世界上最顶尖的光刻机来自荷兰,荷兰是如何做到的?:答:近几年来,中国科技行业遭到国外的严重打压,尤其是电子芯片成为我国半导体领域最突出的短板,生产芯片
答:近几年来,中国科技行业遭到国外的严重打压,尤其是电子芯片成为我国半导体领域最突出的短板,生产芯片最重要的设备是光刻机,世界上先进的光刻机主要由荷兰一家名为阿斯麦(ASML)的公司制造,市场占有率超过80%,而其中最先进的极紫外光刻机(EUV光刻),全世界只有ASML一家公司能制造。
ASML虽然是一家荷兰的公司,但是出口光刻机受到西方国家的严格控制,ASML的大股东包括美国因特尔、台湾积体电路制造(台积电)、韩国的三星、荷兰皇家飞利浦电子公司等等,其中因特尔占有股份大约为15%,台积电大约5%。
ASML的股份结构相当复杂,国际上众多大公司参股,使得ASML形成一个庞大的利益共同体,但是ASML受到《瓦森纳协定》的约束,中国也是被该协定限制的国家之一,一些敏感的设备和技术无法出口到中国。
光刻机是当今世界科技领域的集大成者,是人类当前科技的巅峰产物,ASML之所以能制造最先进的光刻机,也是因为特殊的股权结构,使得ASML能汇集当前各项前沿科技,整合各种零部件。
一台光刻机重达几十吨,包含十多万个零部件,每台机器从下单到交付要21个月,单价格超过1亿美元,即便这样买家还是排着长队,数据显示,ASML在2017年交付了12台光刻机,2018年18台,2019年26台,预计2020年达到35台。
第一台电子计算机诞生于1946年,位于美国的宾夕法尼亚大学,当时研究人员使用了18000个电子管,1万多个电阻和电容,6000多个开关,总重量30多吨,启动时功率高达150千瓦,运算能力为每秒5000次。
每秒5000次的计算能力,还远远比不上现在几块钱的掌上计算器,人类科技之所以有这么大的进步,就是因为有了芯片的发明,而芯片的发明者是美国人杰克·基尔比,他在2000年因此获得诺贝尔奖。
杰克·基尔比1947年毕业于美国伊利诺斯大学,然后就职于德州仪器,担任研发工程师,期间产生了一个天才的想法——把所有的元器件弄到一块材料上,并相互连接成电路。
杰克·基尔比很快付诸实践,并开始构思这个电路,然后以硅作为材料,制造出了人类第一个芯片,他把自己的想法告诉公司后,受到了公司的高度重视,次年,杰克·基尔就申请了专利。
利用杰克·基尔比发明的芯片,我们就可以把一台几十吨的计算机“装进”一个指甲盖大小的体积内,而且运算速度大幅提高,功耗大幅降低。
光刻机的基本原理并不是机密,但其中的零部件不是谁都能制造的,以至于外国人对我们说“即便把光刻机的所有图纸给你们,你们也造不出来光刻机。”
制造芯片首先需要用到的材料就是高纯度硅,然后把硅切片得到晶圆,接下来就是高精度的晶圆加工,也是光刻机中的核心技术。
我们首先在晶圆上涂一层特殊的材料,该材料在光线的照射下会融化蒸发,于是我们使用绘制好图案的透光模板,经过特殊激光照射后,就能在晶圆表层的材料上刻出图案,然后用蚀刻机刻蚀晶圆,分化学刻蚀和电解刻蚀(比如用等离子体冲刷等等),而没有涂感光材料的部分将保留下来。
经过刻蚀后,晶圆表面就留下了很多凹槽,我们向其中选择性地掺入磷等元素,就能形成N型半导体;掺入硼等元素,就能形成P型半导体;掺入铜等元素,就相当于导线;三者按照一定的空间结构结合,就形成了PN结(PN结可以理解为一个开关),大量PN结按照一定方式进行组合,就能完成相应的数学运算。
实际当中,一块芯片的结构是三维的,在一层光刻和蚀刻完成后,需要清洗干净,然后再光刻和刻蚀下一层,这样一直叠加十几二十层,形成了立体的芯片,也就是这么一张小小的芯片,里面包含了数十亿、甚至上百亿个晶体管(晶体管包括二极管、三极管等等),比如华为麒麟990的晶体管数达到了103亿。
