,由德国蔡司生产的反射镜得做到史无前例的完美无瑕,瑕疵大小仅能以皮米、ASML总裁暨执行长温彼得(Peter Wennink)接受《天下》独家专访时解释,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。”


我为科技狂


一,假定全世界一共有十项核心技术,这十项核心技术的重要性和价值是相同的。

二,那么,以中国在当前世界的地位,至少应该掌握其中的二至三项,才能维持基本的平衡。

三,至于十项核心技术全垄断,这对于任何一个国家,都是不可能办到的,也是没有必要的。世界各国是需要交流的。

欢迎点评。


夕阳晚霞


光刻机原理是把高精密底片底版投射到晶原片上。难的是精度。需要精密的光学镜头,和精密的对焦稳定,和散射极低的光源激光。镜头虚,有云翳,不行,对焦丝扣不匀不细,不稳,不行。光源散射也不行。要比千分尺(螺旋测微器)更细更稳。

用螺旋测微器原理,精密螺纹调焦对焦,稳定相距焦平面。

工作台的膨胀,减震,连续工作的精准。都对精度要求极高。

小试验室小作坊,做一两个己经很难,大批量生产,精度就更难。

有志于此的公司和青年人,可以尝试用光刻机先刻平台对焦螺纹,这比车床精密多了,用光刻机刻出的对焦螺纹,和对焦平台,配上用光刻机刻的底版,再往硅原片上刻。别怕,咱中国有的是硅原片,供的起搞研发。






星辉650


光刻机中国人会做!只是和世界顶尖水平有相当差距。全世界会做光刻机的国家也没几个,现在最好的光刻机是西方多个发达国家共同努力的结果,光刻机简单来说就是用极紫外激光在硅盘上刻出电路。说着简单,但其极为精细,听说现在最好的光刻机,光源是美国的,镜片是德国的,还有其它国家的技术。光刻机可以说极度的精密,要把极紫外光线集到只有几纳米的宽度上,这里面首先就要很强的激光技术。这种光带有极强的能量,因为波长特别短,对镜片要求不是一般高。同时也要有极强的微电子技术。

我们外行人很难讲清楚。据说现在国产已经有28纳米的光刻机,28纳米相当于普通人头发直径的5000分之一。国外7纳米光刻机已经成功商业化。据说国内正在攻关14纳米技术。路还很长!

只能说加油吧,我的国。


小教育成就大未来


【财经中心/台北报导】台股股后、股价上千元的半导体设备厂汉微科昨与荷商ASML(艾司摩尔)宣布签署换股契约,ASML将以溢价约31%、每股1410元现金收购汉微科全部股份,总交易金额1000亿元台币(约27.5亿欧元),年底前完成购并后汉微科将从台股下柜。汉微科是台湾最有竞争力的半导体设备厂,这是台湾今年第2大购并案,金额仅次于美光收购华亚科的1300亿元,消息一出震撼产业界。

\t\t\t\t\t\t每股1330元的台股股后“汉微科”,将以1000亿元的价格卖给荷商ASML。\t\t\t\t\t\t

汉微科董事长许金荣说,双方2年前开始接触,最近才敲定,为何要出售股权?许说,过去公司一直透过电子束检测帮客户解决问题,但制程微缩日益困难,双方合作可在后制方面做得更精准,为客户获得最佳良率。

靠结盟让自己壮大

汉微科是全球晶圆制程电子束检测最大供应商,全球市占率8成,竞争力超过美商应材等国际大厂,去年营收才66亿元,股价却超过千元,是台湾最具技术实力的半导体设备厂。业界分析,在半导体制程即将进入10奈米制程,特别需要极精密检测辅助,对电子束检测需求愈来愈大,是ASML愿花千亿代价收购汉微科的主因。针对最有资格入选台湾国家队成员的汉微科被外商购并,半导体业界人士表示,虽然有些可惜,但产品线单薄、规模也不够大,面对研发成本愈来愈高的半导体设备业,汉微科势必要靠结盟壮大。

汉微科千亿元卖给ASML,母公司汉民是最大受益者。《壹周刊》经长喊话不算出走

也有业界人士忧心,先有中国紫光买南茂、力成,后有华亚科卖给美光,现又有汉微科被买走,台湾企业“外卖”风潮涌现,经长李世光昨喊话,指“汉微科研发中心还留在台湾,不算出走”,且台湾产业需要国际竞争力。此交易仍须经汉微科8月3日股东临时会通过,以及台湾、美国、韩国及新加坡主管机关核准。投审会官员说,ASML提出申请后,估2个月内完成审查。工业局官员表示,两家公司产品没重叠、有互补,将针对如何保障国内员工就业、在台投资规划,及对半导体上下游影响作评估。

