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比原子弹还稀有,全世界仅有两个国家掌握,光刻机为啥这么难?

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综述

我国从一段艰难的抗争岁月中挣脱出来,非常能够明白“落后就要挨打”的道理。自从建国以来,我国不断发展壮大,在各个领域努力追赶。

现在的中国人人安居乐业,完全想不到就在上个世纪的建国初期,我国还经历过了严重的饥荒,无数老一辈对饿肚子的体验牢记在心,直到现在都舍不得浪费一粒米。

而就在四五十年前,我国经济还处在较为落后的阶段,小汽车还很少能见到,人们多数是骑着自行车,而电视机对于那时的很多人来说,也是根本买不起的价钱。


八十年代的自行车

直到改革开放以后,人们也逐渐富裕了起来,我国也在生物、军事、航天等领域逐渐取得了较为突出的成就,甚至连原子弹也造出来了。然而现阶段最为重要的光刻机技术仍然只是由两个国家掌握着,它的存在甚至比原子弹技术还稀有,以至于目前我国依旧在芯片上被“卡脖子”。

原子弹‍

中国第一颗原子弹的制造有多难,是现在的我们所无法想象的。

由于西方对中国的技术封锁,我国几乎是从零开始——从零开始学习基础、计算、建设场地、设计图纸。而当时的中国经济上一穷二白,科研技术也才刚起步,建造一颗原子弹对于那时候的中国来说,相当于是刚会爬的小婴儿,突然开口要学会飞一样令世界震惊。


中国原子弹研究人员

但是在形势所迫下,中国如果想要不受到欺负,就必须要抓紧时间搞原子弹,于是在国家的响应下,海内外的科研人才,比如放弃美国优厚待遇的钱学森,纷纷投入对原子弹的研究中,艰难地摸索中国的原子弹研发道路。

而一开始研制原子弹的设备,只有计算尺和手摇的计算机,甚至科研人员还一度将算盘当作了计算的主力,一点一点测算数据。就是在这样艰苦简陋的环境下,邓稼先带领团队,终于测算出来了模拟原子弹爆炸的参数。

这还不算完,科研人员又花费了三年的时间,克服了重重的困难,成功写出来了原子弹的理论设计,紧接着开始试验原子弹的模型了。


邓稼先用算盘测算参数

这也是极其困难的过程,科研人员们是在海拔约3200米青藏高原适应了高原反应和寒冷的天气后,完成原子弹试验模型的。

1964年5月,中国第一颗原子弹在青藏高原被科研人员们组装完毕后,被秘密送往了新疆罗布泊,将会在这个地方进行正式的爆炸试验。同年10月16日,随着一颗升腾在新疆罗布泊实验基地的蘑菇云的出现,新中国原子弹的成功也引起了世界人民的议论。


我国第一颗原子弹试爆成功

实际上依照目前的技术而言,原子弹的原理很简单,但是难的是反射性物质的提纯,原子弹的核心部件铀球,是需要铀235提纯,然后再放在里面,而这是难度最高的地方。

铀球的表面要求如同镜面一样光滑,误差不能超过头发丝的五分之一,对于尺寸的要求极其严格,然而当时我国没有数控机床,全是以人工的方式进行加工的,期间的难度可以想象。

现如今由于核武器的危害性和联合国的管束下,全世界有9个国家拥有核武器,可光刻机竟比原子弹还要稀有。


光刻机工作

光刻机‍

光刻机,简单来说,就是制造芯片的核心装备。它采用的是类似于照片冲印的技术,将掩膜版上的一些比较精细的图形,通过光线的曝光印制在硅片上面,因此又被叫作掩膜对准曝光机。

芯片的制作极其复杂,上面的线条都是以nm为单位,普通的刻刀材料根本无法在芯片上面操作,光刻机也就因此产生出来。

同时,光刻机是生产大规模集成电路的核心设备,一般是利用紫外线的方式,将光刻版的图形转移到了圆晶表面的光刻胶上,圆晶是制作芯片的基底,是后续工作能够继续完成的基础。


而一片圆晶就能制作出数十个集成电路,但是制造和维护光刻机需要高度的光学和电子工业基础,光刻机的价格往往非常贵,一般都是在3000万到5亿美元

全世界有能力生产光刻机的只有寥寥几家公司,目前技术最先进的是荷兰公司ASML,这家公司制造出来的EUV光刻机有10万个零件,可以做到雕刻7nm的精度,误差必须控制在纳米的级别,而做出一个芯片,大概需要3000步工序。

由于投入太过巨大,唯一能够批量生产高端光刻机的三家公司,日本佳能和尼康都并没有投进过多资金,因此目前的市场是由ASML占据了全球的85%


ASML光刻机

为什么难以制造‍

虽然说光刻机的工作原理“只是”看似简单的用紫外线对圆晶进行雕刻,但是实际上,目前最先进的EUV光刻机的7nm精度,相当于一根头发丝的万分之一,并且误差必须在纳米级别,难度极高,对高端技术的需求也巨大。

因此有人形容光刻机是:

“集合了数学、光学、流体力学、高分子物理与化学、表面物理与化学、精密仪器、机械、自动化、软件、图像识别领域顶尖技术的产物。”


光刻机误差要很小

随着技术的不断升级,芯片越来越小,同时对电路刻制的精细要求也就越来越高。事实上,这也是因为为了降低芯片的单价,获得更多市场。一块300nm直径的圆晶,如果使用10纳米的工艺,就能制出210块芯片,但是如果使用16纳米工艺,则就要少一倍,只能做出100块芯片

