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国产光刻机往事:中国半导体产业正在苏醒

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发表于 2019-6-11 11:15:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
这是最好的时代,也是最坏的时代。

中国的半导体产业正在不断苏醒,但有些地方却仍掣肘于他国。

别的不说,先来谈谈光刻机吧。在芯片制造漫长的产业链中,光刻机是最为耀眼的明珠,它代表了人类科技发展的顶级水平,它是芯片制造中必不可少的精密设备。

简单来说,做芯片缺了光刻机就相当于被人掐住了脖子,在半导体产业逐渐抬头的这一年,光刻机却并没有多大起色。很遗憾的说,在高端光刻机领域,中国没有发言权。

难道光刻机从发明之初,中国就一直落于人后?不好下定论。文学史上有一句话:“脱离时代背景去分析人物事件都是耍流氓。”

因此,小编尽可能将自己投身于时代的洪流,站在几十年后的今天,用浅薄的历史观去揭开沉重的枷锁。走进最初的光刻机时代,顺着时间脉络,找出中国光刻机发展的历程。此文仅为抛砖引玉,各位看官若有更独到的见解也不妨指点一二。







缘起70年代

1952年,二战的硝烟刚刚散去,中国开启了计算机事业,国家成立电子计算机科研小组,由数学研究所所长华罗庚负责。从这一年开始中国第一次有了经济数据,GDP总量是日本的1.76倍,却仅仅达到美国的8.3%。总量大于日本,但人均比日本少,发展水平与日本有一定差距,但差距并不算大。也就是说1950年代的中国和日本基本处在同一水平线上,但跟美国比根本不够看。

1952-1959中美两国GDP对比

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1952-1959中日两国GDP对比

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1956年,我国第一只晶体三极管诞生,自此与发达国家一样,中国也进入半导体新纪元。此时距离贝尔实验室研发的世界上第一只点接触三极管已经过去了9年。

1958年我国第一枚锗晶体管试制成功。

1961年我国第一个集成电路研制课题组成立。

1962年我国第一代硅平面晶体管问世。

1965年,我国第一块集成电路在北京、石家庄和上海等地相继问世。其中包括中国科学院半导体研究所、河北半导体研究所、北京市无线电技术研究所等。

划重点,在1962年,我国出现了硅平面晶体管。何为平面晶体管?

据百度百科资料:“采用平面工艺制作的晶体管,就叫做平面晶体管。”而这所谓的平面工艺,主要就是利用光刻技术和二氧化硅膜的掩蔽作用来进行选择扩散和电极的蒸发。而对比上文可知,我国1965年第一块集成电路诞生,可以大胆推测,我国利用光刻技术制造集成电路芯片的时间,差不多处于1965年前后。

1977年,中国恢复高考制度,中国年轻人被压抑10年的悸动与渴望得到释放,而正是在这一年,我国最早的光刻机-GK-3型半自动光刻机诞生,这是一台接触式光刻机。资料如图所示:

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当时的美国在20世纪50年代就已经拥有了接触式光刻机,期间相差了二十几年,并且在一年之后,GCA又推出真正现代意义的自动化步进式光刻机(Stepper),分辨率比投影式高5倍达到1微米。

此时的光刻机巨头ASML还没有出现,日本的尼康和佳能已于60年代末开始进入这个领域。

之后一年,改革开放,也就是1978年,1445所在GK-3的基础上开发了GK-4,把加工圆片直径从50毫米提高到75毫米,自动化程度有所提高,但还是没有摆脱接触式光刻机。

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通过查阅《光电工程》1981年第05期期刊得知,同一年,中国科学院半导体所开始研制JK-1型半自动接近式光刻机,并在1981年研制成功两台样机。

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文中同时也提到了:

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这两段文字很明显可以看出,当时中国已经知道分步投影光刻技术的显著优点,但是苦于国内生产工艺尚不成熟,所以很难实现。

