中国高端光刻机技术现在如何?

单轨帆


首先确认一点,我国不存在高端光刻机!

全球光刻机领域背景

全球光刻机领域如果按照高中低来区分的话,我国排位最末,整体处于低端水平;中端市场则有日本的尼康和佳能把控,这两家在过去的10年中进展不利(主要烧不起钱了,日本的经济大家也知道),整体水平止步不前,最终不敌荷兰的ASML,彻底退出高端领域。至于ASML就不说了,近10年来发展神速,已经彻底掌控了整个光刻机高端市场,占了全球光刻机80%的市场份额,代工厂商想要使用最先进工艺来生产芯片,没它的设备就不行。

我国光刻机发展情况

上海微电子(SMME):这是我国唯一具备光刻机整机生产能力的厂商,2002年时零起步,现在能生产支持90nm工艺的光刻机(SSA600/20),这个工艺相对于ASML最先进的7nm光刻机可以说差距相当大。如果按采用光源来计算代差,那么至少差了3代。

当然,SMEE前进步伐不可阻挡,最新消息显示现在已经完成了65nm制造工艺的研发,未来1-2年可量产,而28nm的工艺已经在研发中。

就我国的现状而言,人家已经在研发5nm工艺的光刻机,而我们还在研发28nm的工艺,这当中还差了14nm、12nm、10nm、7nm这些工艺。所以,单就现在来说,我国根本就不存在什么高端光刻机。

武汉光电国家研究中心:2018年时曾有消息称,我国研制出了9nm光刻机,其实这是新闻的误报,这则新闻里所提到的技术其实是能光刻出9nm的线宽的线段,或许对光刻机研发有帮助,但和真正的光刻机风马牛不相及。

最后看一下目前其他国产光刻机厂商的进展吧,见下图。

光刻机发展核心要靠光学

上面提到的SMEE其实只是光刻机的系统制造商而已,其自身并不生产任何光刻机相关零配件,用直白的话说,SMEE本质上仍旧是全球采购然后组装(当然这里面并非没技术含量)。因此,想要真正生产出高端光刻机,并且在零部件上不受制于人,不能仅靠SMEE,核心还是得提高我们整体制造业的水平。

尤其是光学器件,因为对光刻机来说,最核心的技术其实是对光学的应用,现代光刻机核心三大件是光源、镜头、光栅,这三项都属于光学器件,分别由美德两国掌握。日系厂商这2年没有取得突破,核心问题也在这些零配件上,可以说这些技术内容直接卡了中日两国的脖子。

因此,未来我国想要进军高端光刻机市场,并且想要完全实现独立自主,那么势必要在这些核心领域取得突破,否则今后仍旧会受制于人。

Lscssh科技官观点:

最终想说我国的光刻机还处于较低的水平,但我们已经在快速的发展中,未来几年应该能拉进和竞争对手的距离。同时,如果想要彻底摆脱被外国企业断供的可能,那么则需要更长的发展时间,需要国内整个制造业水平的提升,尤其是光学领域。




Lscssh科技官


国望光学、上海光机所(上海微电子),长春光机所参与研发的国产光刻机已于2017年首次曝光成功,且曝光光学系统在整机环境下已通过验收测试,目前90纳米国产高端光刻机已顺利验收交付。上海微电子自主生产的SSA600/20光刻机,可以用来加工90nm制程工艺的芯片,如果用来生产军用和航天芯片,那一点问题也没有,但是如果用来制造消费类电子芯片,那只能死路一条,我国能够实现的大规模商业化精度仅仅只达到了90nm,与国外顶级商业化生产差距至少达到了10年