同时芯片使用的是,芯片体积越大,硅片的纯度就会降低,还会影响芯片的良品率。

光刻机并非只是一台普通的机器那么简单轻松,它是一个系统工程,一台高端的光刻机光是重量就有180吨,内部至少需要10万个零件,包括3万个机械件、200多个传感器等。

而这些零部件都是来自各国的高端产品,比如美国的光源设备和激光、瑞典的轴承和精密的数控机台、德国的机械工艺和蔡司镜头等,都是最顶尖的器件。


光刻机零部件数量庞大

可以说,荷兰的ASML光刻机公司背后是整个西方国家在为它提供着技术的支持,集中的是西方400多年来的技术积累,被称为“工业皇冠上的名字”

甚至有曾经参与过光刻机研制的工程师说,里面的一个零件就花了10年的时间调整,可以想象光刻机的难度有多大了。

研发光刻机还需要大量金钱上的投入,根据相关的数据显示,2019年ASML公司单单研发的经费就花费了4.8亿欧元,而在2012年研发EUV光刻机时,ASML公司差点因为耗费的费用太多而放弃。


光刻机的研发耗资巨大

对于中国来说,我们科技起步晚,经济也才发展起来十几年,工业基础相对薄弱,更别提芯片技术了,尤其是光刻机需要的零件,每一个都几乎赶超中国现有的技术。

哪怕是如今的超级大国——美国都需要联合其他国家一起制造一台光刻机,而中国一直以来都受到美国为首的西方国家的科技封锁,研发光刻机就越发难了。

光刻机的作用和影响‍

随着华为“芯片危机”,越来越多的人意识到了芯片对于我国的重要性,芯片是手机最重要的元件之一,对于手机产业非常重要。

而现在我们几乎出行都离不开手机的存在,打车、公交、吃饭等都通通需要手机进行扫码支付,我们的手机发展需要芯片的支持,而制造芯片的主要设备光刻机,更是极其重要的一部分。


手机芯片

早前因为国外长期以来禁止向我国售卖高精度的光刻机,我国的芯片技术曾经几乎停滞,后来才慢慢发展起来。

如果我国能够成功攻克光刻机技术,研发出属于中国自己的光刻机,那么将会推动我国发展缓慢的芯片领域快速前进。

科技是一个国家长盛发达的动力支持,国家想要发展壮大,想要在世界上拥有话语权,就需要强大的经济和科技支撑,才能在世界上保持长久的竞争力。

以前的中国科技并不发达,第一次和第二次的工业革命都没有赶上,于是我们只能用人工划动的老木船与西方蒸汽机做成的军舰相撞。


西方工业革命

我们深切地明白科技的重要性。有了光刻机,我们就不用担心西方对中国高新企业的封锁,可以自主研究与创新相关技术,拥有更多的芯片产能和市场地位。

中国所做出的努力‍

当然,事实上,我国并不是无所作为的,我国依旧是全球三大拥有光刻机制造能力的国家之一。

中国的光刻机起步其实很早,1971年就已经有了一台被看作是现在光刻机原型的机器。目前为止中国最厉害的光刻机生产商可以做出来90nm的芯片,这已经能够满足我国基础的国防和工业需求。


中国芯片制造

高端光刻机市场已经被ASML抢占,我国在低端光刻机上的市场占比也不小,上海微电子公司就在其中占了80%

此外就在2021年,上海微电子计划将实现28nm光刻机的量产,其曝光水平几乎与荷兰ASML公司的DUV光刻机相同,这也进一步催使ASML公司与中国的企业合作,意图抢先占据中国庞大的市场。

随着国外对我国科技企业的打压,我国芯片产业和半导体领域也在不断发展进步。在芯片制造上,中芯国际透露已经成功突破了7nm芯片碳基芯片技术,只要光刻机到位,立刻就能开始制作。


中芯国际芯片

另外3nm和5nm的技术也基本被掌握,甚至华为还预计在2022年就能够发布3nm的芯片。要知道目前来说世界上最顶端的就是7nm的芯片,中国的相关产业发展速度之快,已经能在国际上占据领先的水平。

尽管目前来说我国还无法做到量产7nm芯片,其他更精细的芯片还有着一段时间距离,但是中国芯片产业已经有了前所未有的发展。

并且在科学家们的努力下,中国光刻机还取得了巨大突破,不仅核心技术之一的双工作台已经被研发出来,而且还解决了光刻机辐射光源不足的问题,成为了全世界最先进的第四代光源。


中国光刻机

芯片制造的精度达到3纳米以下时,由于受到物理极限和工艺材料的影响,很可能无法进行量产。

而中科院根据英国科学家早前研究的石墨烯成果,自主研发出来了石墨烯圆晶,有望超过硅基芯片,成为未来航空航天、移动设备、新能源汽车电池等高新领域的重要组成部分,为国内芯片的发展开辟了一条新道路。

结论‍

尽管我国的芯片发展还未冲破来自美国的“束缚”,但是国内的光刻机技术处在不断发展中,美国已经没了全面限制我国芯片产业的能力。

想当年在那样艰苦的条件下,我国科研人员都能够手打算盘测算出庞大的原子弹相关数据,研制出了原子弹,现在的我们有了国家的经济支持,有了源源不断的科技人员,为什么不能做到以前的前辈能做到的事情呢?


中国新型超分辨光刻装备验收

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