1中国9nm光刻机机难还是室温超导难？

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2023-08-04 14:12 标签： 中国9nm光刻机
开头如果说台积电能够卡住全球半导体脖子的话，那么荷兰阿斯麦的光刻机，就能卡住台积电的脖子。它家最新生产的EUV光刻机，能够生产7纳米及以下的芯片，世界上只此一家别无分号。既然完全垄断，那价格也是阿斯麦自己说了算1.2亿美元一台，爱买不买！而且产能有限，自2015年交付第一台EUV光刻机以来，截止2021年上半年，一共才交付了116台，其中台积电就拿走了一大半。那么阿斯麦的光刻机，凭什么能卖那么贵？光刻机制造难点熟悉《星球大战》的朋友都知道光剑吧，在那个主题设定里，光剑可是一种高科技武器。同样，在光刻机里，也有一把“光剑”，它能在晶圆上刻画芯片电路，这是芯片生产最基础也最关键的一环。这玩意有多复杂？一台EUV光刻机重达180吨，零部件高达10万多个，超过2公里以上的软管，需要40个集装箱来运输，仅安装调试就需要一年左右。而且85%以上的材料，都来自全球超过5000家供应商。比如它里面就用到了德国的蔡司镜头，日本的特殊复合材料，瑞典的精密机床，美国的先进控制软件、光源等，都是业内顶尖的技术水平。是不是看起来，阿斯麦公司更像一个系统集成商？但是，如果想要组装一台光刻机，也不是随便哪个厂商就能做到的。比如光刻机里的镜头，在组装过程中，为了达到仪器能够检测、分辨的最小值。需要将多达数十个光学镜面按照设计要求严格排列，每一个透镜的位置、姿态、间距都有严格的要求。此外，为了保障晶圆图案的质量，光刻机中每一块透镜的位置误差都必须小于1nm，同时还要能尽量消除光损失而产生的热量。玩过单反的朋友，估计都知道镜头设计是多么复杂，更何况光刻机使用的是超大、超多组镜片。在工艺上，光刻机所要求的镜面光洁度非常高，需要采用精度最高的打磨机和最细的镜头磨料，还需要顶级的计算机数控光学表面成形技术相关的技师。而能达到要求的技师少之又少，连拥有175年历史的蔡司，达到光刻机镜头生产标准的技师也仅有20人。目前，由蔡司生产的最新一代EUV光刻机反射镜，能够做到最大直径1.2米，面形精度峰谷值0.12纳米，表面粗糙度20皮米。这是什么概念呢？如果把镜头放大到地球那么大，它上面只允许有一根头发丝那样的凸起，这可能是宇宙中最光滑的人造物体了。有了镜头，当然还需要光源，光刻机里的光源技术是来自美国Cymer公司。想要产生波长为13.5nm的极紫外光，其实是一个比较复杂的过程。简单来说，就是用20kw的激光，不断轰击从空中滴落的液态锡珠。这些液滴的直径非常小，只有20微米，大概相当于头发丝直径的1/3，并且液滴在真空环境中是处于自由下落的状态。而且同一个液滴需要在极端时间内被连续轰击两次，第一次冲击是将它压平，第二次冲击是将它汽化，使之成为发光的等离子体，这样才能产生足够强度的极紫外光。更重要的是，轰击所产生的光转瞬即逝，因此需要每秒钟轰击约五万次，才能保证光的持续性。为了让激光束能以极大的功率稳定传输，系统的复杂性可想而知。事实上，EUV的激光系统就有大约45万个零件，重约17吨，线缆长度超过 7000 米。其中高达20kW的二氧化碳激光器，所需电源功率达到了200kW，但即使这样，它的最终效率也才只有5.5%。别看转换效率不高，这已经是科学家们经过数次技术迭代，能够实现的最高水平了。要知道最初的发光效率仅有0.8%。以上还仅仅是光刻机的镜头跟光源部分，还有其他许许多多复杂的零部件，而提供它们的供应商各个都是细分领域的绝对王者。也难怪有人说，EUV光刻机就是人类智慧的结晶，代表了人类科技的巅峰！
