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國產(chǎn)光刻機的“行軍難”

商界觀察
2023-03-16

3月8日,ASML發(fā)表聲明回應荷蘭政府即將出臺的半導體設備出口管制措施。ASML稱,這些新的出口管制措施側(cè)重于先進的芯片制造技術(shù),包括最先進的沉積設備和浸潤式光刻系統(tǒng),ASML將需要申請出口許可證才能發(fā)運最先進的浸潤式DUV系統(tǒng)。ASML強調(diào),這些管制措施需要一定時間才能付諸立法并生效。

 

3月9日,外交部例行記者會上,有媒體提問,據(jù)報道,荷蘭外貿(mào)與發(fā)展合作大臣施賴納馬赫爾向荷議會致函稱,出于國家安全考慮,荷蘭將于今年夏天之前對其芯片出口實施限制性措施。中方對此有何評論?

 

外交部發(fā)言人毛寧表示,中方注意到有關報道,對荷方以行政手段干預限制中荷企業(yè)正常經(jīng)貿(mào)往來的行為表示不滿,已向荷方提出交涉。

 

01 EUV與DUV的分類

 

目前的光刻機主要分為EUV光刻機和DUV光刻機,二者的最大的區(qū)別在光源方案。

 

DUV是深紫外線(Deep Ultraviolet Lithography),EUV是極深紫外線(Extreme Ultraviolet Lithography)。前者采用極紫外光刻技術(shù),后者采用深紫外光刻技術(shù)。

 

EUV的光源波長為13.5nm,但最先進DUV的光源波為193nm,較長的波長使DUV無法實現(xiàn)更高的分辨率,因此DUV只能用于制造7nm及以上制程的芯片。

 

EUV是未來光刻技術(shù)和先進制程的核心。為了追求芯片更快的處理速度和更優(yōu)的能效,需要縮短晶體管內(nèi)部導電溝道的長度,而光刻設備的分辨率決定了IC的最小線寬。因此,光刻機的升級就勢必要往最小分辨率水平發(fā)展。光刻機演進過程是隨著光源改進和工藝創(chuàng)新而不斷發(fā)展的。EUV作為5nm及更先進制程芯片的剛需,覆蓋了手機SoC、CPU、GPU、1γ工藝DRAM等多種數(shù)字芯片,譬如蘋果的A15、高通的Gen1及以后系列芯片等。

 

從兩種光刻機的市場應用來看,EUV光刻機是芯片行業(yè)目前最尖端的技術(shù),主要用于生產(chǎn)5nm及以下的芯片,這些芯片主要用來生產(chǎn)蘋果、高通、三星等手機及平板處理器,也主要集中在消費領域;其他60%以上的工業(yè)還不需要5nm及以下的芯片制程和技術(shù),這類芯片主要由DUV光刻機生產(chǎn),覆蓋大部分的圖像傳感器、功率IC、MEMS、模擬IC以及邏輯IC等。

 

02 光刻機的起步

 

1961年,美國GCA公司制造出了第一臺接觸式光刻機。關于中國最早的光刻機,有一種說法是1966年,中國科學院微電子研究所的前身——109廠與上海光學儀器廠協(xié)作,研制成功中國第一臺65型接觸式光刻機。

 

70年代初,美日等國分別研制出接近式光刻機,而中國卻一直停留在接觸式光刻機。

 

1977年,江蘇吳縣舉行了全國性的光刻機座談會,明確要改進光刻設備,盡快趕超世界先進水平。于是清華大學精密儀器系、中電科45所等先后投入研制更先進的光刻機。隨后在1985年,中電科45所研制出的分步式投影光刻機,通過電子部技術(shù)鑒定:達到美國GCA在1978年推出的4800DSW光刻機水平。當時,ASML才剛剛誕生。

 

如此來看,國產(chǎn)光刻機還算是擁有一個還不錯的起點。然而由于中國半導體產(chǎn)業(yè)整體力量太薄弱,在擴大對外開放的背景下,“造不如買”的思潮迅速蔓延全國。因此,國產(chǎn)光刻機雖然研發(fā)出來,卻沒有很好的下游應用市場,無法真正走上市場和商業(yè)化的道路,只能停留在實驗室研究階段。

 

此后的二三十年,這種現(xiàn)實愈演愈烈,中國光刻機對外的差距也越來越大。在缺芯少魂的擔憂下,中國喊出了“砸鍋賣鐵也要研制芯片”的口號。在中國必須掌握集成電路的主動權(quán)的戰(zhàn)略重視下,國產(chǎn)光刻機重新艱難起步。

 

2002年,光刻機被正式列入“863重大科技攻關計劃”。2008年,國家又成立“極大規(guī)模集成電路制造裝備與成套工藝專項”(02專項),以建立自主的高端光刻技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展能力作為重大、核心的戰(zhàn)略目標。

 

經(jīng)過將近20年的攻關,光刻機的集成技術(shù)終于完成從0到1的關鍵突破,在雙工作臺、光學系統(tǒng)、物鏡系統(tǒng)、光源系統(tǒng)方面均有企業(yè)相繼研發(fā)成功。

 

