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实事求是地谈谈 关于光刻机发展演变的故事

时间:2018-01-17

简单点说,就让你在蚊子腿上画100幅清明上河图,难点就在于,你得先找到一根足够细的笔,才能在这蚊子腿上雕花刻字

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我相信大部分人都知道这个芯片生产过程特别难,到底是难在哪儿呢?首先,你要做一个指甲盖大小的芯片,需要涉及50多个行业协同,其中最复杂的一个环节,就是在特别薄的晶圆体上雕刻线路图。简单点说,就让你在蚊子腿上画100幅清明上河图,难点就在于,你得先找到一根足够细的笔,才能在这蚊子腿上雕花刻字。有多细?5纳米是什么概念呢?你一根头发丝直径是6万纳米。所以要想在这么小的空间内完成雕刻,只有光刻机才能完成。

但是放眼全球的话,能生产出光刻机的公司,只有三家。一家来自荷兰叫做阿斯麦,另外两家是日本的尼康和佳能。如果看这个市场占有率的话,荷兰的阿斯麦市场占有率高达89%,可以说垄断了全球的光刻机市场。那么换句话来说,这家公司如果哪天他不卖光刻机了,全球芯片产业可能就废了。

步进式光刻机

那为啥阿斯麦这家公司这么牛呢?话说这80年代的时候,那时候大家对芯片的要求还没有今天这么苛刻。那时候,根本不需要在蚊子腿上刻文字,只要你能做到1微米的光刻水平,就能生产出相应的芯片了。那时的光刻机,叫做步进式重复光刻技术。原理呢?和单反相机成像原理差不多,所以那时候,世界上生产光刻机的老大哥是佳能。但在这个基础上没过多久,荷兰的飞利浦就研发迭代出了一个更新的技术,叫做步进式扫描光刻技术,要比尼康那个步进式重复光刻技术精度更高。可是飞利浦不确定有没有商业价值,虽然这个技术要比尼康强,但有多少人为此买单呢?后来,飞利浦为了分摊分险,就想拉几个朋友一起玩,找了IBM这样的大公司,分分被拒。但当时有一家小公司主动寻求合作,强烈地表达了,我想抱大腿一起玩的意愿。然后各出资210万成立了一家新公司,取名阿斯麦。

沉浸式光刻机

阿斯麦成立的第一年,就生产出了步进式扫描光刻机。但是,这技术迭代实在是太快了,进入到21世纪之后,随着人们对芯片的性能要求越来越高,原本那个步进式扫描光刻机,已经无法满足生产出更好芯片的要求了。

这时候,技术之路上就出现了一个分叉口,有两种光刻机的升级迭代方案出现了。一种叫做干式光刻机,一种叫做沉浸式光刻机。这两种区别是什么呢?为了方便理解,你可以把这个干式光刻机想成是步进式扫描光刻机的2.0升级版。主要的技术,基于上一代产品的迭代。而这个沉浸式光刻机呢?它使用的是全新的技术,所以对于商人来说,他本人其实更愿选择前者。因为选择沉浸式光刻机,就相当于你自废武功,把之前几十年的技术积累全部放弃了。所以,当时这个尼康和佳能在既得利益的基础上,都选择了前者,毕竟这样可以满足当时市场需求,且成本更低。

但作为当年市场份额不到10%的小公司阿斯麦来说,如果他和尼康选择同样的路,那肯定还是一个追随者。阿斯麦推翻了之前全部的积累,赌上全部的身家,选择了和所有人都不同的一条路。从零开始研发这个沉浸式光刻技术,在这条路上也是披荆斩棘遇到的坑,不计其数。

还好,他赌对了,沉浸式光刻技术可以把这个雕刻精度缩减至132纳米。当时选择这个干式光刻机技术的尼康,只能做到157纳米。可以说阿斯麦在技术上已经完胜尼康,从后来市占率也能看到。2000年的时候,这阿斯麦的市占率不到10%,但是到了2007年,阿斯麦已经超越了尼康达到了60%。更恐怖的还在后面,在沉浸式光刻机技术基础上,阿斯麦在研发上不断烧钱,探索出了一个更新的技术,叫做EUV光刻技术。这个技术直接把这个光刻机技术突破到10纳米的节点,目前掌握这个EUV技术的公司,全球仅阿斯麦一家。

EUV光刻机

那就有粉丝问了,为什么这阿斯麦就不把这光刻机卖给咱们呢?这个事要从1997年说起。遥想当年,这EUV技术最开始提出来的并不是阿斯麦,而是美国的英特尔。但是研究这个技术,不光需要大量资金,还需要汇集全球的精英,才能推进。所以,当时的英特尔说服了美国政府建立了一个EUV的研究组织,专门招揽全球人才来研究这个EUV技术,可以说是举全国之力来攻克技术难关。但毕竟光刻机领域还有他们俩大哥在那儿杵着呢,一个是尼康,一个是阿斯麦。他们都有丰富的经验,于是老美就想拉一个入伙共享经验。但考虑到这个尼康来自日本,很可能就把组织里的信息给外泄了,于是他们就退而求其次,选择了阿斯麦。

我国第一台28纳米国产光刻机

阿斯麦能加入这个组织,也是向老美做了很多的承诺。承诺今后我们在美国投资建厂,建立研发中心,以后我们使用的55%的原材料都要从美国采购。就这样,阿斯麦终于加入了这个EUV的组织,这个组织从1997年到2003年六年时间,玩命的烧钱,什么结果都没有研究出来。因此2003年的时候各自解散各个成员,各回各家各找各妈。你说这6年没意义吗?有意义,因为他通过研究证明EUV这个技术还是可行的,所以大家各回各国之后,拼命的继续烧钱,但是阿斯麦后来抓住了机会。

国产第一台光刻机,加工精度75毫米

在2010年,他第一个研发出了世界上首台EUV光刻机,因为当年开发EUV技术时,阿斯麦和老美签订了很多保护条款。因此在2018年,咱们中国的中芯国际斥资1.2亿美元采购一台阿斯麦EUV光刻机,结果因为种种原因到现在还没到货。反观咱们祖国,1997年生产出第一台国产光刻机的加工精度是75毫米,今年咱们生产出最先进的光刻机,已经能达到22纳米了(全球首台利用紫外线光源实现22纳米分辨率的光刻机)。

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