1、最牛的光刻机公司长什么样子？我们先来看一下全球最大的光刻机生产公司ASML：占据全球80%的市场份额，高端光刻机市场接近垄断，目前我国要突破14纳米及以下先进制程必须找它买。ASML的客户包括了全球半导体鼎鼎大名的三星半导体、台积电、英特尔等。ASML的公司市值现在是1736亿美元，相当于波音+英特尔。ASML的拳头产品EUV光刻机可以卖1.2亿欧元一台，EUV等光刻机技术让全世界的半导体公司生产出比头发丝还细一千倍的晶体管。ASML的市值相当于波音+英特尔ASML总部位于荷兰，1984年成立，在全球拥有超过60个分支机构（横跨3个大洲）。ASML在全球拥有3.2万员工，其中14871人负责运营，11831人搞研发，4140人负责销售和支持。2021年收入186亿欧元，其中169亿欧元来自亚洲（很大一部分来自中国大陆、韩国、中国台湾），16亿欧元来自漂亮国，1亿美元来自中东和东欧。AMSL简介2021年实现收入186亿欧元（2020是140亿欧元），去年半导体缺货，很多大厂纷纷新建工厂买设备，毛利率是52.7%（这个毛利率很高），研发投入是25亿欧元，净利润是59亿欧元（2020年是36亿欧元），赚的盆满钵满。ASML 2021年关键财务数据2021年ASML全球有3.2万员工，员工来自122个国家。从这里看出，ASML吸收的不仅仅是荷兰或者欧洲的人才，而是集中全球大部分国家的人才和智慧，才能把光刻机做到极致。ASML给欧盟的科研项目贡献了3030万欧元。ASML的社会表现2、从零研发一台EUV光刻机的可能性？不得不说：这个概率很低。ASML这么牛，它是怎么把价值1.2亿欧元的光刻机研发出来的，它不是靠自己一个人去研发，它是整合了全球最牛的合作伙伴，包括台积电、英特尔、三星等客户客户，包括镜片、光源系统、精密结构件等零部件供应商，包括Lam、TEL等设备供应商，包括IMEC等科研机构以及大学。半导体生产工艺简价值上亿美元的EUV光刻机AMSL的成功来源于Open Innovation生态系统。ASML有一套独特的管理方式和流程将这些合作伙伴组织起来，一起研发价值上亿美元的光刻机。ASML在全球的合作伙伴你把一台光刻机拆开，你会发现其中有几个比较关键的东西：EUV光源、EUV镜片、EUV载台。这些核心零部件都是零部件厂商和ASML一起合作，研发了好多年，耗费了很多人的心血和大量研发资金才搞出来的。半导体制造工艺概述当我们在谈论从零开始造一台高端光刻机的时候，我们的意思是，从零开始造镜片、光源、载台以及其他核心零部件，也就是不依赖国外的合作伙伴，从新发明轮子，一个个零部件重新来一遍。试想一下，当我们把其中某个零部件比如镜片做出来，就已经是世界级供应商，更何况要把每个零部件都要做到世界级水平，而且还要做成一个能用的光刻机的难度是多么的巨大！这也不是不可能，第一需要招到全球足够牛逼足够多的人才，第二是要投入巨大的研发成本，第三是付出足够的时间和努力，第四是依靠一套高效的管理方式把这些人给组织起来。芯片光刻过程AMSL绝对不是靠自己研发，而是依赖全球的合作伙伴的智慧，整合其他供应商、合作伙伴的技术和创新，为我所用。仅仅靠自己是远远不够的。我们从小的教育是几个人一起合作，一般公司的研发更多的是依靠内部封闭式的研发，依赖公司的几个部门或者部分人去研发一项技术或者某个产品。ASML的Open Innovation生态系统就是足够开放，培育了一个生态，这个系统中每个公司、每个人各司其职，贡献自己的技术或者创新。ASML的研发流程在现在这个环境下，我们更要团结一切可以团结的对象，像ASML学习，打造一个开放式的研发系统，更多的是考虑合作，而不是仅仅考虑竞争。Open Innovation生态系统其实就是一套方法论，一套降低复杂系统开发难度和研发风险的体系，因为开发高科技产品的风险是非常高的，没有好的体系和方法是难以取得成功的。ASML的Open Innovation生态系统举例关注我，一个芯片行业摸爬滚打10余年的打工人，转行交流+企业内推+业务合作+芯片学习。
世界上有100多个国家和地区，能够制造出原子弹的国家，才区区9个国家。然而，全世界能够制造光刻机的国家，只有个位数。可在高端光刻机(EUV)领域，全世界就只有荷兰一个玩家成功研制出EUV光刻机。（荷兰阿斯麦公司研制的EUV光刻机）难道高端光刻机的研制难度真的比原子弹还难吗？事实上，原子弹和光刻机分属两个不同行业，不具有可比性。不过，我们不能够忽略一个事实，那就是能够研制高端光刻机的国家确实比能研制出原子弹的国家少很多。二 高端光刻机为什么这么难研制呢？其实主要在于高端光刻机集结了物理学、光学和化学等一系列综合技术的研发与应用，它的研制难度非常大。（光刻机巨头——ASML）咱们以荷兰ASML（阿斯麦）公司为例，它们研制的EUV光刻机只有20%左右的专利和设备是由它们公司提供，像光刻胶和镜片等一些东西就需要其他公司提供。