问题

中国有可能研发出成熟的光刻机吗?如果能,要多久?

回答
这个问题,确实是中国科技界乃至整个国家都高度关注的焦点。能否研发出成熟的光刻机,以及需要多久,这背后牵扯的技术复杂度和产业生态,远非一朝一夕能解决。

一、 光刻机有多“难”?

首先,得明白光刻机到底是什么。它不仅仅是一台精密的仪器,更是一整套复杂系统的集合,是电子信息产业皇冠上的明珠。它的核心功能是将设计好的电路图形,通过光源(如紫外光、极紫外光)照射,在高精度掩模版(相当于电路蓝图)上成像,然后传递到涂有光刻胶的硅片上,最终“刻”出芯片上的电路。

而“成熟”的光刻机,在当下,尤其是指能够制造最先进芯片(比如7纳米及以下制程)的EUV(极紫外)光刻机。制造这样的机器,挑战主要体现在几个方面:

1. 光源技术: EUV光源的波长极短(13.5纳米),这意味着需要全新的光源产生方式。目前主流技术是LPP(激光等离子体光源),通过高能激光轰击锡液滴产生,这个过程的能量转化效率极低,而且产生的等离子体充满了杂质,需要极其复杂的收集和净化系统。控制光源的稳定性和亮度,是巨大的技术难关。

2. 光学系统: EUV光是无法被普通透镜折射的,只能通过反射。这要求使用多层反射镜,由数百甚至上千层超薄钼/硅膜交替构成。这些反射镜的制造精度要求达到原子级别,表面平整度、反射率、膜层厚度都要精确到小数点后几位。整个光学系统就像一个极其复杂的“镜子迷宫”,一点点偏差就会导致成像失真,无法生产出合格的芯片。

3. 真空环境: EUV光在大气中会被吸收,因此整个光刻过程必须在超高真空环境下进行。维持如此高精度的真空系统,并能在其中进行纳米级的精密运动,技术难度不言而喻。

4. 精密运动与控制: 硅片和掩模版在光刻机内部的运动精度要求也是天文数字。一个微小的晃动,可能就会导致几十万甚至上百万个晶体管的错误。这需要极其精密的机械设计、传感器、反馈系统以及算法来协同工作。

5. 材料科学: 整个光刻机的每一个部件,从镜片材料、光刻胶、掩模版基底,到真空密封材料,都需要具备极高的性能和稳定性,对材料的纯度、热稳定性、机械强度等都有极其苛刻的要求。

6. 整机集成与良率: 将所有这些尖端技术集成在一台机器里,并且要保证其稳定运行、长期可用,最终还要达到能够量产芯片的良率,这是一个系统工程的极致体现。而且,光刻机生产本身就涉及大量的精密加工和检测设备,形成了一个高度复杂的产业链。

二、 中国可能研发出成熟的光刻机吗?

从理论上说,答案是肯定的。 中国在基础科学研究、工程技术能力以及国家层面的战略投入方面,都有足够的力量去攻克这些技术难题。历史上,许多看似不可能的技术突破,最终都实现了。

但从实际操作和时间表来看,这是一个极其漫长且充满挑战的过程。 毕竟,光刻机技术并非一蹴而就,而是由荷兰ASML公司凭借其在光学、精密机械、真空技术、材料科学等领域几十年的积累和迭代,才逐渐形成的垄断优势。

可能性分析:

1. 短期内(未来35年): 极大概率难以实现EUV光刻机的自主研发和量产。原因在于,现有的EUV光刻机技术壁垒太高,ASML已经在这条路上走了几十年,积累了大量的专利和knowhow。中国虽然在一些单项技术上可能有所突破,但要将其整合到一个成熟、稳定、可量产的EUV光刻机系统里,并且能达到与ASML竞争的水平,非常困难。

2. 中期(未来510年): 可能会在某些特定类型的光刻机(如DUV深紫外光刻机,尤其是193nm的ArF浸没式光刻机)上实现技术上的突破,甚至可能实现部分关键组件的国产化,但要实现整机完全自主可控,并具备与国际顶尖水平相当的性能和良率,依然充满挑战。

3. 长期(10年以上): 如果能够持续投入,并且在基础科学研究、人才培养、产业链协同等方面取得重大进展,那么理论上是有可能实现EUV光刻机的自主研发和生产的。这需要国家战略的坚定支持,以及整个行业不懈的努力。

三、 需要多久?