而中国目前最新的65nm光刻机还在设备验证阶段,但这也为中国自主研发28nm双工件干台式及浸没式光刻机奠定了基础。

还有最近中国自主研发的14nm先进制程工艺光刻机已经初步通过专家组的验收和审核,但是如果需要实现量产仍然需要一段时间。

但是,对于中国来说,这是一个极大的进步。而这也让三星非常羡慕,因为韩国尚无法研发光刻机。让华为、中兴等如虎添翼。

未来中国的光刻机将不再受制于人。

还有华中科技大学的甘棕松教授已经用跟ASML公司完全不同的技术路线,首次在世界范围内实现了单线9纳米线宽的超分辨光刻,而且成本只是动辄1亿美元的主流光刻机的几分之一,国产9纳米光刻机即将出现。


科技狗弟


光刻机技术,荷兰ASML公司是目前全球最先进的企业 ,其提供的光刻机技术已经达到7nm水平,目前国内有关光刻机技术还处于90nm工艺水平,要达到28nm工艺水平,也需要借助国外光刻机实现。目前中芯国际,华虹集团已经实现28nm光刻机量产,14nm工艺研发也已完成,他们在国内的年销售额位居第一和第二。



那么中国光刻机技术和国外的差距水平到底有多大?根据中科院院士刘明的说法,目前国内光刻技术与国外差距大约15~20年,刘明院士坦言,目前光刻技术是整个集成电路中我们与国外差距最大的。 目前荷兰一台机七nm光刻机,价值1亿多美元,而且是全球唯一供货商,目前被终止交货的这台光刻机,按照计划将于年底交付,价值1.2亿美元,近9亿人民币,是目前世界上最先进的,不仅中国,韩国,日本和美国等先进国家也要从荷兰进口,这部光刻机关键零件,来自美国,德国,瑞典,法国,这些全球顶级零配件,全都禁止出口中国,所以ASML公司自信地说,“即便给你全套的图纸,你也造不出来”。



即使中芯国际拥有一台7nmmASML光刻机,也有很多使用限制,不能自主CPU代工,也不能给龙芯,申威,等自主CPU代工或者商业化量产,在很大程度上,影响了自主技术的发展,如果失去先进光刻机技术,中芯国际就无法进军国际高端市场。中国在许多科技领域,都曾经被外国人卡脖子,但是中国人民有志气有能力,经过广大科技工作者的不懈努力,一步步攻关,终究克服了困难,赶超世界先进水平,甚至实现弯道超车,如中国的高铁技术,5G技术,就是在压力下取得的成果,有压力才有动力 ,中国科学家有能力,克服困难,研制出自己的光刻机。



中科院光电技术研究所研究员胡松,在接受记者采访时说,“如果国外禁运,我们也不用怕,因为我们这个技术再走下去,我们认为可以有保证。在芯片未来发展,下一代光机电集成芯片,或者我们说的广义芯片,有可能弯道超车,走在前面”。值得一提的是,中国科技人员研制成功了九nm光刻实验样机,是一种功能非常强大的光刻机,是一种没有参考任何西方技术新思路,新方法,其光刻技术与目前的主流光刻技术不同,波长更长,成本更低,在这方面,如果发展顺利,很有可能实现弯道超车,不但技术领先,而且可以大幅降低光刻机成本。



面对中国的崛起,西方大国,怕得要死,恨得要命,千方百计阻碍中国发展的脚步,用禁运和封锁卡中国的脖子,但是他们的阴谋不会得逞,正如伟人所说的一句话:“封锁吧!封锁它十年,八年,中国的一切问题都解决了”!

蓝色的忧伤


蓝色的忧伤U3


世界顶级的光刻技术是5纳米,实用产业阶段的是7纳米,美国和日本自己过去研制的达到14纳米,但是已经放弃了继续研发的想法,我们的多种原因的影响,直到这一两年来取得了突破,已经达到了22纳米级别,算是在世界上属于第三梯队的存在,跟先进的还是有不小的差距,这一点不得不面对现实。


