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最近,美国收紧了出口管制,台积电不再接受华为新的订单,中芯国际虽然能够生产14nm工艺的芯片,突破了N+1、N+2制程工艺,然而中芯国际使用的光刻机仍然来自于荷兰ASML,含有“美国技术”,是否受到管制条款制约,还是个问题。那么,我国发展芯片能够绕过光刻机吗?
光刻技术与照相技术差不多,照相机是将镜头里的图像印到底片上,而光刻机是将电路图“刻到”硅片上。在光刻工艺中,将涂满光敏胶的硅片作为“底片”,电路图经过光刻机,缩微投影到“底片”上,制作芯片的过程,就是重复几十遍这样的过程。最终,指甲壳大小的芯片上集成了上百亿个晶体管。
目前,光刻机的龙头企业是荷兰的ASML,几乎占领了100%的高端光刻机市场,最先进的EUV光刻机只有荷兰ASML能够生产。造价高到1.5亿美金的EUV光刻机,集成了全球最先进的技术,来自美国的光源和计量设备,来自德国的镜头的超精密设备,来自法国的阀件,来自瑞典的轴承等等,可以说集人类智慧于大成。
早在2018年,我国的中芯国际从荷兰ASML那里预订了一台EUV光刻机,然而受到美国的影响,至今未收到这台光刻机。中芯国际虽然突破了N+1、N+2工艺,然而后续的5nm、3nm工艺仍然离不来EUV光刻机,形势依然很严峻。
我国生产光刻机的企业是上海微电子,成立于2002年,由于起步较晚,因此在光刻机领域与荷兰AMSL仍然有很大的差距。上海微电子能够量产的光刻机是90nm制程,而荷兰AMSL最先进的EUV光刻机可以生产5nm工艺制程的芯片,根据科学家的说法“至少有20年的差距”。最新消息,上海微已经突破了28nm工艺的光刻机,大大降低了与荷兰ASML的差距,希望能够尽快量产。
如果想要做目前最先进的5nm或7nm工艺芯片,除了荷兰ASML研制的EUV极紫光光刻机,全球都无法找到第二个可以替换的机器,但是未来未必没有替换的技术!
其实光刻机每个部位都是包含各种学问,但是最重要的是把复杂电路通过光刻在硅片上,这一步就是叫做“光刻”,它是怎么做的呢?
首先准备好一块晶圆,这是由硅片加工成的,然后在晶圆上涂抹上一种特制的光刻胶,再把华为或者苹果等芯片设计公司设计的以亿级为电路原件单位的芯片蓝图制作成一个掩膜,这是可以理解一种投影底片。
下一步来了,把这份芯片图转印到准备好的晶圆上,而越小的纳米单位就意味着在更小的间距里放进更多的电子元件,此时对这个投影光的要求极高,而目前最先进的就是EUV极紫外光。
最后,极紫光投到晶圆的光刻胶上并发生化学反应,把一部分材料变得可以溶解,然后一清洗,此时的晶圆就留下了光刻的芯片电路。
在当前硅基半导体时代,光刻机是芯片制造过程中无论如何都无法绕过的核心关键设备!光刻机的技术十分复杂,研发难度极大,所以才导致世界上只有荷兰、日本和我国能制造光刻机。但我国只能制造低端光刻机,与世界先进水平的差距在20年左右!
现代芯片的制造技术已经越来越接近硅基材料的物理极限了,那么这个物理极限是什么?
芯片是由数以亿计的晶体管和晶体管间的连接电路组成的,每一个晶体管都是由源极、栅极和漏极组成。加工工艺越先进,晶体管的体积就越小,源极和栅极间的沟道同样也会缩短,当沟道缩短到一定程度的时候,量子隧穿效应就会变得极为容易。换言之,就算是没有加电压,源极和漏极都可以认为是互通的,那么晶体管就失去了本身开关的作用,因此也没法实现逻辑电路。
现在芯片的制程技术已经发展到了5nm水平,3nm芯片技术正在研发当中。由于技术难度的加大,新一代技术的研发周期就会变得更长,这样就给技术后进者留下了追赶机会。
当然有了!我们有两条技术路线可以选择。
第一、继续走传统的硅基芯片的技术路线:走这条技术路线,我国最大的困难在于光刻机技术的短板,但是我们已经开始了攻坚。明年我国首台28nm工艺光刻机即将实现量产,预计在2028年左右,我国将具备EUV光刻机的生产能力。
第二、研发可以替代硅基材料的新材料:既然硅基材料已经快要发展到了极限了,人类怎么可能会坐以待毙,纷纷开始着手研究替代材料。研究发现,碳基材料具备可以替代硅基材料的潜力。5月22日,北京大学电子学系彭练矛院士和张志勇教授团队在《科学》杂志发表《用于高性能电子学的高密度半导体碳纳米管平行阵列》论文。这一研究结果,为我国基于碳基材料的半导体制造技术进入规模化工业生产奠定了坚实基础。
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