中国芯的故事

中国芯在中美贸易战中表现的异常显眼,芯片除了设计门槛外,还有制造门槛。下面的这篇文章就是分析当前世界上最先进的芯片制造产品之一。

 

相信各位“科技控”的朋友圈已经被这张图刷屏了!对,中兴被限售芯片以后中国“科技控”们“喜大普奔”的事情终于来了——长江科技斥巨资4.6亿元人民币“喜提”ASML光刻机!那各位看官可能要问:什么是光刻机呢?今天小编就给您讲述一下新闻背后的故事——制造芯片的主要设备。中国芯的故事

芯片,本质上是一种大规模集成电路,而光刻机和蚀刻机都是在生产现代大规模集成电路过程中必不可少的设备,两种设备各司其职、不可互相替代。想要了解这两种设备的区别,就一定要知道芯片是怎么生产出来的。
什么是光刻机?什么是蚀刻机?
最通俗的说法,所谓的大规模集成电路就是把我们正常看到的电路变得很小、集成度大大提高,所以说我们正常看到的最简单的电路和芯片里面复杂而密集的电路没有本质的区别。中国芯的故事

图为复杂电路

中国芯的故事

图为最简单的电路
这个原理说起来当然是非常轻松的。但是在实际操作的过程中,如何让电路体积变得很小、很密集却让科学家犯了难:简单的电路我们可以用手搭,但是那么小、甚至于只有几个纳米宽的电路我们怎么搭起来呢?
于是在长期的探索中,科学家就找到了两种物质:一种我们比较熟悉——金属,另一种是光刻胶。这两种物质有什么奇特的地方呢?又跟芯片制造有什么关系呢?

简单说,光刻胶是一种胶状的物质,可以被光侵蚀掉,但是化学物质没法侵蚀掉它;金属不会被光侵蚀掉,而化学物质却可以侵蚀掉它。(虽然现在最先进的是用等离子蚀刻,但是我们这里先不说那个,说比较基础一点儿的原理)
所以说制造芯片的基本原理就是利用这两种物质的性质:在金属表面覆盖一层光刻胶,然后用光先把光刻胶侵蚀掉(就好像是拍照片显影那样,被挡住的地方照不到光,就会在光刻胶上留下来一个阴影),下一步再用化学物质浸泡,这样有光刻胶的那部分金属就不会被侵蚀、没有光刻胶的地方会被侵蚀掉——于是金属表面就形成了我们想要的形状。
这两个过程就是所谓的光刻和蚀刻,对应的设备就是光刻机和蚀刻机。
下面这幅图就是光刻机的原理,电路的形状一开始是画在一张比较大的分划板上的,然后通过透镜把电路的图案缩的很小,然后照射在涂抹了光刻胶的金属板上(就是所谓的晶圆了)。

中国芯的故事

图为光刻机的原理图
下面这幅图这是蚀刻的过程。可以看到,没有光刻胶的那部分金属在化学物质的作用下被溶解了,然后晶圆表面就变成了我们想要的形状。

中国芯的故事

图为化学物质腐蚀

中国芯的故事
图为芯片中电路的制造过程
那么中国现在两种设备的发展如何?其实从刚刚的大规模集成电路的制造过程上我们也看到了,光刻的复杂程度要远远高于蚀刻,所以光刻机的复杂程度也远远高于蚀刻机,所以现在世界上能够生产高端光刻机的国家没有几个。目前最先进的光刻机制造商是荷兰的ASML,可以说是仅此一家、别无分号(占有80%的市场份额),长江科技采购的光刻机正是出自这一厂商。现在,ASML使用的光线已经到了极紫外光(EUV),所以可以光刻7nm以下的大规模集成电路。中国芯的故事

图为ASML的高端光刻机
那么中国自己的光刻机是什么水平呢?非常遗憾的是,中国的光刻机水平落后世界很多,目前能够量产的光刻机只能够光刻90nm的大规模集成电路,跟最先进的设备差距可以说是极大的。也许试验室里有更高制程的光刻机技术,但是在量产、投入生产之前还只是镜花水月。
相对而言,中国在蚀刻机方面做的相对较好,现在中国最先进的等离子蚀刻机已经制造到了5nm的制程,并且7nm制程的蚀刻机已经在去年走出试验室,开始向台积电等厂商供货,这方面中国已经是世界顶尖水平。中国芯的故事

纪录片《大国重器》第二季中的国产蚀刻机
所以,制造芯片需要两条腿:光刻机和蚀刻机,而我们的光刻机距离世界顶尖水平还有相当遥远的距离,而在蚀刻机方面,我国的水平还是相当不错的,只是要戒骄戒躁、再接再厉。

转载自无线电

中小学技术教育的声音