去年年底跟荷兰方面谈拢了购买荷兰7纳米级别的光刻机,荷兰方面口头答应了卖给我们,只是在后来这家公司仓库突然异常失火,加上这几天突然宣布顾及到美国的感受,所以暂停售卖我们光刻机,虽然说第二天又改了一个说法是重新申请出口许可的原因,其实意思很明显就是想卖卖不出来,不想得罪美国又不想失去中国市场不想引起中国方面的反感,所以就换了一个好听一点的理由而已。

核心技术我们仍然被卡脖子,不能把科技希望寄托到别人身上,特别是这种现实应用型尖端设备,对科技发展影响巨大的东西,更应该掌握在自己手中比较好,有求于别人其实是非常被动的,要看别人的心情和脸色,这种感觉是相当不舒服和憋屈的,知耻后勇发奋图强是我们现在最需要做的一件事,自己不能掌握先进技术永远会是被动的无奈的。



光刻机技术的难点来自三个方面,一个是稳定的光源,一个是稳定和精密度极高的工作平台,一个是光刻机的镜头镜片工艺,这三个是影响光刻机突破的最大难度,光源还好说,我们国内的激光技术非常厉害,对于光刻机的稳定光源其实难度并不是特别大,我们的问题出现在镜片和工作台的精密度上面。


这就要涉及到了尖端精密机床加工工艺,和材料学上面了,镜片打磨需要非常精密的加工工艺才行,荷兰光刻机上的镜片就是德国提供的,有科学家曾经说过,光刻机镜片的平整度要求极高,就好比把镜片放大到200平方公里的面积,表面的不平度要在十厘米以内,这是什么样一个概念可想而知,要多厉害的精密机床才能做出来,而我们缺少的就是这种机床。

国内的机床水平其实跟日德美还是有差距的,这也是导致了许多的东西被卡脖子,还有就是在材料工艺的处理上面,在这上面其实也是影响巨大的,虽然说我们已经突破了22纳米,但是离7纳米还有两个级别的差距,不要小看这两个级别,差距比较大的,更不用说5纳米级别了,所以说我们需要努力的地方还很多,不过相信我们的聪明才智,别人能做到的我们也一定能,只是需要一点时间,还需要花更多的心思才行。


无法超越的足迹


如下图,在光刻机技术上,分为如下四个档次,高端是指7-28nm,超高端是指7/5nm,中端是65nm+,低端是90nm+。

所以中国没有高端光刻机,甚至连中端都没有,只有低端光刻机,目前能够生产出来的还是在90nm技术,还在攻关65nm技术。

目前国内排名前三的光刻机厂商分别是上海微电子装备(SMEE)、合肥芯硕半导体有限公司、无锡影速半导体科技有限公司。

先说一说上海微电子装备(SMEE),是国内最先进的光刻设备生产商了,但也只能提供最高90mn的工艺技术,在整体水平上处于低端水平。

而合肥芯硕半导体有限公司成立与2006年4月,是国内首家半导体直写光刻设备制造商。该公司自主研发的ATD4000,已经实现最高200nm的量产。

无锡影速成立与2015年1月,也已经实现最高200nm的量产,所以说中国的水平离国际水平真的差太远太远。

从90nm到7nm/5nm,10年9年的差距至少有吧,说不定时间更长。

可见,要想达到ASML的水平,真的是和万里长征差不多,还刚刚起步,但不管再难,也得继续研究,毕竟自己没有,就要被人卡脖子啊。

最后提一提90nm后的一些技术,按照专家的说法,从90nm到65nm不会太难,但从65到45nm就有点难了。

而从45nm到32nm也不难,而从32到22nm就又了,而在这之后,更是一步一台阶,越来越难,尤其到达EUV,也就是极紫外光刻机,就是真正的大台阶了


互联网乱侃秀


清华大学已经成功研制出了双工件台的光刻机,使我国光刻机名列世界第二,仅次于荷兰的ASML公司的光刻机。



跪射俑


ASML否认断供中国,实际上5月份就有一台光刻机搬入了中芯国际。而ASML说出口光刻机需要荷兰政府许可证,而中国许可证只是年底到期,他们正在续期。(在《瓦森纳协定》的33国家,以及ASML股东英特尔、三星和台积电可以获得销售,但是中国不在协定名单,所以需要许可证。上一台机器也延迟交货,原因是配件供应商火灾)