这是一个最难回答的问题,因为充满了不确定性。如果参考ASML的发展历程,以及目前中国面临的挑战,我们可以进行一个粗略的推测:

如果目标是追赶甚至超越EUV光刻机: 1520年以上,甚至更长,才能达到一个被市场认可的、能够与ASML抗衡的成熟度。这期间可能还会经历多次迭代和试错。

如果目标是实现DUV光刻机的自主化和部分国产化: 也许在510年内,可以在一些关键技术和整机集成上看到实质性的进展,但要完全摆脱依赖,达到国际先进水平,也需要相当长的时间。

为什么需要这么长时间?

技术积累的深度: ASML的光刻机并非突然出现,而是建立在荷兰、德国、美国等国家在光学、精密制造、真空技术等领域长期积累的基础之上。
产业链的完整性: 光刻机的制造涉及到全球最顶尖的供应商,比如蔡司(光学系统)、Veeco(薄膜沉积)、ASML的子品牌(如Hamilton Lumonics)、以及众多精密零部件制造商。中国需要建立起一个从基础材料、精密加工、检测设备到整机集成的完整、高端的产业链。
人才的储备: 这种复杂的系统工程需要大量具备跨学科知识的顶尖人才,而这类人才的培养和积累是需要时间的。
国际合作与封锁: 在发展过程中,能否获得必要的国际合作,以及如何应对可能的技术封锁,都将极大地影响进程。

中国在这方面的努力和进展:

值得注意的是,中国并非没有在这方面努力。上海微电子装备(集团)股份有限公司(SMEE)是国内在光刻机领域最主要的研发力量。近年来,SMEE在DUV光刻机方面取得了一些进展,例如推出过28nm的浸没式光刻机。

然而,与ASML最新的EUV光刻机(例如TWINSCAN NXE系列)相比,在分辨率、精度、光源技术、光源效率等方面,依然存在巨大的差距。

总结一下,中国研发出成熟的光刻机,特别是EUV光刻机,是可能的,但绝非易事,也绝非短期内可以实现。这需要国家层面的长期战略规划、巨大的资金投入、跨领域的协同创新、顶尖人才的培养,以及对整个产业链的梳理和升级。

这是一个国家科技实力的全面体现,也是一场旷日持久的攻坚战。我们或许能在一两年内看到一些局部的技术亮点,但要真正“成熟”,能够大规模生产最先进的芯片,则需要至少十几年,甚至更长的时间。这期间,关键在于能否持续投入、克服困难,以及如何在全球科技竞争的大环境下稳步前进。

网友意见

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之前打了草稿,没写好就不发了。但因为写了草稿就关注问题了。本来不想写的,但看到的答案都是什么玩意儿。

特别是那些落后几代,就时间累加。搞fba的人会跟你说某某技术,国产的与国外的有多难。

难道中国的希望是放你身上了?除了能证明你没有改进的能力,并没有能证明中国做不出来,或者说这几年做不出来。

在已经有前人做出来了,需要的就是砸人,砸钱。不断试错。多工艺齐头并进。时间大幅度缩减

其实我是乐观派。我比较认同代谢增长论,新区域中心取代旧区域中心

芯片制造作为基础硬件与上层应用及服务的基石,完全称得上工业化信息化的制高点。芯片制造安全可靠,工业化信息化才有保证。

所以,国家十分重视半导体制造产业。

特意搞了02专项和成立国家集成电路基金。

芯片制造之所以门槛高,主要是因为利润是倒金字塔。

意味着进行就亏损,一亏十几年很正常

光刻机主要有荷兰的ASML,日本的尼康,佳能。中国的上海微电子装备集团。大家都知道高端光刻机完全被ASML垄断。而尼康主要集中在ArFi和ArF之前的光源,佳能则在2010就退出了ArF领域,做做低端机。

而上微则传出21-22年下线第一台28nm制程的IC前道光刻机。没意外应该是193nm线宽ArF光源干式光刻机。我一度以为是浸入式光刻机,可惜了。那还得晚半到一年

你别小看这台28nm国产光刻机,如果真能下线,上微将会成为世界第二,仅次于ASML的厂商。

目前国内光刻机主要是两个部分还要攻克。一个是光学系统,一个是光源系统。

ASML的镜头组是德国卡尔蔡司,2016年,ASML以20亿美元入股卡尔蔡司,合作研发EUV光刻机的镜头组。为了降低能量损失,镜头组精度要求达到万亿分之一米计。

国产的光学系统是由国科精密研发的,长春光机所与上海光机所入股了国科精密。基本是国内最强光学研发机构。然而研发成品达NA1.35级也只能支持到7nm,预计用在上微的SSA800型193nm ArF光源浸没式光刻机上。但EUV穿透性强,不能再用传统光学系统,要重新开发,目前不了解进度。

