芯片的重要性不言而喻,没有芯片,我们的手机、电脑、家电、汽车、火车、飞机全部瘫痪。总之一句话:“没有芯片,就会回到蒸汽机时代”。

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因此,芯片设计、制造、乃至光刻机都成为了兵家必争之地。

在该领域一向籍籍无名的俄罗斯突然称:正在研发首套半导体光刻设备,这套光刻设备能够使用 7nm 生产芯片,可于 2028 年全面投产。

那么俄罗斯在光刻机领域的技术真的如此厉害吗?

光刻机有多难制造?

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光刻机又称曝光机,是制造大规模集成电路的关键设备,可以将电路结构临时"复制"到涂有光刻胶的硅片上。

简单的来说,光刻机就像一台照相机,光刻机用紫外光制造芯片,照相机用自然光曝光胶片。不同的是洗照片是把底片放大,制造芯片是把底片缩小。

光刻机制造芯片的过程要比拍照片困难多了。

举个例子:

  • 在A4纸上画一幅电路图,你会觉得小菜一碟;
  • 放在邮票大小的纸上,你会觉得很困难;
  • 如果在米粒上雕刻呢?普通人基本无法完成;
  • 如果这粒米放在行进的汽车上,那估计雕刻大师都会崩溃。

也因此芯片制造一度被认为是人类史上最精密的雕刻,而雕刻工具就是光刻机。

目前最高端的光刻机是EUV光刻机,这台设备有多难制造呢?

光源:

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EUV光刻机采用了极紫外光,这种光极难获得。

1、获得“种子光”。通过高能CO2激光器(30KW),发出5万次/秒高频率激光,其温度高达22万℃,并且拥有两束,这两束“种子光”必须要有相同的光学特性。

2、获得“极紫外光”。种子光轰击下落的锡滴,第一束将锡滴打成特殊形状,第二束穿过锡滴形成13.5nm的极紫外光。

3、聚焦“极紫外光”。极紫外光穿过多层镜片,汇集在一个点上,形成可以雕刻芯片的有效光源。

镜片:

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EUV光刻机对镜片的平整度要求极高,要求在30cm的范围内,起伏度不超过0.3nm。

什么概念呢?相当于京沪铁路起伏度不超过1毫米。一束手电筒光线投到月球上,误差不超过一枚硬币。

为什么要求如此高呢?因为一台光刻机拥有上百个镜片,重量就达到了一吨多,一个细微的误差累积起来就是一个巨大的错误。

如此高精度的镜片目前只有蔡司能够做到。

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此外,EUV光刻机还有精密轴承、精密电子设备等十万个零部件,螺栓数量就达到了4万多个,各种线路3000多条,软管2公里。

一台光刻机重达180多吨,需要十几辆卡车才能运走,到了厂房,需要专业的技术工人安装调试几个月。

极紫外光的路径需要真空,整个光刻机也要置于无尘环境中。

只需要想一想就知道EUV光刻机的制造有多难了。

俄罗斯豪赌X射线光刻机

俄罗斯因为经济原因,在科技领域发展一直缓慢,号称世界第二强国,也是依靠苏联留下的老本、三位一体核打击能力。

世界芯片企业排名也见不到俄罗斯企业,国内至少还有华为海思、中芯国际、紫光展锐、长江存储。

俄罗斯最强的芯片公司是米克朗。

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米克朗的前身是苏联的电子研究院,是俄罗斯最大的研发、制造芯片的公司,它出口了俄罗斯50%的微电子产品。

2006年,米克朗获得了欧洲半导体巨头意法半导体的技术转让,从此具备生产0.18μm芯片的能力。

2008年和2009年,米克朗分别实现130nm和90nm工艺,到了2016年,实现了65nm。目前,米克朗也是唯一一家能量产65nm制程的俄罗斯本土企业。

尽管米克朗在俄罗斯本土很厉害,但其实,俄罗斯的芯片采购量很低,还不到全球总量的1%,因此米克朗拿到世界上也是不入流的角色。

米克朗的水准其实在很大程度上也反映出:俄罗斯的光刻机研发并不顺利。

俄罗斯豪赌X射线光刻机

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据俄罗斯媒体报道:俄罗斯将投资6.7亿卢布,研发当前全球最先进的X射线光刻机,将比ASML的EUV光刻机性能更先进。

6.7亿卢布约合7800万人民币,这能研发出光刻机?还能超越ASML?