光刻机的关键不在ASML

光刻机靠完全零部件自给基本是不可能完成的,即使我们现阶段90纳米以上的光刻机,你依然要依赖大量的国外进口配件。如今最先进的紫光EUV光刻机(其实紫光光刻机不是只能做7nm芯片,如果你技术跟上,你可以做3nm芯片。),其大量技术本身来自于西方各国,90%的配件对外采购,可以说,他是西方工业化百年集大成者。所以,不要盯着ASML。

比如紫光技术,就是来自于美国国防部的技术,是星球大战计划的时候产生的技术。光束要达到一定级别是很难的。

比如集成电路曝光线路,早期是英特尔七叛逆时代和肖克利实验室的成就(也就是光刻技术的起点,也是摩尔定律的起点)。

比如浸没式光刻技术是从台积电过来的,这个创意提出后由ASML实践。

比如专用反光镜片需要非常精细的精工技术,所以大部分镜片来自蔡司工业。这家公司从1846年就专注在镜片这个领域,不是随便一家公司能够超越的。

比如那家配件供应商Prodrive,元器件提供商,总部在荷兰,美国和中国苏州都有分公司。

比如新邦电子(台湾)、光罩股份(台湾)、布鲁克斯自动化(瑞典)、sparton公司(美国)、贰陆股份(美国)、尼康(日本)。还有很多,这只是很小的一部分。

所以实际上,如今这个产业链当中,也就芯片制造业如今掌握在西方整个工业手里,树立了专利壁垒强。这里面不只是专利,而且还有精工元器件,德国很多企业不申请专利,因为他们怕申请专利被人抄袭,所以这些技术是硬技术,他们自信你追是追不上的。你要向上追,那么你在每个行业都要积累百年的技术。

日本做到黄光,最后无法再往紫光挺近。日本尼康当年也是供应英特尔光刻机的。但是做到后面逐渐赶不上了。日本国内的普遍看法是,光刻机上面日本太过封闭了,太讲工匠精神,没有融入全球化产业链当中。很多的技术,即使日本人很努力的,终身雇佣制的专家奋斗一辈子,他们也没有攻克技术壁垒。

所以日本人常说,99分和100分的技术,差距是很大的。而中国现在90分。

我们怎么办?

既然《瓦森纳协定》有33个国家,签署过累积有42个国家,墨西哥、阿根廷都在列,那么增加这方面的投入,加入进去应该是可以的。首先要进入规则,然后通过技术实力来主导规则或者改变规则。也可以通过像英特尔、三星和台积电的做法,反向用技术和资本来资助ASML,来主导整个摩尔定律。


财经纸老虎


    世界上最先进的光刻机来自于荷兰的ASML,制程工艺为7nm,明年有望实现5nm。我国的高端光刻机来自于上海微电子,成熟的制程工艺为90nm,落后10年以上。


    上海微和荷兰ASML在光刻机上的差距,反映在中西方精密制造领域的差距。一台顶级的光刻机,关键零部件来自不同的发达国家,美国的光栅、德国的镜头、瑞典的轴承等,可以说集人类智慧大成。由于《瓦森纳协定》的限制,这些精密零部件和仪器对我国是禁运的。


    荷兰ASML光刻机

    目前,光刻机领域的龙头老大是荷兰ASML,占据了高达80%的市场份额,而最先进的EUV光刻机,全球只有ASML能够生产,7nm制程工艺的EUV光刻机,单价超过了1亿美元。


    光刻机的技术门槛极高,整个设备的不同部位同时采用了世界上最先进的技术,德国的光学技术和超精密机械、美国的计量设备和光源设备等。ASML需要做的是精密控制,将误差分散到13个系统,3万个分件中,如果德国的蔡司光学设备不准、美国的Cymer光源不精,那么ASML瞬间失去了精神。

