美国光刻机是谁发明的（美国造得出光刻机吗）

本篇文章给大家谈谈美国光刻机是谁发明的，以及美国造得出光刻机吗对应的知识点，希望对各位有所帮助，不要忘了收藏本站喔。

文章目录：

• 1、光刻机是谁发明的 光刻机发明的人是谁
• 2、天天谈论芯片 你可知芯片究竟是什么？
• 3、光刻机的发展历史
• 4、ASML是唯一能制造极紫外光刻机的厂商，芯片制造到底有多难？

光刻机是谁发明的 光刻机发明的人是谁

1、1822年法国人Nicephore niepce发明了光刻机，在早期阶段其功能简单，而且使用的材料也是较为粗糙的，通过材料光照实验之后，Nicephore niepce发现能够复制一种刻着在油纸上的印痕，而在其出现在玻璃片上后，经过一段时间的日晒，其透光部分的沥青就会变得很硬，但在不透光部分则可以用松香和植物油将其洗掉。

2、尽管光刻机发明的时间较早，不过在其发明之后，并没有在各行业领域之中被使用，直到第2次世界大战时，该技术应用于印刷电路板，所使用的材料和早期发明时使用的材料也已经有了极大的区别，在塑料板上通过铜线路制作，让电路板得以普及，短期之内就成为了众多电子设备领域中最为关键的材料之一。

天天谈论芯片 你可知芯片究竟是什么？

天天谈论芯片 你可知芯片究竟是什么?

作者：刘植荣

我们天天议论芯片，你可知道芯片究竟是什么？

1.芯片的发明改变了人类生活方式

1947年12月23日，美国贝尔实验室3位科学家约翰·巴登、威廉·肖克利和瓦尔特·布拉顿发明了锗晶体三极管，电子世界进入半导体时代。晶体三极管的3位发明人获得1956年诺贝尔物理学奖。

20世纪50年代是半导体的黄金时期，几乎所有的半导体材料和基本工艺都是在这一时期研发出来的。

1954年10月18日，美国德州仪器公司发明了晶体管收音机，这个有4只晶体三极管的收音机小到可以装到口袋里。

1958年9月12日，德州仪器公司电子工程师杰克·基尔比（1923年-2005年）发明了集成电路，并在1959年成功制造出世界上第一块集成电路，即芯片。该集成电路就是在一块锗片上蚀刻出PNP型晶体管（三极管）、电阻和电容，用外部导线把它们连接成电路。这块简陋的集成电路拉开了芯片产业的序幕，也把人类 科技 水平推向一个新的高峰，并彻底改变了人类的生活方式。

芯片制造技术的不断进步让单个晶体管价格大降。1959年，一块芯片上有6个晶体管，折合每个晶体管10美元； 1971年，一块芯片上有2000个晶体管，折合每个晶体管0.3美元；2004年，一块芯片上有上百亿个晶体管，单个晶体管价格跌至十亿分之一美元。芯片性价比的提高，让芯片进入普通百姓家庭成为可能。

芯片可谓20世纪最伟大的发明，其他很多发明也建立在芯片的基础上。今天，我们生活在一个被芯片包围的世界里，没有芯片寸步难行。

百姓日常生活离不开芯片，手机、电脑、智能手表等智能设备有芯片，光猫、路由器、U盘、储存卡、移动硬盘等网络设备和电脑外设有芯片，身份证、护照、银行卡、购物卡、消费卡等随身证件有芯片，电视、音响、投影仪、充电器、LED灯、电子秤、空调、冰箱、微波炉、电磁炉、热水器等家用电器也有芯片，门禁、监控、太阳能电池等也需要芯片。如果谁发明一种代码让世界上所有的芯片失效，那人类生活将会停滞。

杰克·基尔比因发明芯片获得2000年诺贝尔物理学奖。他也是手持计算器和热感打印机的发明人。基尔比被人称作科学家时，他谦虚地说：“科学家是解释事物的人，要有伟大的思想；而我是解决问题的人，就是个工程师，职责就是发明新工艺，制造新产品，而且还要从发明创造中赚钱。”

2.认识芯片必须首先了解“PN结”

从上文可知，在半导体材料上制作出二极管、三极管、电阻、电容等电子元件，再用导线把它们连接起来，这就是集成电路，也叫芯片。要想认识芯片，必须首先了解“PN结”，它是半导体技术的核心。

半导体材料掺入五价元素，电子浓度增大，形成N型半导体；半导体材料掺入三价元素，空穴浓度增大，形成P型半导体。“空穴”指的是共价键上的电子获得能量后摆脱共价键的束缚成为自由电子后，在共价键上留下的空位。

P型半导体与N型半导体紧密接触后，带负电的电子和带正电的空穴便向对方扩散；电子和空穴在扩散中导致接触面形成内电场，内电场又阻止这种扩散，让电子和空穴向回漂移。当电子和空穴的扩散速度和漂移速度达到动态平衡时，P型半导体与N型半导体的接触面便形成“PN结”。

