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芯片“印钞机”的背后:人类物理的极限探索与大国博弈的必争之地科技资讯

来源:天之家 发表于:2021-01-11 11:17 阅读:

导读:文:石亚琼、李亚静 编辑:石亚琼 伴随着中国的芯片安全问题,光刻机也成为业界焦点。 它单价售价超1亿美元,依然供不应求,被认为是摩尔定律当下的重要推手,胜似芯片公司的印钞机。它集各学科之大成,设备重达几十吨,需要多台波音飞机运输,被认为是半导...

文:石亚琼、李亚静

编辑:石亚琼

伴随着中国的芯片安全问题,光刻机也成为业界焦点。

它单价售价超1亿美元,依然供不应求,被认为是摩尔定律当下的重要推手,胜似芯片公司的“印钞机”。它集各学科之大成,设备重达几十吨,需要多台波音飞机运输,被认为是半导体工业皇冠上的明珠。它虽是工业设备、商业产品,但其命运从未摆脱大国之间的竞合博弈。

摩尔定律攻艰2nm 的物理极限的当下,叠加复杂国际关系,光刻机也成为2020年应该了解的行业之一。为此,我们做了这篇轻度行业研究,希望真实的呈现这个行业的过去、现在和未来。

我们希望在本文回答以下问题:

一、为什么光刻机这么重要 “如果我们交不出EUV光刻机,摩尔定律就会从此停止”

光刻机有多重要?

作为全球光刻机最为前沿的公司,荷兰ASML公司如是说“如果我们交不出EUV光刻机,摩尔定律就会从此停止”。

过去五十多年,半导体行业一直遵循着摩尔定律这一经济规律:集成电路上可容纳的元器件的数,每隔18个月就会增加一倍。这意味着每隔18个月,为了实现芯片性能提升一倍以上,芯片的制程就会缩小至少一倍。

芯片“印钞机”的背后:人类物理的极限探索与大国博弈的必争之地

20世纪初期的芯片纳米制程进度表,图片来自互联网

21世纪初,芯片还刚刚进入百纳米制程。当时的光刻机,门槛还不高。在2007年,中国上海微电子装备有限公司成立5年,当年研发出了90nm光刻机。事实上,在更早的上世纪七八十年代,诸如尼康、佳能等光学厂商、Intel等芯片厂商都做出过光刻机。

芯片“印钞机”的背后:人类物理的极限探索与大国博弈的必争之地

纳米制程预测

(一)为什么光刻机对芯片行业这么重要?我们可以先来简单先来拆解下。

1、芯片的制造过程

为了更清晰的表达光刻机对于芯片行业和摩尔定律的重要性,我们可以先来简单描述下芯片的制作过程。

可以看一个简单、直接的有关芯片是如何研发、生产的示意图:

芯片“印钞机”的背后:人类物理的极限探索与大国博弈的必争之地

半导体行业产业链,图片来自中泰证券

一家公司要研发芯片,他们会使用Cadence、Synospsys这些公司提供的EDA工具来辅助设计芯片,期间会用到来自于本公司自研或者ARM等第三方的各种IP核,在芯片设计完成后会交给TSMC台积电、UMC联电、SMIC中芯国际等晶圆代工厂生产,这些代工厂的生产设备就包括了来自ASML等的光刻机。最后经过日月光、长电科技的封测,形成完整芯片。

可以说,光刻的主要作用是将掩模版上的芯片电路图转移到硅片上,是IC制造的核心环节,也是整个IC制造中最复杂、最关键的工艺步骤。

2、光刻机的原理

光刻技术是指光刻胶在特殊波长光线或者电子束下发生化学变化,通过曝光、显影、刻蚀等工艺过程,将设计在掩膜上的图形转移到衬底上的图形精细加工技术。

光刻机一般是通过激光或电子束直接写在光掩模板上,然后用激光辐照光掩模板,晶圆上的光敏物质因感光而发生材料性质的改变,通过显影,从而完成芯片从设计版图到硅片的转移。这其实很像是照相机+投影仪的组合,只不过最后希望将电路图印到硅片上。

我们以激光为光源的光刻机为例,来看下其简易工作原理和流程。在制造芯片时,首先在晶圆(硅晶片)表面涂光感胶,再用光线透过掩模版(相当于芯片电路图纸的底片)照射硅片表面,被光线照射到的光感胶会发生反应。此后用特定溶剂洗去被照射或者未被照射的胶,电路图就印到硅片上。

3、为什么光刻机对芯片行业如此重要?

从上文不能看出,在IC制造的环节,光刻机是处于前道工艺最前端的一环。

一般来说,芯片的性能受晶体管密度影响,同样面积下晶体管越多,即晶体管线宽越小,芯片性能越强。我们日常听到的几纳米工艺,其中的纳米即代表的相应光刻工艺能加工出的晶体管线宽。

因此,可以说,光刻机性能的先进性,就在一定程度上,代表了芯片性能的先进性。

二、为什么当下最先进的光刻机如此难研制?无限逼近物理学、材料学、精密制造的极限