但可以知道,光学系统不是制约国产工艺挺进7nm的因素。而且与国外差距也不算得上很大。只要解决了EUV,基本就持平国外了。

下面是光源部分。光源部分与国外差距十分明显。已知光源部分商用方案的就提出了三种,即LPP,LDP,DPP。目前主流方案是LPP,全世界只有两家公司生产,美国的Cymer和日本的Gigaphoton。ASML光源自然来自美国的Cymer了。先不说中国不能买,即使允许买了,Cymer也已经被ASML收购了,独家供应。而Gigaphoton则与尼康合作,苦于资金,商化等还停留在实验阶段。

而国内EUV光源倒是很多,如科益虹源,但了解的不多,华为全资子公司哈勃投资已经入股了。哈工大倒是搞出了原试验DPP -EUV光源。长春光机所就是基于哈工大的光源研究EUV曝光机。目前透露着,有重大进展。

所以,有一些研究院所属的学校上了美国的“实体清单”。足以看出国产的实力。

我不是盲目的自信。而是科技发展在不断减速,走别人的路自然会走得更快。一减一增。ASML前前后后花了二十几年,中国减半不是问题。

当然还有一些搞其它的,另辟蹊径试图弯道超车,包括著名的英特尔,北京第四代光源研究就是与英特尔技术同源。但这路可不好搞。不然英特尔不会卡在14++++上了。

其次,LPP技术虽然商化了,但仍然不能证明是最优解。因为ASML也没有将三大难题完全搞好,即,稳定性,污染,高耗能。稳定性应该做好了,不然台积电根本搞不了7nmEUV。至于污染与高耗能就没办法,成本高点也能搞。本来EUV理论路线就是为了降成本搞出来的,结果用了LPP成本还高了。所以,其它方向皆有可能,万一真的突破了呢!

国内是全方面研究,即也有弯道超车的可能。目前主要是上海与北京光机所进行前沿研究(没办法,高校集中点)

还有其它技术就不一一介绍了。因为比EUV光源好太多了,不是阻碍力。而且能商业盈利。

最后就是,中美开打,加速资本流入芯片制造产业链。金融改革与金融开放也加大了市场资本的支撑。5.14后也迫使华为投资研究机构,加速孵化。

哈勃投资近期挺忙的

所以,国内的虽然落后,也并不是完全空白,中国作为具有完整工业门类的国家,每个行业都能找到相关/间接相关。更重要是,在国家02专项下,很多关键技术节点都在被攻克。无论是光学与光源系统,都处于快速追赶及布局弯道超车。乐观估计,3-5年内国产7nm不是问题

拿ASML花了二十几年搞EUV来推测中国要十几年,这不是刻舟求剑?

总结。国产产业链足够威胁国外了(制裁警告),三五年,真的等得起,7nmEUV也够用,而且台积电2nm基本是极限了,不进步,肯定被追上。我了解后反而觉得,代工这个,还是有希望的。当然搞出来距离投产商业化还有最后一段路。这时候,中芯的价值就出来了。

国家给我们交出了一个全产业链布局的答案。紫光集团,京东方,中芯,上微。以及统筹各高校研究所。02专项与大基金作为资金支持。

莫名其妙被挖,突然就99+赞了。这篇算是我花大力气收集的信息。

重视肯定重视,包括145都仍在规划。不过因为重心没有放在芯片制造上,因为已经布局得差不多了,没必要在145继续加码,保持着政策就够了。

5g时代的重心是什么?

凭什么5g能改变生活?4g就不能?

非常好,这个问题值十几万亿刀

也是tg的重心。(这个绕口,慢慢理解)谁先搞出来5g2b模式,谁占领了上甘岭。5g2b2c与5g2c又是啥?为啥5g2b搞出叫占领上甘岭,5g2b2c与5g2c没5g2b重要吗?

这模式大概方向有吗?这就为什么145上,芯片产业仍然没有放在首位的原因。

在分工越来越细分的年代下,

你现在觉得科幻的,只存在电影上的生活,就是现在科技努力实现的方向。

这个将左右未来几十年的格局。而传统的芯片制造,无法突破,将止步3nm/商业成本止步3nm。能左右多少年?

