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国产光刻机比ASML差多少?国产顶级光刻机停留在90nm工艺水平!

简介

2018年末的一系列新闻,《国产22nm光刻机通过验收环节,商业化量产取得重大突破》等缺乏严谨调查、理解的诸多文章在网络上疯传。既然真正国产的22nm光刻机仍处在研发阶段(去年的这一关于22nm突破性新闻仅指光刻机研发的某一领域获得的近战,而非光刻机落地。通过当时的报道和技术文献获知,GK-3光刻机和当时发达国家的主流光刻机产品工艺差距在20年左右。

国产顶级光刻机滞留90nm工艺,中芯、长江、华虹手里全是荷兰ASML

光刻机是什么?

简而言之,就是帮你把CPU从PPT上搬到电脑里的东西,也是这个地球上最值钱的“印钞机”之一。

2018年末的一系列新闻,《国产22nm光刻机通过验收环节,商业化量产取得重大突破》等缺乏严谨调查、理解的诸多文章在网络上疯传。虽然人民日报和部分电子科技类门户在第一时间出文批驳了这些严重混淆视听、影响普通读者理解的文章,但因造谣成本太低、网络流传泛滥等因素,导致这些“假新闻”至今仍在流毒之中。

细读文章之后,大家会了解这次“突破”仍是在光刻机的“光源”领域的一次国产化进展,而非光刻机整体落

ASML的7nm极紫外光源模组的成本是3000万美元,而此番国产22nm所需紫外光源仍是汞灯,成本仅数万元

由此新闻背景调查可知,这次的突破性进展依然是限于光刻机部分机能模块的研发成绩,而并非国产22nm光刻机已得到验收。既然真正国产的22nm光刻机仍处在研发阶段(去年的这一关于22nm突破性新闻仅指光刻机研发的某一领域获得的近战,而非光刻机落地。),那么真正的国产光刻机现在走到哪一步了呢?

吃瓜群众:“至少也要28nm,或者40nm了吧?”

抱歉,最终答案或许并不能让所有读者满意:中国目前性能最好、已成熟商业化运用、具备完全自主知识产权的量产化光刻机产品,仍然停留在90nm水准,也就是上海微电子的SSA600/20型90nm光刻机:

中国目前最顶级的、完全自主知识产权的量产化光刻机:上微电(SMEE)的SSA600/20型90nm光刻机

国产光刻机70年代末、80年代初就已落地,甚至能制造16万像素的CMOS成像元件

业界较为公认的第一台具备中国完全自主知识产权的现代光刻机——GK-3立项于70年代初期,并于1977年研制成功。通过当时的报道和技术文献获知,GK-3光刻机和当时发达国家的主流光刻机产品工艺差距在20年左右。

中国完全自主知识产权的首台光刻机:GK-3光刻机(1978年)

而1978~1981年的中科院109厂、878厂、1445所、上海钟表元件厂、上海无线电十四厂等单位也分别根据各自的生产、研发需求,成功试制了不少光刻机产品。它们提供了以80年代初期最新潮的电子计算器、电子表乃至数码相机(对你没看错)等或流行、或概念级的产品,此时的光刻机水准,离日本佳能、尼康的主流产品差距,也就只有4年左右。

1981年国产光刻机制造的CMOS成像元件即可达到16万像素级成像效果

但是,随着改革开放的深入,机电部45所在1985年成功研发的分步光刻机通过了当时电子部的技术鉴定,认为达到了4800DSW的水平(4800DSW为美国于1978年研发成功的产品),当时中国和发达国家的光刻机技术差距已经缩短为7年。

图为5G8080 CPU,是1979年仿制8080系列处理器的试制产品

按照圈内前辈的话说,中国的光刻机发展之路起步之高、供应链全环节自己自足性之强,在80年代前中期达到了巅峰。和西方主流产品相比,行业差距不大(5年左右),且各行业自主研发意愿极为强烈。

图为70年代末80年代初种类繁多的试制产品,基本上都是国产光刻机自给自足完成的

在当时的时代背景下,科研人员在研发初期就将供应链(本土化)渠道、成品率、可靠性、稳定性等多方面因素包含在整体项目方案之中,而非像当前一般过度依赖进口原料、进口设备。因此设备一旦通过验收,量产化之后应用于各行业的见效之快、收益之丰,其健康度完全不亚于现如今的IC配套行业。


国产光刻机21世纪再启攀登之旅,直面进步与差距

时间来到了上世纪80年代末,由于诸多“众所周知”的原因,科研领域的发展方向“换挡提速”,导致中国芯片行业丢失了20年,都是泪!!

直到进入21世纪之后,随着大批芯片行业顶尖人才陆续回国发展,才有了我们当下这一轮芯片二次革命的机会。而前文提过的中电科45所,在2002年将分步投影光刻机团队整个入驻上海微电子(SMEE),承担国家“十五”光刻机攻关项目。就是这秉承了中国电科领域三代人、超过半个世纪的积淀与开拓,才有了现在完全自主知识产权的90nm、110nm、280nm光刻机产品。

集合了中国电子科技行业3代人智慧积累的纯国产化光刻机产品



不要觉得它们工艺相对陈旧,要知道,这个世界上并不是所有的电子设备都需要陪你吃鸡、推塔、做副本,涉及到国计民生的重大项目和系统型工程,依靠纯自主产品才能最大化保证国计民生的稳固与安全。

在光刻机国产化的道路上,我们依然需要理性面对超过10年的技术差距。但这并不是什么值得羞愧的问题。要知道,即便贵为行业寡头的ASML,也是集合全世界几乎所有顶级发达国家之财力、人力、物力,才能制造出每一台当今世界上最好的光刻机。如果没有Intel、三星、AMD、台积电等国际一流企业数以百亿美元计的投资和无数次的试错、失败,ASML也不会成为今天光刻机领域唯一的霸主。

ASML(荷兰阿斯麦)光刻机

因此,每一个关注中国科技发展尤其是电子领域进步的普通读者,我们要做到的是什么?