金管会盯内线交易

金管会主委丁克华昨说,汉微科溢价出售,代表“外国人看得起你,同时,这也可见台湾企业高获利、本益比低,科技股太便宜了。”汉微科股价昨开盘跳空涨停,站上1330元,且一价到底,收盘大涨120元,盘中1.3万张买单高挂。不过因汉微科出嫁前2周融资余额倍增至逾千张,遭疑内线交易,金管会证期局主祕周惠美强调,已线上监视,如果有异常会依照规定办理。

【报你知】电子束检测

研调机构微驱科技总经理吴金荣说,晶圆厂为了品质及良品率,用检测设备检查晶圆制程中是否有缺陷,早期使用光学技术,但进入45奈米制程、甚至28奈米以下,因光学检测波长不易检测极细的线宽,须用波长更短的电子束扫描,才能清楚辨识电路与缺陷。目前包括台积电、三星和英特尔等大厂都采电子束检测


用户57751719720


现在的高科技高在哪,一个是创造性,现在我们知道有个光刻机,以前没人做出这个机器来的时候没人知道世界上可以有个光刻机,那个时代的人是最苦的。第二个是精细度,比如有了这么个光刻机了,那做精就成了课题的,一百纳米,二十,十纳米,甚到几纳米,这个就成一个精度难题了。对于光刻机来说,第一个难题我们不用考虑了,因为人家已经帮我们解决了,也就是最大的难题被人家解决了,现在就是精度问题了,我们只有做二十几纳米的精度,与现在世界上的几纳米差了好多的,要再做精,那就是拿钱去磨了,一条线路一条线路的磨,一个晶体管一个晶体管的去缩,一个物质一个物质的进行不断的提纯。这都要时间的,没画好十纳米的线就指望去画五纳米的线,那肯定是不现实的,那笔尖不够细再怎么弄也画不出来的。


流星141849591


个人以自身工作经验发表看法,不喜勿喷。目前中国的高新技术科研水平还是不错的,但不体现在高精(高精密度)。因为高新技术领域待遇好有人干,而且是人才干。国内相对基础的加工工艺是真的没法用先进来衡量,同样和人才挂钩,缺少高新技术领域对等的人才(当然很大程度上人才受资金的吸引)从事基础工艺的细化升级。精密加工技术基本都掌握在日本、瑞士和德国手里(眼界有限,根据我目前从事的工作所了解的情况是这样的。特别是日本,美国的高精军工领域都有较大比例依靠日本技术和设备)。个人根据工作经验觉得高精技术和高精仪器或机床是挂钩的。我们生产不出高精的设备,因为我们没有高精的技术去支持高精的机床,相应的我们不支持生产包括生产光刻机在内的高精设备的高精零件。个人觉得就是这么简单,没有高精机床我们连最基础的零件都造不出,拿什么组装设备。目前大把资金流入芯片行业。这几天我从没看到一篇关于高精机床的报告。希望他们能拿目光细化加工。也许这就叫输出全靠吼吧!!!!


翻个身还是好朋友


根本的问题在于国家没有一个顶层设计,谁来做光刻机,谁来做芯片,谁来做软件件,谁来做操作系统,都是国家一号召,比如机器人,全都来做机器人了,做电动汽车全都来做电动汽车了,全社会做什么事情都是一哄而上,三心二意,缺少国家的整体规划。


安而达


从中兴看本质,这么庞大的企业,似乎一夜败北,关于中兴新闻不下千条,没有一家作者说到点上,还有不要脸的企业找热度,我国科技大企业战略性与战略合作无从说起,水军吹捧互相扎刺,政府发展企业行业,没有战略引导与指引。往往庞大企业没有前进战略分析,见意企业龙头,设立企业战略分析把控企业方向部门,减轻减少企业战略性错误,企业龙头战略方向合作,共同合作研发核心技术。政府对高科人员参与研发,只要成功可以共享(协商)分配利润,让尖端人材富起来,尖端人材富起来,有报高端项目研发的,给于资金等扶植。我觉得这是长久发展动力源。


坐好三说听风描竹


中国人会做低端的光刻机,所以中国人懂光刻机的制造原理和工艺,在光刻机的问题上,中国只是懂而不精,因不精而无法制造出高端的光刻机。光刻机是高精密加工机器,制造难度在于高精密,为了达到高端光刻机的精密要求,涉及到的方方面面都需达到最高水平,要达到这样的水平,理论研究深度要高,加工工艺要精,这需要投入大量的研究工作和实际的制造经验积累,中国所缺的主要是这方面的东西,事实上很多核心技术中国都没有掌握,所缺的多数就是这些东西,而不单单只有不能制造光刻机这一件事情。中国工业很完整,是现在全世界工业最完整的国家,是沒有之一的,所以中国在懂的方面是最多的,但能做到精的,中国就没有多少东西能达到这样的水平了,所谓中国缺少核心技术,主要原因是能做到精的东西很少。


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