    不仅是技术难度高,ASML高端光刻机的产量很低,ASML还有个奇特的规定,只有投资ASML,才能获得优先供货权。三星、英特尔、海力士、台积电在ASML有相当的股份,大部分订单也被这些厂商占有。


    上海微电子

    我国唯一一家研发光刻机的厂商是上海微电子有限公司,成立于2002年,所生产的光刻机主要集中于中低端市场。上海微最先进的光刻机是SSA600/20,制程工艺为90nm,相当于2004年奔腾四CPU的水平,距离全球最先进的7nm制程工艺还有一定的差距,ASML明年将量产5nm制程的光刻机。正因为如此,国内晶圆厂商所需的高端光刻机完全依赖进口。

    中芯国际

    说到光刻机,不得不提中芯国际,可以提供0.35微米到28nm制程工艺的晶圆代工服务。中芯国际已经突破了14nm制程工艺的技术,大规模量产有望在2021年实现。


    中芯国际曾在2018年4月,在ASML成功预定一台7nm EUV制程工艺的光刻机,价值1.2亿美元,原计划2019年年底交付,2020年中期完成安装。


    最近,ASML决定暂时终止向中芯国际交付EUV光刻机,原因可能是“担心刺激到美国,将最先进的芯片设备运往中国,将会使美国政府感觉不安”。


    总之,我国的高端光刻机技术与世界先进水平还有一定的差距。ASML暂停向中芯国际提供EUV光刻机,以及华为被美国列入实体名单,种种事件验证了“自己有的才是真的,只要你突破了技术,就没有人能卡住你的脖子”。

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Geek视界


中国目前并没有高端光刻机呢。世界顶尖的光刻机源自ASML,其也是全球唯一可以供应 EUV 光刻机的半导体设备大商。

ASML光刻机年产量大概也就只有20来台,价格不是一般的高昂,即便有钱也未必能买到。而目前台积电与三星都已经导入 EUV 光刻机来实现 7nm 工艺高端芯片的量产。

国产光刻机巨头--上海微电子

上海微电子主要从事半导体装备、泛半导体装备以及高端智能装备的设计制造销售,其中光刻设备是公司的主营业务,在光刻设备领域拥有全国最先进的技术。

ASML目前已实现7 nm EUV光刻先进工艺,并向5nm EUV制程工艺进发。而国内而言,上海微电子光刻设备领域拥有全国最先进的技术。亦是代表着国产光刻机的最高水平。由于起步较晚且技术积累薄弱,目前技术节点为90 nm,且多以激光成像技术为主,客观上与国际先进水平存在较大差距。

中芯国际

国内比较薄弱的是半导体设计及制造,尤其是半导体工艺。目前台积电、三星已经实现7nm工艺芯片量产,而中芯国际还在14/12nm中“徘徊”着。而更高性能芯片更依赖外有先进工艺。

中芯国际在高端工艺上是在不断追赶,肩负着国内高端芯片制造的使命。中芯国际目前量产的最先进制程为14nm,而12nm已经取得重大突破。要想进一步提升,就需要在工艺上不断进步。EUV光刻机主要用在7nm及以下制程,还得依靠ASML光刻机设备。要知道的是,7nm EUV 光刻机目前全球只有ASML一家公司有能力生产。

而目前ASML的EUV光刻机延迟交货,对我国半导体产业的快速推进造成一定程度上的打击,或也会牵涉到中芯国际在高端工艺技术的布局与时程吧。


IT小众


国家在半导体芯片领域于前几年开始持续加大投入,从高端的构架设计到光刻机研制到下游的芯片制造封装都会有全面提升,就目前而言我国在这方面的投入还是太少,作为半导体芯片最大市场,我们还要持续加大投入,培养半导体相关人才,加大研发投入可望在短期内有所突破。


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