了解现状、知己知彼,理性认识实力和差距;

摒弃自嗨式无良媒体的报道,客观认识IC业真相;

不做无意义的妄自菲薄,不可污蔑、诋毁科研人员每一步辛勤汗水换来的知识结晶;

不做盲人摸象之举,切勿以点俱全、掐头去尾放大新闻关键字。

中国芯片代工行业主流设备现状(无奈:ASML一统江湖)

一口吃成胖子不现实,回到80年代末那种“造不如买”的卖国主义思想更不可取。中芯国际目前初步掌握的14nm制程技术,依靠的依然是ASML提供的14nm光刻机来实现,而其他各家本土芯片厂也都在翘首以盼ASML的各精度光刻机来实现投产(或研发)。

紫光旗下长江存储(YMTC)用于制造3D NAND的光刻机是ASML(193nm沉浸式)产品

中国第二大芯片代工企业华虹,年底投入量产的设备也是ASML的193nm沉浸式光刻机

如果没猜错的话,中芯即将上马的14nm产能仍然也是靠这台ASML NXT1980Di完成的:

ASML高性能级NXT 1980Di光刻机,单价$72000000美元

而国内确实有用于7nm/5nm生产的高性能光刻机,且在去年已经投入使用。这就是2018年12月19日运抵江苏无锡的ASML NTX2000i DUV(双工件深紫外光刻机)。不过这台设备属于韩国厂商,它被SKHynix(韩国现代旗下)无锡工厂用于生产高性能DRAM芯片。

ASML NTX2000i DUV,具备7nm/5nm生产能力,单价约$90000000美元以上

值得注意的是,2019年9月5日,据韩国《中央日报》报道,在日本政府限制向韩国出口氟化氢、光刻胶、含氟聚酰亚胺等尖端半导体材料后,SK海力士设在中国无锡的半导体工厂已经完全使用中国生产的氟化氢取代了日本产品,可见无锡厂在中韩科技合作领域起到的远不止“代工厂”这一项作用,值得称赞!

NXT2000i DUV是极紫外光刻机前的重要过渡产品,也是后期7nm/5nm产能的重要补充

而前几日的爆炸性新闻《7nm成殇!ASML宣布中止向中芯国际供应EUV光刻机,哪怕钱都付了》中,中芯在2018年中向ASML购买的设备应该是比海力士这台机器更为高级的NXE3400B EUV。

每台售价近8亿人民币也要买(是的,比一架F22猛禽还要贵!),但目前能否顺利交付中芯仍存疑

看完上面这些,不知道读者们心中有何感想。所谓的中国自产自研,在现阶段依然停留在芯片研发的“图纸层面”。笔者绝不是说芯片研发水平和经验不重要,反观世界上绝大多数一流的芯片比如苹果的A系列、华为的麒麟系列处理器,AMD、Intel的处理器以及AMD、nVIDIA显示卡,都是优秀的芯片研发水平配合ASML的光刻机形成实物产品的。

然而,就像大前天这则新闻一样,一旦ASML断供光刻机、西方势力限制中国芯片代工产能,这对中国整个科技领域、电子产品领域意味着什么?这把屠刀已经举起来了,并且砍过一次ZTE,谁也不知道下一次会何时举刀、以及砍向谁。

因此,在我们欢欣鼓舞庆祝每一次芯片领域的重大突破之时,希望广大读者们深知ASML已经垄断全球芯片代工厂(市占率超过83.7%)的这一现状。如果中国没有自己的光刻机,谈CPU、内存国产化、谈芯片国产化真的无异于掩耳盗铃、水中捞月。

光刻机完全国产化之路仍需长征精神

综上所述,指望短期内中国完全自主、自研的主流级(28nm以下)、性能级(16nm以下)光刻机的制造是不现实的。更为可笑的是,笔者半个月前的一篇文章:《直接把第一代AMD EPYC霄龙,贴上中国制造的标签?不太合适吧》,不仅遭到了很多不明真相的读者恶意辱骂和吐槽,甚至还遭到了某大型科技企业公关部门的删稿警告,真是滑稽!

呵呵,特别说明的是,这颗CPU不仅不是靠中国设备生产的,它的代工方美国GF(格罗方德)也已经凉了。

抛开这些无益的争论,目前业内主流观点认为,中国在3年内掌握7nm的高性能级芯片的制造工艺及芯片研发流程,而制造出对应工艺的光刻机,至少还有15年以上的路要走,这是一次新长征,但它背后有国家大基金和各项政策的保障,有各行各业的刚需支撑,有十数亿中国人民的支持,它必将是一次漫长、艰辛、充满曲折与荆棘的征程。。。 。。。

然而,它必将胜利!

原文来自:朱红英聊育儿


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