当地时间,2020年8月9日,美国总统拜登签署了一份法案:《芯片和科学方案》,根据该法案,美国半导体产业提供高达527亿美元的政府补贴;再想想此前华为的芯片之争,全网一片哗然;各方大佬纷纷发表感想,该法案对全球芯片产业的影响,我们就不敢发言,实在是不了解这个产业;今天就仅了解一下它的生产设备-光刻机。
先普及一下,避免后面有疑问,先垫一个底:芯片3nm、5nm、7nm指的是采用3nm、5nm、7nm制程的一种芯片,nm是自然就是长度单位纳米的简称。简单的来说的x nm,指的是CPU的上形成的互补氧化物金属半导体场效应晶体管栅极的宽度,也被称为栅长。
光刻机的发展历程
制造芯片的设备-光刻机
比印钞还要赚钱的设备-光刻机
信息技术等发展离不开芯片,而光刻机就是制作芯片必选设备,从原理上分析光刻机,光刻机并不复杂,通俗的就是:投影仪+照相机;在硅片上通过感光原理,制作电子电路;似乎并不高深,但接下来几组信息,就让你绝望了:光刻机目前的精度7nm, 也就是你要将一根头发丝设法劈成几万份的切割工艺,所以普通的雕刻刀是用不上了,只能用光进行雕刻;冷却激光器的水用量,每秒流量能填满六个浴缸;高分辨率上,相当将48万个单词,在一张A4纸上印刷2600遍;3000道加工工序,每道工序的合格率要在99.99%以上,才能生产出合格的芯片;
光刻机的的工作原理
据说光刻机的一个零件,工程师调整需要近十年,尺寸调整近百万次;即使给你图纸,你也不见得能造出来;由于生产太难了,全球每年的产量约在20台;而谁能买到这种设备,谁就能造出更高端的芯片,引领科技时代命脉;
光刻机的机构组成
光刻机部件功能
目前全球光刻机市场主要有ASML、尼康、佳能占据,约占全球90%以上的市场份额,而ASML占比超过62%,出货量达到258台,而且因为该公司的技术能力、产品质量,使得他们的售价最高,市场占有率超过91%。
说到这里似乎我们还是没有一个概念,我们还是用人民币来说说光刻机吧;一台目前最先进的极紫外(EUV)光刻系统,单机售价接近10亿元人民币,它主要用于7nm、5nm芯片生产,而新一代High-NA EUV光刻设备(高数值孔径极紫外),预售价已经超过25亿元人民币,重大200吨;它将用于2nm芯片生产,且不可替代;预计要到2025年才能看到。
光刻机
再举一个例子,华为的麒麟980芯片,采用了7nm工艺,不到10mm的芯片上搭建了近70亿个晶体管,设备还用的台积电购买ASML的极紫外(EUV)光刻系统,目前也只有ASMLK可以批量生产该设备;如果放大观察芯片表面时,会发现俨然是一个排列、整齐的城市。
芯片放大后的表面结构
如上所述,最新的光刻机极紫外(EUV)光刻系统,已经完成了7nm加工能力,下一代High-NA EUV光刻设备将完成2nm挑战;而国内光刻机产业发展与国际还存在极大差距;光刻机的制作是全球顶端行业继承制造,单独依靠一个企业、国家都极其困难;而在美国的要挟、限制下,我们又很难从先进行业中获得光刻机的设备原型,或配件研究;导致我国光刻机产业发展缓慢;
在回到开头的美国政府签署的《芯片和科学方案》,进一步打击、压缩我国的光刻机发展空间;虽然在国家大量政策帮助下,我国的光刻机产业发展也有了不小进步,但差距仍很大,还有很长的路需要走。