与其说EUV光刻机是荷兰ASML公司研制的，倒不如说是西方国家一起研制的EUV光刻机。光刻机研制的难度主要集中在以下几点：其一，光源难题。光刻机，顾名思义，就是利用光来硅片上雕刻电路，从而达到人们所需的芯片。而这种光可不是咱们平时见到的那种太阳光。而是一种紫外线，不同级别的光刻机所使用的光源也不一样。DUV光刻机主要使用的是短波紫外线；（EUV光刻机出现之前，人们使用长达几十年的DUV光刻机来雕刻芯片）EUV光刻机主要使用的是极紫外线。ASML生产的EUV光刻机主要使用的是美国一家公司提供的极紫外线光源。极紫外线是由短波紫外线经历多重反射才到达。一个稳定且持续输出的极紫外线光源是高端光刻机生产芯片的重中之重。如果没有稳定的光源，那么所生产的芯片良品率将会大打折扣，这样不仅增加了生产芯片的成本，甚至还影响芯片的性能，更影响企业的生产效益。其二，光刻机的反射镜片。EUV光刻机主要使用的是国际老牌光学巨头蔡司公司研制的光学反射镜片。据说蔡司公司生产的高端光学镜头，就连哈苏和徕卡这些光学巨头都难以企及。（据说，蔡司是唯一可以研制EUV光刻机光学反射镜片的公司）光学反射镜片在EUV光刻机中占据重要地位，就是把母版上的电路图按照一定的比例精雕在硅片上，这是制造芯片的关键步骤之一。如果没有做工精良的反射镜片，哪怕是有稳定的极紫外线光源，也难以精雕出芯片。其三，EUV光刻胶。EUV光刻胶可以说是光刻机中最不起眼的东西。它在整个EUV光刻机中所占据的比重并不高，但是谁要是小瞧光刻胶，那么绝对要吃大亏。可以说，光刻胶在芯片中所占据的地位甚至不比光源或反射镜低。只因缺少了光刻胶，EUV光刻机就难以精雕出高端芯片。或者说大概出来雕刻出残次品。目前日本在光刻胶领域占据龙头地位，其中JSR公司、东京应化、富士胶片和住友化学等公司占据的比重最多，富士胶片和住友化学还可以生产EUV光刻机专用的光刻胶。除了以上几个难题以外，还有光刻机的操作台和超干净的工作场所等问题，只有解决了这些难题才有机会制造出高端光刻机。三 中国有能力自己研制光刻机ASML公司的CEO曾经非常傲慢地告诉全世界，哪怕是把光刻机地图纸送给中国，中国也造不出来。中国有句古语：骑驴看唱本，走着瞧。静待他们自己打自己脸的那一刻儿。不曾想，打脸来的太快了。2020年，ASML公司的某位高管宣布要向中国出售不需要美国许可的DUV光刻机。ASML出售DUV光刻机的目的非常明确。其一，作为商人必须要出售光刻机来赚取高额利润，并且自己研发下一代光刻机提供资金保障。毕竟DUV光刻机性能相对于EUV光刻机差了不少，卖一些也无所谓。其二，打压国内研制光刻机的生产厂商。虽然现在我国可以研制出国产DUV光刻机，但是与ASML生产的光刻机相比没有任何优势，尤其是单价方面要高出不少。一旦ASML向中国倾销DUV光刻机，那么无疑会让原本脆弱的国内光刻机生产厂商雪上加霜，甚至有可能直接毁掉中国的光刻机生产企业。不得不说，ASML真的非常狠毒。然而，我们从这件事情可以看出外国人不仅忌惮我国集中力量办大事的态度，还想要通过卑鄙手段抹杀掉中国自己研制光刻机的能力，好让他们想着赚钱就怎么赚钱。另外，日本JSR公司CEO曾经扬言：哪怕是给中国一份光刻胶的配方，也难以实现量产高纯度和高精度的EUV光刻胶。不得不说他们真的非常傲慢。不过，越傲慢的人，越容易被打脸。我国不少化学公司布局光刻胶领域，有的化学公司已经攻克了光刻胶的一些专利，甚至研制出了适合EUV光刻机使用的EUV光刻胶，直接打破了日本在这一领域的垄断。（国产光刻胶虽然实现了从无到有的突破，但是市场占有率一直比较低，尤其是高端光刻胶市场，几乎看不到中国光刻胶的身影）现在我国在光学系统、物镜系统、双操作台、控制系统和光刻胶领域都有布局。虽然这些领域有的已经取得了突破性进展，有的暂时还没有取得突破性的进展，但是凭借着中国人智慧和能力，制造出高端光刻机只是时间早晚的问题。一旦中国成功研制出高端EUV光刻机，那么不仅对ASML来说，是个坏消息。要是国产高端EUV光刻机，可以大量生产，那么无疑会把EUV光刻机的价格干到白菜价。另外，中国几乎不用惧怕美国为首的西方国家在芯片领域对我国的打压。大家期待中国成功研制出EUV光刻机吗？#军情集结号#

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