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中科院入局光刻机,中美芯片角力全面展开。是选择奋起直追还是弯道超车?

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美国的工程师说过:仅仅是光刻机其中的一个小零件我都调了整整十年!

荷兰ASML表示:我就算公开图纸,别人也造不出光刻机。

近日,中科院院长白春礼也表示,为了防止美国在科技上卡中国脖子,中科院将针对重点关键技术进行针对性研发,并重点强调了光刻机技术。

西方这么狂?那什么是光刻机

光刻机又名:掩模对准曝光机,曝光系统,光刻系统等。常用的光刻机是掩膜对准光刻。

一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀等工序。

光刻的意思是用光来制作一个图形,在硅片表面匀胶,将在掩模版内部刻着线路设计图转移到光刻胶上的过程也就是将器件或电路结构临时"复制"到硅片上的过程。

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ASML光刻机到底为什么可以独步全球?

光刻机这种东西需要依靠全世界的顶尖技术,ASML能成为这一产品的绝对巨头不过是运气使然。

ASML光刻机需要多个国家的多家巨头公司合力研发,其内部零件数量多达10万个,整台机器重量高达180吨。是全球多个科技强国的顶尖技术相互融合的结晶。

而最新一代光刻机EUV的三大核心技术领域,顶级的光源(激光系统)、高精度的镜头(物镜系统)、精密仪器制造技术(工作台),其中镜头被德国的蔡司垄断,精密仪器制造技术也来源于德国。顶级的光源来自美国企业Cymer。其他设备中,光学设备是日本的、轴承是瑞典的、阀件是法国的、制造技术则是台积电和三星的。

ASML只掌握了不到10%的核心技术。

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连ASML总裁 Peter Wennink 也在媒体上发言称:"我们是系统集成商,我们将数百家公司的技术整合在一起,为客户服务。这种机器有 80000 个零件,其中许多零件非常复杂。以蔡司公司为例,其为我们生产镜头,各种反光镜和其他光学部件,世界上没有一家公司能模仿他们。"

由于用到了大量来自美国以及西方国家的技术,所以以美国为首的西方国家才能理直气壮的限制中国采购ASML光刻机。

ASML不过就是一个攒局的,意外的被世界工业推上神坛。

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小孩子才做选择,我们全都要!

1.奋起直追——中国光刻机的进展

今年,国产光刻机厂商上海微电子在之前90nm的基础上,宣布将于年底量产28nm的immersion式光刻机,在2021年至2022年交付国产第一台SSA/800-10W光刻机设备。该设备正是属于第四代浸没式光刻机,单次曝光可以直接生产28nm芯片。通过浸没式光刻和步进光刻等工艺,第四代光刻机最高可以实现 22nm 制程的芯片生产,同时这也接近了它能力的终点。当然,如果不考虑成本,还可以通过多重曝光来制造 7 纳米芯片,但抛开成本谈技术完全就是耍流氓。生产是要有收益的,抛开商业化单纯为了生产而生产,最后的选择就只剩倒闭了。

为满足半导体产业对于芯片制程已经发展到 14nm、 10nm、7nm的需求,需要一种全新的技术--极紫外光刻技术 EUV。EUV的吸收波长从 193nm 直接下降到了 13.5nm,半导体产业的希望属于第五代极紫外光刻机。而我国第四代光刻机的商业化要到2021年至2022年,想要达到第五代还要等些时日,不过时间虽长,却让我们看到了追平西方的希望。

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2.弯道超车——芯片制造的未来

进一步缩小晶体管尺寸是提高计算机算力和打破技术瓶颈的重要突破口。晶体管越小,芯片上的容量就越大,处理器的速度就越快,计算机效率也就越高。

当硅基芯片突破1nm之后,量子隧穿效应将使得"电子失控",芯片失效(确切的说,5nm甚至7nm以下,就已经存在量子隧穿效应)。这种情况下,替换芯片的硅基底,也许是芯片进一步发展的可行出路之一。早在2016年,《科学》杂志就报道了劳伦斯伯克利国家实验室的研究成果:世界上最小的晶体管——1纳米栅极长度的二硫化钼(MoS2)晶体管

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中国则提出了利用碳纳米管来取代硅的方案,科学界普遍认为碳纳米管自身的材料性能远优于硅材料,碳管晶体管的理论极限运行速度可比硅晶体管快5~10倍,而功耗却降低到其1/10,因此是极佳的晶体管制备材料,这也是为什么中国会研究碳纳米管的原因。

2020年,北京大学张志勇教授和彭练矛教授课题组发展全新的提纯和自组装方法,并使用该方法制备出高密度、高纯半导体阵列的碳纳米管材料。在此基础上还首次实现性能超越同等栅长硅基 CMOS 技术的晶体管和电路。

具体来说就是在4英寸的基底上,制备出密度为120微米、半导体纯度高达99.99995%、直径分布在1.45±0.23 nm的碳管阵列,从而达到超大规模碳管集成电路的需求。这也标志着中国碳基芯片已经具备批量化制备的可能性。在芯片革命中处于第一梯队。如果中国可以率先实现碳基芯片量产商用,那么中国将会在新一代材料革命中将占据主导优势。

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中国芯片制造业的领先等于以一国之力战胜整个工业世界。而就在中科院正式表态进入光刻机后,ASML也同时宣布将在中国加大布局,其心险恶不言而喻。

对我们来说无论是奋起直追还是弯道超车,都不失为一种选择。我们人多,可以多种方案齐头并进,人多就是这么任性。虽然前路道阻且长,但我依旧期待这一天的到来,你呢?

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