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中科院入局光刻機,中美芯片角力全面展開。是選擇奮起直追還是彎道超車?

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美國的工程師說過:僅僅是光刻機其中的一個小零件我都調了整整十年!

荷蘭ASML表示:我就算公開圖紙,別人也造不出光刻機。

近日,中科院院長白春禮也表示,為了防止美國在科技上卡中國脖子,中科院將針對重點關鍵技術進行針對性研發,並重點強調了光刻機技術。

西方這麼狂?那什麼是光刻機

光刻機又名:掩模對準曝光機,曝光系統,光刻系統等。常用的光刻機是掩膜對準光刻。

一般的光刻工藝要經歷硅片表面清洗烘乾、塗底、旋塗光刻膠、軟烘、對準曝光、後烘、顯影、硬烘、刻蝕等工序。

光刻的意思是用光來製作一個圖形,在硅片表面勻膠,將在掩模版內部刻著線路設計圖轉移到光刻膠上的過程也就是將器件或電路結構臨時"複製"到硅片上的過程。

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ASML光刻機到底為什麼可以獨步全球?

光刻機這種東西需要依靠全世界的頂尖技術,ASML能成為這一產品的絕對巨頭不過是運氣使然。

ASML光刻機需要多個國家的多家巨頭公司合力研發,其內部零件數量多達10萬個,整臺機器重量高達180噸。是全球多個科技強國的頂尖技術相互融合的結晶。

而最新一代光刻機EUV的三大核心技術領域,頂級的光源(激光系統)、高精度的鏡頭(物鏡系統)、精密儀器製造技術(工作臺),其中鏡頭被德國的蔡司壟斷,精密儀器製造技術也來源於德國。頂級的光源來自美國企業Cymer。其他設備中,光學設備是日本的、軸承是瑞典的、閥件是法國的、製造技術則是臺積電和三星的。

ASML只掌握了不到10%的核心技術。

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連ASML總裁 Peter Wennink 也在媒體上發言稱:"我們是系統集成商,我們將數百家公司的技術整合在一起,為客戶服務。這種機器有 80000 個零件,其中許多零件非常複雜。以蔡司公司為例,其為我們生產鏡頭,各種反光鏡和其他光學部件,世界上沒有一家公司能模仿他們。"

由於用到了大量來自美國以及西方國家的技術,所以以美國為首的西方國家才能理直氣壯的限制中國採購ASML光刻機。

ASML不過就是一個攢局的,意外的被世界工業推上神壇。

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小孩子才做選擇,我們全都要!

1.奮起直追——中國光刻機的進展

今年,國產光刻機廠商上海微電子在之前90nm的基礎上,宣佈將於年底量產28nm的immersion式光刻機,在2021年至2022年交付國產第一臺SSA/800-10W光刻機設備。該設備正是屬於第四代浸沒式光刻機,單次曝光可以直接生產28nm芯片。通過浸沒式光刻和步進光刻等工藝,第四代光刻機最高可以實現 22nm 製程的芯片生產,同時這也接近了它能力的終點。當然,如果不考慮成本,還可以通過多重曝光來製造 7 納米芯片,但拋開成本談技術完全就是耍流氓。生產是要有收益的,拋開商業化單純為了生產而生產,最後的選擇就只剩倒閉了。

為滿足半導體產業對於芯片製程已經發展到 14nm、 10nm、7nm的需求,需要一種全新的技術--極紫外光刻技術 EUV。EUV的吸收波長從 193nm 直接下降到了 13.5nm,半導體產業的希望屬於第五代極紫外光刻機。而我國第四代光刻機的商業化要到2021年至2022年,想要達到第五代還要等些時日,不過時間雖長,卻讓我們看到了追平西方的希望。

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2.彎道超車——芯片製造的未來

進一步縮小晶體管尺寸是提高計算機算力和打破技術瓶頸的重要突破口。晶體管越小,芯片上的容量就越大,處理器的速度就越快,計算機效率也就越高。

當硅基芯片突破1nm之後,量子隧穿效應將使得"電子失控",芯片失效(確切的說,5nm甚至7nm以下,就已經存在量子隧穿效應)。這種情況下,替換芯片的硅基底,也許是芯片進一步發展的可行出路之一。早在2016年,《科學》雜誌就報道了勞倫斯伯克利國家實驗室的研究成果:世界上最小的晶體管——1納米柵極長度的二硫化鉬(MoS2)晶體管

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中國則提出了利用碳納米管來取代硅的方案,科學界普遍認為碳納米管自身的材料性能遠優於硅材料,碳管晶體管的理論極限運行速度可比硅晶體管快5~10倍,而功耗卻降低到其1/10,因此是極佳的晶體管制備材料,這也是為什麼中國會研究碳納米管的原因。

2020年,北京大學張志勇教授和彭練矛教授課題組發展全新的提純和自組裝方法,並使用該方法制備出高密度、高純半導體陣列的碳納米管材料。在此基礎上還首次實現性能超越同等柵長硅基 CMOS 技術的晶體管和電路。

具體來說就是在4英寸的基底上,製備出密度為120微米、半導體純度高達99.99995%、直徑分佈在1.45±0.23 nm的碳管陣列,從而達到超大規模碳管集成電路的需求。這也標誌著中國碳基芯片已經具備批量化製備的可能性。在芯片革命中處於第一梯隊。如果中國可以率先實現碳基芯片量產商用,那麼中國將會在新一代材料革命中將佔據主導優勢。

中科院入局光刻機,中美芯片角力全面展開。是選擇奮起直追還是彎道超車?

中國芯片製造業的領先等於以一國之力戰勝整個工業世界。而就在中科院正式表態進入光刻機後,ASML也同時宣佈將在中國加大布局,其心險惡不言而喻。

對我們來說無論是奮起直追還是彎道超車,都不失為一種選擇。我們人多,可以多種方案齊頭並進,人多就是這麼任性。雖然前路道阻且長,但我依舊期待這一天的到來,你呢?

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