“PN结”的主要性能就是“单向导电性”。如果把P型半导体端作正极，N型半导体端作负极，电流便可通过PN结；如果把N型半导体端作正极、P型半导体端作负极，电流则不能通过PN结。计算机用二进位就是由“PN结”的性能决定的，电流通过“PN结”代表“1”，电流不能通过“PN结”代表“0”。

“PN结”就是二极管。如果让两块P型半导体中间夹着一块N型半导体,就构成三极管，也就是上文提到的PNP型三极管。当然，如果让两块N型半导体中间夹着一块P型半导体，这就成了NPN型三极管。

普通人是看不到芯片“真身”的，芯片小如人的头皮屑，大的也就像人的指甲盖，因为它太单薄，必须封装在密封的壳中才能连接到外部电路上。打开电脑、电视等电器，可以看到一块很大的电路板，电路板上有很多电子元件，那些有多个引脚的电子元件就是芯片，这些引脚连接着芯片的输入输出端，有的在芯片封装体的两侧，有的在四个面上，有的则是在底部成矩阵排列，密密麻麻，有1000多个引脚。

3.造芯片好比在一粒米上雕刻地球及所有道路建筑

这里需要提及一个概念，那就是“摩尔定律”。1965年，世界著名芯片制造商美国英特尔公司的创始人之一戈登·摩尔提出，单片芯片上的晶体管数量会每年翻一番。后来他更正为每两年翻一番。这一判断经过实践验证基本正确。2011年，英特尔酷睿i7芯片上有22.7亿个晶体管。目前，一些高端芯片上的晶体管数量超过数百亿个。几年前，半导体厂商Cerebras Systems用台积电16纳米制程工艺生产的AI芯片WSE，则集成了1.2万亿个晶体管！

“制程”指的是芯片上晶体管栅极宽度，我们可以把它通俗地理解成晶体管的大小。制程越小，在一块芯片上制作的晶体管就越多，集成电路的规模就越大。

芯片运算速度不断提高，得益于芯片的集成度越来越高。芯片的集成度越高，上面的电子元件就越小，各电子元件之间的导线也就越短，电流通过时用的时间随之缩短，能耗减少，处理速度加快。

让一块芯片承载更多的晶体管，有三种方法，一是增加芯片面积，二是缩小晶体管体积，三是让集成电路立体化。增大芯片面积一般不被考虑，因为这会增加能耗，降低芯片的效率。现在，人们主要采取后两种方法增加芯片上的晶体管数量。

芯片制造属于微观世界，上面的电子元件小到只有几个原子或几个分子大，要用更小的度量衡单位纳米和埃来衡量。一般尺子上的最小刻度是毫米，1毫米等于1000微米，1微米等于1000纳米，1纳米等于10埃。人的头发直径是7万纳米，周长是22万纳米。用制程5纳米工艺制造芯片，就好比沿着一根头发修建4.4万条公路。

缩小电子元件体积是有极限的，人们便考虑在一块芯片上搭建多层集成电路来增加晶体管数量。这就好比是建居民住宅，平房容纳的居民数少，盖成几十层高的楼房容纳的居民数就多。集成电路的叠加要比盖楼房复杂得多。楼房各层布局是相同的，而芯片各层电路是不同的，层与层之间的连接异常复杂。

我们再进一步比喻，制造芯片就像在一颗米粒上雕刻出一个完整的地球，而且还要把地球上所有的道路和建筑都要雕刻出来。道路就是芯片上的导线，建筑就是芯片上的电子元件。通过这个比喻，读者便可想象，制造芯片该有多复杂，难度该有多大。

4.硅的提纯是芯片产业的基础　

半导体材料很多，但在实际应用中，九成以上都选用硅，因为硅的熔点是1415摄氏度，可在芯片加工中允许高温工艺。

硅是从沙子冶炼来的，但要把沙子冶炼成能制造芯片的硅，需要极高的纯度。我们把纯度是99.99%的金叫纯金（4个9），但制造芯片的硅的纯度至少要达到11个9，即每10亿个硅原子里的杂质原子不得超过1个，这一纯度的硅1955年美国贝尔实验室就提炼出来了。目前一块芯片上有数以千亿计的电子元件，对硅的纯度要求更高，至少为13个9，这是芯片制造的基础，不掌握硅的提纯技术，是不可能造出芯片来的！

读者会问，为什么制造芯片的硅要求纯度这么高? 芯片上的电子元件非常微小，如果用5纳米制程工艺制造芯片，上面有1纳米的杂质就会把整块芯片废掉。我们不妨打个比方。如果一条公路40米宽，公路中间有块1米宽的大石头， 汽车 可避开这块石头走，不会造成交通拥堵。但是，如果一条公路只有5米宽，公路中间有块1米宽的大石头， 汽车 就避不开这块石头了，这条公路就堵死了。

所以，制造芯片不但要求硅的纯度高，还要求制造工艺的各个环节是无尘的，其纯净度是医院外科手术室的10万倍，甚至有一半的工艺是在真空环境下进行的。正因为如此，新冠肺炎疫情下芯片制造厂无需停工抗疫，因为工作人员从头到脚全身防护，有的防护服甚至自带呼吸系统，以防人体新陈代谢的脱落物和呼出的气体污染芯片。