在光源方面,中國科益虹源公司自主研發(fā)設計生產(chǎn)的首臺高能準分子激光器,以高質(zhì)量和低成本的優(yōu)勢,填補中國在準分子激光技術(shù)領域的空白,其已完成了6kHZ、60w主流ArF光刻機光源制造。

 

在光學鏡頭方面,盡管與卡爾蔡司、尼康等公司還有非常大的差距,但2020年奧普光學曾在互動平臺表示,公司生產(chǎn)的Caf2光學晶體應用范圍較廣,客戶可根據(jù)實際需求進行二次開發(fā),產(chǎn)品可以用于光刻機的光學系統(tǒng)中。不過,去年7月,奧普光電在互動平臺表示,公司目前沒有產(chǎn)品用于光刻機項目。

 

在光刻機整機生產(chǎn)(中游)方面,上海微電子是國內(nèi)技術(shù)最領先的光刻設備廠商,其90納米的光刻機已獲得突破。

 

中國光刻機的制造力量正在不斷加強,然而目前中 國的光刻機量產(chǎn)能力只有90nm,中國在實現(xiàn)更先進的芯片制造中仍然困難。與此同時,在光刻機進口道路上同樣暗潮涌動。先是在2019年,美國限制ASML研發(fā)的最先進EUV設備銷往中國。如今更進一步,似乎對DUV的出口也要作出新的限制。

 

03 國產(chǎn)光刻機的行軍難

 

回到本次討論的DUV上。ASML強調(diào):“新出口管制并不適用于所有的浸入式光刻工具,而只適用于所謂‘最先進的’”。另外ASML還指出,先進程度相對較低的浸潤式光刻系統(tǒng)已能很好滿足成熟制程為主的客戶的需求。

 

由于DUV光刻機中的浸潤式光刻機分很多種型號,有些只能生產(chǎn)14nm以上工藝,有些能夠生產(chǎn)最高7nm工藝。所以浸潤式光刻機,究竟哪些能夠賣,哪些不能賣,就成為了大家最關注的問題。

 

目前ASML浸潤式的光刻機主要有三種型號,分別是TWINSCAN NXT:2050i、TWINSCAN NXT:2000i 和TWINSCAN NXT:1980Di。由于沒有收到明確定義,ASML將“最先進”解讀為“TWINSCAN NXT:2000i及后續(xù)浸沒式系統(tǒng)?!?/p>

 

根據(jù)ASML的解讀,其NXT:2000i及之后的浸沒式光刻系統(tǒng)將會受到出口限制。這也意味著,NXT:1980Di仍將可以出口,即國內(nèi)大量采用NXT:1980Di進行成熟制程制造的晶圓廠將不會受到影響。

 

一方面,根據(jù)ASML官網(wǎng)的數(shù)據(jù),TWINSCAN NXT:1980Di的分辨率是大于等于38nm,數(shù)值孔徑是1.35NA,每小時可以生產(chǎn)275片晶圓。目前這臺浸潤式光刻機,普遍用于14nm及以上的芯片制造。理論上NXT:1980Di依然可以達到7nm,只是步驟更為復雜,成本更高,良率可能也會有損失。足以見得,主要的成熟芯片的生產(chǎn)并未受到影響。

 

另一方面,中國擁有ASML難以放棄的廣闊市場。根據(jù)ASML財報,2022年該公司共出貨345臺光刻設備產(chǎn)品,其中有81臺浸沒式DUV光刻機(ArFi),占比為23%。所有產(chǎn)品中,42%銷往中國臺灣,29%銷往韓國,14%銷往中國大陸,銷往美國的只有7%。

 

高端光刻機集合了全球各國最頂尖的科技,如:德國的蔡司鏡頭技術(shù)、美國的控制軟件和光源 、日本的特殊復合材料等,下游廠商為了獲得優(yōu)先供貨權(quán)紛紛投入巨額資金支持ASML研發(fā)。所以,國產(chǎn)光刻機的突圍并非易事。目前,國產(chǎn)的深紫外線光刻機正處于研發(fā)的關鍵進程之中。在這背后,包括上海微電子在內(nèi)的多位國產(chǎn)玩家正在攻關。

 

在ASML的通路受阻之后,中國企業(yè)采購DUV光刻機的通路,還剩下尼康和佳能。目前,日本也尚未表明態(tài)度。未來向外采購這條道路將會變得越來越不確定。在這種情況下,自主研發(fā)光刻機的提速將變得愈發(fā)迫切。

 

中國龐大的半導體市場需求擺在這里,市場需求必然會驅(qū)動技術(shù)創(chuàng)新去逐步攻克光刻機技術(shù)。但目前關于國產(chǎn)光刻機和芯片等研發(fā)的進程,都是在實驗室的數(shù)據(jù)中,真正能落實到量產(chǎn)和生產(chǎn)線的,還會有很懸殊的路要走,才能最終落地。

 

除了加大力量研發(fā)光刻機之外,中國還在嘗試其他芯片路線。比如光芯片,量子芯片等等,在最近幾年已經(jīng)取得了一定突破,目前中國已經(jīng)有不少企業(yè)申請了量子芯片技術(shù)相關專利,如果未來量子芯片能夠得到應用,這將有利于我們減少對傳統(tǒng)硅基芯片的依賴。

 

未來的路,道阻且長。

 

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