ASML生产的EUV光刻机,每小时能雕刻100多块晶圆,每块晶圆又能分割成许多个块芯片。
物镜制造技术
光刻机的原理并不难,但是要生产其中的零件并不容易,其中最昂贵且最复杂的零件就是投影物镜,由于芯片光刻的尺寸只有几纳米,所以对投影物镜的误差要求极高,一张直径30厘米的物镜,要求起伏误差不超过0.3纳米,相当于地球这么大的球体,要求表面凹凸不能超过10cm。
这样的精度要求,全世界只有德国的蔡司公司能制造,连日本尼康、佳能这样的透镜大厂也做不出来,更不用说中国的公司了。
另外,光刻机中的光源也是一项难以攻克的技术难关,对于深紫外光(DUV)刻,使用的光源波长是193nm,这是光刻机中的一个技术分水岭,芯片发展曾经在193纳米光源停滞了十多年的时间,后来浸没技术缩短波长(原理是在表面镀上一层薄薄的水膜,利用光的折射现象,可以缩短光的波长),加上各项技术的改进,最终193nm光源可以把芯片制程推进到28nm,这也是深紫外光刻的极限。
极紫外光刻(EUV)使用波长更短的激光(13.5nm),相对于深紫外光刻,需要重新研发刻蚀材料、光刻胶、刻蚀工艺等等,对精度的要求进一步提高,目前只有荷兰ASML一家公司能制造极紫外光刻机。
而且西方国家对我国的技术打压是非常狠的,比如2009年的时候,中国上海微电子研发出90纳米的光刻机,在2010年西方国家就解除了90纳米以上的光刻机对中国出口的限制,2015年又解除了65纳米光刻机对中国出口的限制,让中国的光刻机技术发展完全失去市场。
在这样的情况下,中国芯片产业的发展举步维艰,光刻机包含的关键技术太多,一时半会我们是绕不过去的;其实中国并不缺乏人才,只不过人才要用到什么领域,需要政策引导才行,想到中国天眼FAST在2018年的一次网上招聘,年薪10万难觅驻地科研人才,让人感慨不已。
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光刻机恰恰是全球化的产物。
以水为介质的浸润式微影方式起点在台积电。
超细十三纳米波长紫光技术来自美国里根时期。该技术推动者是英特尔。
还有德国蔡司提供的独一无二的反射镜。
ASML一开始就是轻资产战略,90%零配件外购,每年投入十三亿欧元的研发费用。8000多员工有7000多研发人员。所以是资本密集和技术密集型的企业,深度嵌入到全球产业链当中。为什么其他竞争对手没有赶上ASML?如尼康。因为他们嵌入芯片这条产业链还不够深入。
英特尔、台积电和三星分别出资41亿、8.38亿、5.03亿欧元,在研发过程中,ASML的研发实际上是开放式和沟通式的,他们会反过来询问这三家企业的意见。因为ASML光刻机的任务就是尽量延伸摩尔定律。摩尔定律就是英特尔创始人戈登摩尔提出的:当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。这就要求元器件单个体积减少,让同样大小的芯片能够容纳更多。而如此细微的芯片,在制造时候需要通过摄像投影的方式来展现出芯片设计的线路。
这台机器必然精度极高,技术十分复杂。而全球化产业链中,大量精细制造的企业就是围绕这个体系在不断完善自己的技术。我们经常说,有些企业一个镜片都要专研数代人,这些器具用来干嘛的?就是为了同步于这类高精度产品的创新。
ASML基本不会缺钱,因为只要开口,三大股东会争先恐后的奉上资金。而正是因为这种横向的大企业之间的合作,使得这条产业链上ASML成为唯一。