还有你凭什么觉得别人在努力在扩大EUV的优势?这条路早晚被追上,所以别人在想着换赛道呢。无论是新基质→材料,还是新方式→量子计算机,还是新工艺→堆叠一体。每个赛道都在穷追猛赶

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这是2019年全球半导体产业链价值分布概览。设备制造(光刻机光刻胶等)中国大陆的份额只有2%,其他地区中包括欧洲,日本,韩国,中国台湾占到了51%,美国占到47%。

我们再来看设备制造中具体有哪些公司。中国只有中微半导体和北方华创还算可以,但这两家公司不是造光刻机的。

荷兰在半导体设备制造方面是真的强,ASML吃掉了全世界光刻机市场的95%,佳能和尼康一般也不外卖。

日本美国则是在半导体材料方面极强,ULvac,Applied Research,Lam Research都是大佬级别的公司。前段时间中芯国际还向Lam Research采购了大批的物资用于芯片制造呢。

说回到中国光刻机,只有上海微电子一家在做,目前造出了能制造28nm制程芯片的duv光刻机,有潜力做到7nm制程,但需要其他领域的配合。

EUV的机器长春在做,是基于哈工大DPP-EUV的光源。

光刻机其实和原子弹有一点相似,就是技术路线和原理是明确可知的,不同的是实现方式。

光刻机当然还面临着专利的问题,比原子弹多了一些弯弯绕绕。

中国必然能做出成熟的光刻机,时间也许不会太久。但除了光刻机,还有其他半导体材料需要突破,任重而道远啊

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经验主义一把,也给楼主看看。我是99年高考,进了某985,选了电子信息工程专业。当时刚刚过去的58事件还让人记忆犹新(当年在美国领事馆门口声嘶力竭,今天在那里谈笑风生,简直就是两个时代),后来学微波技术的时候,我老师就跟我们说,国家在强力推进隐形和反隐形技术的研发,小道消息说国家认为只要研制出来,多少钱都给。当时美国的F22如日中天,世界上完全没有第二家,我们连三代机都不多,刚入门而已。就这么一个差距,结果10来年后,歼20一飞冲天,这意味着我们周围一圈国家花费巨大代价所建立起来的防空系统一夜之间过时。其他领域也有类似的事情,比如燃气轮机,比如移动通信系统,我不知道楼主几岁,但从我自己这20年技术阅历来看,我对光刻机还是感觉乐观的。光刻机对我们难,对对手也不见得容易,因为他们前面是物理极限在约束它,从这个角度看,我们有机会。

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能,最多十年。先吹一波。

光刻机很难吗?不知道,没搞过。反正知乎上好多牛人说什么相当于把北京、上海刻在指甲大小的地方,误差不能超过多少多少。

本人研究生搞的是原子力显微镜,大家简单一点理解就是测量精度有10nm的测量仪器。普通的实验室,从螺丝到每一行代码都是自己设计的。就一个气浮台和光敏传感器是买的(淘宝一大把),两个研究生做出初代产品,一个博士和一个研究生完善后,理论测量值为1nm,实际测量值可达10nm。

难吗?我感觉不难。所有的资料估计期刊上都有。难的不过是一步一步改进的过程。但这不就是万千中国人最擅长的吗。师夷之技以制夷这可是末期的清朝就知道的啊。我们难道不知道?搞不定?还有好多人说这玩意比原子弹都难。我真想撕烂他的嘴。

从最早的烂安卓,牛苹果。到现在的华为睥睨中华,大总统都害怕,这才几年。什么中国没有人才,中国环境恶劣,我真想撕烂你们的嘴。两弹一星真是三钱的全部功劳吗?茼蒿素是屠呦呦一人的战绩吗?恐怕都不是。中华民族向来不缺人才,不缺擎天白玉柱,架海紫金桥。坚韧,奉献,爱国这些品质从来都是刻在中国人的血液中。这才是中国人不被奴役的根本原因。

不写了,要吃饭了。

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1850年的大英帝国自己也无法种植茶叶、烧制瓷器以及生产大量羊毛原料,尽管这三者都是英国人的必需品。

但是他们不在乎。英国贵族也从来不会问景德镇青花瓷生产工艺有哪些步骤,他们只要知道怎么用六分仪驾驶三桅战船操炮让中国人听话就行了。

中国制造固然重要,但是我们逐渐发现,有些领域我们没有必要去死磕。

制造更多的航母比做出光刻机要很容易;直接收复台湾,比造出一个台积电也要容易;保证马六甲海峡的航路畅通比自己开采石油更容易;组建东亚三国联盟,比自己做工业机器人、精密仪器赶超德日要更容易。

美国也造不出光刻机,但是荷兰敢不卖给他吗?

这个世界本来就是分工的,我们要做的就是扬长避短,让别人愿意跟我们合作。

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