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于是在长期的探索中

  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。

  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、很密集,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。

  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影子),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。

  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)。

  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。整个大规模集成电路光刻和蚀刻的过程可以见再下一张图。

  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),一台最先进的光刻机售价一亿美元,而且还不接受讨价还价,你爱买不买。

  而在现在这个时间节点上(2018年),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。而受制于《瓦森纳协定》,ASML不可以向中国出售先进光刻机。所以在这方面中国长期处于被封锁的状态。

  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。

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