反过来,尼康的问题就在于不够全球化,或者换个话说死于“工匠精神”。我们看到很多日本传统手艺保护的很好。日本很习惯一直延续主流技术路线往下走,变通十分困难。也不善于吸收他国技术特长,从而在技术上很明显和ASML拉开了差距。我们以前在其他问答也提到过日本社会这种现象,论资排辈,父死子继等固化特征,导致了尼康到黄光之后再无技术能力往前推进一步。追求稳定性的英特尔自然而然将订单整体转移给了ASML。(日本不停点错科技树原因大致始于其阶层固化)
如何让技术走牛:尊重知识,嵌入全球价值链,然后用技术竞争的方式踢走对手,如ASML踢走尼康。广纳全世界人才,要有包容心。融合实践精神的教育体系,培养有用的人才。
光刻机是顶级科技的合成体,也就是说光刻机决定着现代科技技术先进程度,光刻机是制造纳米芯片的核心设备,没有光刻机那就是没有高端芯片,世界上顶级光刻机就是荷兰生产组装的光刻机,很多人都在百思不得其解,为什么荷兰这样一个小国家能生产出世界最顶级的光刻机,荷兰的技术难道比英美日法德还先进吗?
从光刻机的角度来说能独自生产的国家有好几个,但是能独自做到最顶级的目前没有,就算是美国日本都独自做不出来,而荷兰却生产出来了最先进的光刻机,是怎么做到的,其实原因在于荷兰只是在组装完成光刻机,并不是自己独自研制生产,现在这个最先进的光刻机是一个万国牌的组装产品,各种零配件世界各科技强国提供。
现在世界上最先进的光刻机是荷兰的ASML,其次就是日本的NIKON和日本的CANON,这三个品牌是世界上最好的了,荷兰的最好,因为荷兰的是各国高科技的合成产品,最主要的光源和镜头来自德国,荷兰的光刻机90%的零配件是全世界采购,一台光刻机的配件超过五万的零件,90%的配件来自全世界,也就是说约四万五千个零件来自世界各地。
再者荷兰这家光刻机公司跟世界多家大公司有利益关系,跟三星,台积电 ,英特尔,高通,海力士等等都有利益,这些企业在荷兰光刻机公司都有可观的股份,全世界一大半的电子产业公司跟这家光刻机有利益关系,这些公司为荷兰公司提供资金支持,所以这家公司向来不缺钱,可以采购最好的产品用来组装,不过核心技术荷兰也掌握有。
全世界只有这家公司可以生产7纳米及以下的光刻机,日本的光刻机生产公司也做不到,可以说全世界独此一家别无分号,美国科技水平非常的先进,美国也单独做不出来这样先进的光刻机,并不是美国不能研制光刻机,而是做不到荷兰这家公司的这个程度,日本也一样,我们也一样做不到这样的水平,但是我们做到了20纳米的水平,还需要时间去追赶。
我们能做到20纳米的水平已经非常的厉害,日本德国美国这样的科技工业强国也做不到荷兰的光刻机水平,我们暂时做不到也不奇怪,如果我们能获得世界上最好的光刻机配件,我们也一样能做到荷兰光刻机的水平,只是现在是我们自己努力,我们在跟全世界赛跑,我们能做到这个水平已经非常厉害了,我们如果能在基础工业上做得再好一点,在精密机床和工匠精神在提高一点,达到世界先进水平指日可待。
因为荷兰是个小国,小国没有争霸的实力;其次荷兰位置不错,处于欧洲比较中间的地方,并且离英法德不远,第三,荷兰跟美国关系不错。说以才能成就荷兰这个领域的霸主地位,没有德国的镜头,美国的光源,日本的微电子零件,还有全球多个多个国家顶尖的技术加持,才能有这样一台最先进的光刻机,如果这个厂子在法国试试,早就被美国英国德国联手弄死了;当然,阿斯麦自己本身的研发能力还是非常强大的
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中芯国际推出了n+1方案,可能也是因为ASML光刻机不卖给中芯的原因,确实在面对光刻机的限制,我们没有任何方法,只能想着采用各种方式来解决。但是,最简单的解决方式,买一台荷兰ASML的光刻机就能解决的问题,最终还是被现实给打败!