咱们先不说资金问题,就是X射线雕刻芯片,前所未闻啊?但是这也有一个好处,那就是不用担心专利问题。

其实X射线制造芯片很早就有,美国、欧洲、中国登都研究过X射线光刻机,而且研发成功了。但是最终因为效率太低,无法大规模量产而放弃。

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X射线频率很高,最高可达300EHz,波长很短通常为0.01nm~10nm,比极紫外光波长(13.5nm)还要短。

从理论上来看,X射线光刻机的确可以制造更小制程的芯片,是完全能够达到EUV光刻机的水平的。

此外,俄罗斯科学院经过多年的研发,终于在无掩膜光刻机技术上取得进展,这种方案比传统的光刻更为简单,或许真的是一个新方向。

同时,俄罗斯还研发了同步加速器、先进的离子源,所以俄罗斯媒体信心满满地表示将在未来几年突破7nm技术。

俄罗斯能否成功?

光刻机研发需要大量的人力、财力。

人力:

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所谓的人力,不是人的数量,而是质量。

尽管俄罗斯总人口只有1.46亿,相对于1700万的国土面积着实很少,但向来不缺人才。

俄罗斯人才的比例很高,平均每1000个工作者中,就有14个科学家。这主要归功于俄罗斯的教育体系和苏联的衣钵。

俄罗斯很重视国民教育,学生教育费由国家出资提供,这使得有更多的人愿意接受教育和钻研科学。

在数理方面,莫斯科大学也拿了16个世界著名奖项,其中有10个是诺贝尔奖;

新西伯利亚大学,诞生了大量华为和谷歌争相聘请的人才,并且连续好几年拿下了世界计算机竞赛第一名。

莫斯科电子学院,是一所高科技大学,隶属俄罗斯国立研究型大学,1965年建校,特色学科是微电子学、信息技术和计算机工程,拥有现代化的实验室和大量的科技人才。

俄罗斯继承了苏联的衣钵,也包括大量的人才。

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20世纪90年代,苏联的科研人才是最多的,总数接近200万,其中100万在俄罗斯境内。随着苏联解体,科研人才大量流失,仅1990年~1994年就流失了80多万。

1995年~2004年,每年流失2%的人才,2005年~2010年,每年流失1万人才。到了2012年俄罗斯的科研人才仅剩50万。

2012年之后,俄罗斯人才下滑之势得到了缓解,但出现了断层现象,29岁以下年轻科研人才开始复苏,博士类科研人才年龄达到了62多岁,作为主力的中青年科研人才严重不足仅为20%。

如今,俄罗斯在军事领域的人才仅剩3000多人,远低于美国,但仍比其他国家要多。

例如:2000年,华为陷入到3G研发的技术瓶颈,后来俄罗斯数学家提出的SingleRAN算法可以取得技术突破,最后帮助华为解决了难题,条件是在莫斯科建一所研究院。

财力:

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俄罗斯在军事上的确很硬气,是全球唯二的拥有三位一体核打击能力的国家(另一家是美国),但在经济上真的不行。

2021年世界经济总量达961000.9亿美元,GDP增速为5.8%,GDP总量排名前10的国家分别有美国、中国、日本、德国、英国、印度、法国、意大利、加拿大和大韩民国。

俄罗斯排行第11名,GDP总量为17758亿美元,仅为我国的十分之一(我国GDP为177340.6亿美元)

俄罗斯不仅GDP总量很低,增速更低。早在2010年时,GDP就达到了1.52万亿美元,10年来增速仅为16.4%。

今年年初,俄罗斯与乌克兰发生冲突。大炮一响,黄金万两。战争无疑让俄罗斯脆弱的经济雪上加霜。

而研发光刻机绝非易事,需要在机械、电子、化工、精密制造等多个领域,持续的大量的投资,俄罗斯脆弱的经济能否支撑下去,仍是一个疑问。

为此,俄罗斯提出了三步走的策略。

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第一步、2024 年前开发一台 alpha 机器,全面地摸清光刻系统;

第二步、2026 年,将alpha升级为Beta,改进优化光刻系统,同时提升分辨率和生产率;

第三步、完成光源、定位和馈送系统,使光刻系统能够快速准确地工作。

俄罗斯看似有理有据的方案,一经提出就受到很多人的质疑。要在6年内超过浸淫几十年的ASML,简直是天方夜谭。何况,除了光刻机,还需要其他多种设备。

为了证明方案可行,俄罗斯方面还向媒体展示了样品,尽管样品并不能制造芯片,但可以验证关键技术的可行性。

一旦俄罗斯的X射线光刻机取得关键性进展,势必会引起第三方的关注,那时还会缺少资金、技术、合作吗?

写到最后

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如果俄罗斯真的能够突破X射线光刻技术,将会突破ASML的封锁,这对我国也是巨大的启发。

毕竟智能手机、电脑、穿戴产品需要7nm以下的高端芯片,而华为、中兴等公司正在“等米下锅”,中芯国际也表示7nm技术已攻克,只待EUV光刻机。

其实,国内企业完全可以和俄罗斯合作共同研发X射线光刻机,毕竟多一条路,就多一成功的机会。

我是科技铭程,欢迎共同讨论!