1982年科学院109厂的KHA-75-1光刻机,这些光刻机在当时的水平均不低,最保守估计跟当时最先进的canon相比最多也就不到4年,而且从jkg系列至今仍再销售的情况来看,都具有不错的使用价值。

1985年,机电部45所研制出了分步光刻机样机,通过电子部技术鉴定,认为达到美国4800DSW的水平。如果资料没有错误,这应当是中国第一台分步投影式光刻机,采用的是436纳米G线光源。按照这个时间节点算,中国在分步光刻机上与国外的差距不超过7年。

时间捋到这里,我们再来回顾一下五十年代-八十年代整个中国半导体产业的发展。五十年代开了个好头,到六七十年代的时候,中国大陆的电子工业、半导体工业仅次于美国,领先于韩、台、日。1979年上海元件五厂和无线电十四厂甚至成功仿制英特尔公司1974年推出的8080CPU,比德国仿制成功还早一年。

一切都向着美好的方向发展,老一辈革命者和建造者奉献自己的青春,造就了中国的半导体产业,很多资料显示,当时中国的半导体产业虽然没有超越当时世界最先水平,但是差距并不大。更重要的是,打造了从单晶制备、设备制造、集成电路制造的全产业链,基本不依赖国外进口,也就是说,中国以一国的供应链去追赶整个西方发达国家联盟的供应链。要知道,当时英特尔也是用的日本的光刻机。







被丢失的80年代

然而80年代来了。

1984年,实属平常也不平常的一年,有一些东西开始悄然发生改变。脱下朴素的衣着,年轻人开始穿喇叭裤跳霹雳舞,理发店永远排满人,那是个以梦为马的年代。

同年,苹果发布了营销史上最伟大的电视广告《1984》。

还是这一年尼康已经和GCA平起平坐,各享三成市占率。Ultratech占约一成,Eaton、P&E、佳能、日立等剩下几家每家都不到5%。

就是这一年,日后的光刻机市场的绝对霸主ASML诞生了。

80年代底,中国开始奉行的"造不如买"的政策,一大批企业纷纷以"贸工技"为指导思想。产业抛却独立自主,自力更生的指导方针,盲目对外开放。

没有顶层设计,中国的集成电路在科研,教育以及产业方面出现了脱节,中国独立的科研和产业体系被摧毁,研发方面是单打独斗,科研成果转化成产品的微乎其微。

产业在硬件上沦为组装厂,为外资企业提供廉价劳动力;在软件上围绕国外制定的技术标准和技术体系马首是瞻,软件工程师转变为廉价的码农。

极其少数坚持独立自主路线的企业,在买办和外资的夹缝中求生存。

眼看他起朱楼,眼看他楼塌了,中国半导体在五十年代到七十年代创造的盛景成了泡沫。

覆巢之下无完卵,此时的光刻机产业又能好到哪里去?

虽然后续一直在跟进研发,但大环境的落后加上本来就与世界先进企业有差距,纵使中国在各个时间点上都有代表性成果,却终究没有在高端光刻机领域留下痕迹。

千禧年的醒悟

九十年代,光刻光源已被卡在193纳米无法进步长达20年,科学家和产业界一直在探讨超越193纳米的方案,当然这个难点最后在2002年被台积电的林本坚博士所攻破,他在一次研讨会上提出了浸入式193nm的方案,最终通过获得成功。

此时的中国才刚刚开始启动193纳米ArF光刻机项目,足足落后ASML20多年,这时候ASML已经开始EUV光刻机的研发工作,并于2010年研发出第一台EUV原型机,由三星、台积电、英特尔共同入股推动研发。

这时候的半导体产业突然活了过来,2000年之后,中国芯片进入了海归创业和民企崛起的时代。中星微的邓中翰于1999年回国,中芯的张汝京于2000年回国,展讯的武平和陈大同于2001年回国,芯原的戴伟民于2002年回国,兆易的朱一明于2004年回国,他们带着丰富的经验和珍贵的火种,跳进了中国半导体行业的历史进程之中。