为什么呢?因为荷兰ASML在国际社会中,占据的优势非常大,几乎垄断了光刻机市场,特别是EUV的光刻机市场。为何荷兰ASML可以如此强大?原因在于——
阿麦斯能够形不断挑战摩尔定律,而它对于光科技技术的提升,实际上是集合了,多种技术方面的提升,比如,它需要向德国蔡司提供的镜头,也需要美国公司供应的光源…
确实,ASML光刻机真正的体验了全球化大生产的功绩。对于荷兰阿麦斯来说,是不愿意去是催生新的竞争对手的,这就是为什么将三星海力士英特尔等公司拉入到自己公司中,成为阿麦斯的股东之一?除了获得先进的技术支持之外,还有一个最关键的因素是不想让其他的企业成为阿麦斯的竞争对手。
其实我们知道像佳能,尼康,这些企业都是目前在光刻机领域有所研究的企业,为什么绝大多数的市场特别是高端市场,没有这种运行模式,自然以一个公司和一群公司竞争,谁赢呢?
总结下,ASML的成功,是——
光刻机最牛逼的应该是尼康,全球首台达到14nm节点制程能力的光刻机——日本尼康NSR-S621D。最新的7-10NM节点的ArF液浸扫描光刻机nsr-s630d已经由尼康出炉,参数超越ASML旗舰。nsr-s630d与Asml公司旗舰duv型的twinscan nxt1970ci相比,smo/mmo套刻对准精度要高于后者 。
日本gigaphoton做为世界首家研发成功并量产目前本世代深紫外光刻(DUV)技术中最先进的ArF 193nm准分子激光光源的厂商。在光源这个光电子领域最上游的环节中,gigaphoton和cymer也是仅存的两家有能力开发次世代极紫外光刻机用LPP型(激光等离子体)光源的制造商。
日本尼康继年向intel提供4台后,又接到由Intel IBM GLOBALFOUNDRIES TSMC Samsung共同投资的次世代芯片晶圆联盟Global 450 Consortium的价值300-400亿日元的450mm级液浸晶圆曝光机订单。也是目前为止仅有的两笔450mm晶圆制造设备订单,在次世代晶圆用母机领域,尼康已经领先死对头ASML和日本同行一步。截止2013年度,日本gigaphoton的用于制造激光光源的准分子激光器已在全世界累计交付过千台,今后还将持续增长,其最新的ArF准分子激光器——GT63A已向ASML出货。
荷兰出牛奶,出奶粉,奶粉造粒技术基数大 设备盘子大进化基础好,进化快,
荷兰的奶粉行业托起了纳米银粒制造设备的高级进化,
纳米银粒,是光刻制版技术的核心,是胶卷照相机底片的银基。
荷兰是老牌海盗国家,望远镜制造原始经验积累丰富 ,光学透镜第一手光学数据详实精准,非一般国家二手数据库可比。
光刻机一直是芯片制造的关键设备之一,对于中国这样的芯片进口大国来说更是需要高端的光刻机,而目前中国大陆公司能制造的光刻机(量产芯片的)是90nm的,据说28nm的今年年底能够试产,我们拭目以待!(PS:个人对于这样的宣传不是作为评判标准,而是以能够商用作为评判标准!)
为什么荷兰能够做到最顶尖的光刻机呢?个人认为有以下几点关键要素:1、ASML的资本策略;2、技术联盟;3、国际巨头或者财团的默许。
ASML是一群从飞利浦出来的工程师创办的,创立之初也是受到了巨头公司的排挤,这个现象是很正常的,但是ASML还是凭借着当初“不要脸”的精神,一直到处游说政府或者相关企业投资它而存活了下来,而ASML能够成为当今的第一,一次关键性的转折就是推出世界第一台以水为介质的浸润式微影实验样机!该技术受到业界的欢迎,迅速成为主流!
就在ASML发展的同时,ASML做出了一个决定,游说自己的客户成为自己的股东,可以优先和更低的价格给自己的客户供货,然后自己可以安心的研发光刻机,一时间很多大厂纷纷入局,担心自己落后或者不能够第一时间获得更先进的光刻机!这也是ASML全面快速发展的助推剂!迅速使得ASML成为光刻机的头把交椅!
个人的观点,这个技术联盟一个是指《瓦森纳协议》,另一个是指ASML背后资本的大厂之间达成的默认的技术联盟!
《瓦森纳协议》就是以美国为首的40多个国家之间的技术和信息互通的一个联盟,说白了就是形成一个高端技术壁垒,尤其是针对一些不是自己帮派的发展中国家!
ASML背后的资本,最大的股东是英特尔,主要是由美国控制,像三星,SK-海力士,台积电都在其中,甚至都会提供一些相关的技术!
所以着简直就是一帮行业巨头形成的垄断!
基于以上两点,在ASML背后的国际巨头或者财团都能获取利润或者掌控着光刻机这一关键设备,所以从某种意义上不仅仅默许,而且还会大力扶持,提供相关的一些资源和技术!
所以,ASML的发展离不开众多公司的支持,ASML的成功更像是这些巨头或者财团扶持的一个“虚设”的牌面公司!
供应链全球化,用了美国提供的世界上最好的极紫外光源,德国蔡司世界上最好的镜片和光学系统技术,还有强制让三星,台积电,英特尔等客户入股投资了ASML并一起参与开发和反馈设备问题,ASML得到了最先进的技术和大量的资金支持。
中国目前由于瓦纳森条约先进设备禁运,中国只能靠自己发展光刻机,虽然道路很艰难,但是我们是可以不断突破的
现在微电子集成电路技术对世界的各种科技电子产品越来越应用广泛了,一个国家的发展越来越离不开高端芯片了,一个国家越是发展得越快对高端芯片需求量越大,比如我国的芯片需求占世界的50%以上,到现在我们的比较有名芯片设计商就是华为的麒麟了,但是依然跟国际水平还是有一定差距,在芯片制造流程中的高端光刻机更差得远一点。
对,世界上最顶端的光刻机来自荷兰阿斯麦的极紫外光光刻设备,荷兰在近代史上也是一个传统的强国,而荷兰在一些科技方面的技术也是非常先进的 毕竟作为西方阵营的一员,荷兰自身肯定有能拿的出手的东西,再者像荷兰的代表作,芯片制造机器光刻机就是非常厉害,至少目前来说是世界上最先进的光刻机器,绝对实至名归。
制造芯片最好的光刻机来自荷兰,荷兰怎么做到的?
一,是荷兰阿斯麦公司是自世界各国大公司投资的公司,其中大股东就有(美国)的英特尔公司,韩国三星,还有我国的台积电。这样的的好处是集资容易,风险共担,重要的是有美国大股东控制着。
二,是荷兰阿斯麦生产的光刻设备,一些重要部件来自世界很多国家,比如最重要的光源技术来自美国的一家公司,镜头來自德国等,这里又有美国公司参与控制。
三,是觉得把这种高科技公司放在荷兰可以更好的垄断这个产业,不使技术外流,如果把这样的公司放美国、国内可能会被析分成至少两家公司,这样人才技术就会不集中,研发起来慢,也可能浪费钱,造成产能过剩,而在荷兰就没有这种法律,这样就比较好控制。
四,是美国掌握着世界芯片最顶端的芯片设计技术,光刻机是为芯片服务,如果美国停止设计高端芯片,那么荷兰的高端光刻机毫无用处,产量也是被美国控制着,不过这种优势美国越来越掌握不住了。
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