2002年,上海微电子装备有限公司承担了“十五”光刻机攻关项目,中电科45所把此前从事分步投影光刻机的团队迁到了上海,参与这个项目。至2016年,上海微电子已经量产90纳米、110纳米和280纳米三种光刻机,其中性能最好的是90nm光刻机。目前,我国从事集成电路前道制造用光刻机的生产厂商只有上海微电子和中国电科旗下的电科装备。

到这个节点,国际上已经放弃了157纳米的光源,除ASML掌握了EUV光源技术之外,其他各家使用的都是193纳米ArF光源,中国在这点上与除ASML之外的“外国”是同步的。

总结来说,中国光刻机研制起于70年代后期,初期型号为接触式或接近式光刻机,85年完成第一台分步光刻机,此后技术一直在推进,各个时间点均有代表性成果,并未出现所谓完全放弃研发的情况,但也并没有多大的起色。

不知有多少人会可惜曾经失去的80年代。







星星之火

40年过去了,中国仍旧没有走出困境,但细枝末节处已见微光。

2015年4月,北京华卓精科科技股份有限公司“65nmArF干式光刻机双工件台”通过整机详细设计评审,具备投产条件。目前,65nm光刻机双工件台已获得多台订单。接下来公司要完成28nm及以下节点浸没式光刻机双工件台产品化开发并具备小批量供货能力,为国产浸没光刻机产品化奠定坚实基础。作为世界上第二家掌握双工件台核心技术的公司,华卓精科成功打破了ASML公司在工件台上的技术垄断。

2017年6月21日,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所牵头研发的“极紫外光刻关键技术”通过验收。

2018年11月29日,中科院研制的“超分辨光刻装备”通过验收。光刻分辨力达到22纳米,结合双重曝光技术后,未来还可用于制造10纳米级别的芯片。

曝光系统和双工件台系统的成功,成为了燎原的点点星火,为我国高端光刻机的研发生产提供了奠定坚实基础。

更好还是更坏?没有人可以预测,正如华为创始人兼总裁任正非在最近的一次访谈中说道:“自研芯片光砸钱不行,企业更需要物理学家、数学家等。”

光刻机想要进入高端领域不光要砸钱还要人才。

不破,则不立。

附:光刻机简介

光刻机简单来说就是放大的单反,将光罩上的设计好集成电路图形通过光线的曝光印到光感材料上,形成图形。最核心的就是镜头,这个不是一般的镜头,可以达到高2米直径1米,甚至更大。

到今天,根据使用光源的改进,光刻机已经经历了五代产品的发展:

1.436nm g-line

可以满足0.8-0.35 微米制程芯片的生产,对应设备有接触式和接近式光刻机。

2.365nm i-line

同样可以满足0.8-0.35 微米制程芯片的生产。设备于上相同。

最早的光刻机采用接触式光刻,即掩模贴在硅片上进行光刻,容易产生污染,且掩模寿命较短。此后的接近式光刻机对接触式光刻机进行了改良, 通过气垫在掩模和硅片间产生细小空隙,掩模与硅片不再直接接触,但受气垫影响,成像的精度不高。

3.248nm KrF

最小工艺节点提升至350-180nm 水平,在光刻工艺上也采用了扫描投影式光刻,即现在光刻机通用的,光源通过掩模, 经光学镜头调整和补偿后, 以扫描的方式在硅片上实现曝光。

4.193nm ArF

最小制程提升至 65nm 的水平。第四代光刻机是目前使用最广的光刻机,也是最具有代表性的一代光刻机。

5.13.5nm EUV

1-4 代光刻机使用的光源都属于深紫外光, 第五代 EUV光刻机使用的则是波长 13.5nm 的极紫外光。目前只有ASML有能力生产。

目前光刻机市场主要的光刻机供应商有荷兰的ASML、日本的NIKON和CANON,以及中国大陆的上海微电子装备(SMEE)。但高端光刻机市场是由ASML一家,ASML公司掌握80%的国际市场份额,2018年营收109亿欧元。

本文封面图来源于图虫创意
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