5.光刻机其实是集成电路投影仪

“光刻机”这个名字翻译不准确，很有误导性，很多人误认为光刻机通过物理接触在晶体硅表面上“刻”出集成电路来，就像电脑刻字一样。其实，芯片不是“刻”出来的，而是“照”出来的。所以，光刻机叫“集成电路投影仪”更贴切。

当制造芯片的晶圆进入光刻工艺阶段时，光刻机通过掩模版把集成电路图投影到晶圆表面的光刻胶上，光刻胶曝光后，通过化学药液把曝光区域蚀刻，然后清洗，这样，集成电路的图形就出来了。光刻过程和传统照相的照片冲印是一个道理，光线通过底片让相纸感光，然后把感光的相纸放在药液里显影、定影。

一块芯片要经过数十次甚至数百次光刻，光刻后的若干工艺还需要几个星期，然后才能进入封装阶段。

芯片制造技术日新月异，但芯片制造的大多数核心技术出自贝尔实验室，贝尔实验室为信息技术革命所做的贡献永垂青史。

7.有光刻机就能造芯片吗？

很多读者对光刻机很感兴趣，认为有了光刻机就能造出芯片来。其实不然，虽然光刻机在芯片制造中占重要地位，但它仅是芯片制造1000多道工艺中的一道而已，有了光刻机但如果没能掌握其他工艺，照样造不出芯片来。

1961年，美国GCA公司制造出世界上第一台光刻机。目前，世界上有4个国家的7家公司可以制造光刻机，即荷兰的阿斯麦尔，美国的英特尔、超 科技 半导体、鲁道夫，日本的尼康、佳能，德国的速思微科。

上文已述，芯片产业的基础是材料，也就是硅的提纯，不掌握硅的提纯技术，生产不出芯片级纯度的晶体硅，造芯片就无从谈起。

再有，芯片上有数以千亿计的电子元件，这么庞大的电路靠人工是画不出来的，必须使用电子设计自动化软件EDA。EDA是诸多自然学科的综合运用，由美国凯登、新思 科技 和明导三家公司垄断。

EDA在芯片制造过程中起着决定性作用，芯片的功能和集成度，完全取决于EDA的设计能力。有了高纯度硅和光刻机，却没有EDA或不会使用EDA，照样造不出芯片来。

光刻机的发展历史

光刻技术的发展

1947年,贝尔实验室发明第一只点接触晶体管。从此光刻技术开始了发展。

1959年,世界上第一架晶体管计算机诞生,提出光刻工艺,仙童半导体研制世界第一个适用单结构硅晶片。

1960年代,仙童提出CMs|C制造工艺,第一台C计算机BM360,并且建立了世界上第一台2英寸集成电路生产线,美国GCA公司开发出光学图形发生器和分布重复精缩机。

1970年代,GCA开发出第一台分布重复投影曝光机,集成电路图形线宽从15μm缩小到0.5um节点。

1980年代,美国SVGL公司开发出第一代步进扫描投影曝光机,集成电路图形线宽从0.5m缩小到035m节点。

1990年代,n1995年,Cano着手300mm晶圆曝光机,推出EX3L和5步机;ASMLFPA2500,193nm波长步进扫描曝光机、光学光刻分辨率到达70nm的“极限。

2000年以来,在光学光刻技术努力突破分辨率“极限”的同时,NGL正在研究,包括极紫外线光刻技术,电子束光刻技术,X射线光刻技术,纳米压印技术等。

ASML是唯一能制造极紫外光刻机的厂商，芯片制造到底有多难？

近几年来，中国科技行业遭到国外的严重打压，尤其是电子芯片成为我国半导体领域最突出的短板，生产芯片最重要的设备是光刻机，世界上先进的光刻机主要由荷兰一家名为阿斯麦（ASML）的公司制造，市场占有率超过80%，而其中最先进的极紫外光刻机（EUV光刻），全世界只有ASML一家公司能制造。

ASML

ASML虽然是一家荷兰的公司，但是出口光刻机受到西方国家的严格控制，ASML的大股东包括美国因特尔、台湾积体电路制造（台积电）、韩国的三星、荷兰皇家飞利浦电子公司等等，其中因特尔占有股份大约为15%，台积电大约5%。

ASML的股份结构相当复杂，国际上众多大公司参股，使得ASML形成一个庞大的利益共同体，但是ASML受到《瓦森纳协定》的约束，中国也是被该协定限制的国家之一，一些敏感的设备和技术无法出口到中国。

光刻机是当今世界科技领域的集大成者，是人类当前科技的巅峰产物，ASML之所以能制造最先进的光刻机，也是因为特殊的股权结构，使得ASML能汇集当前各项前沿科技，整合各种零部件。

一台光刻机重达几十吨，包含十多万个零部件，每台机器从下单到交付要21个月，单价格超过1亿美元，即便这样买家还是排着长队，数据显示，ASML在2017年交付了12台光刻机，2018年18台，2019年26台，预计2020年达到35台。

电子芯片

第一台电子计算机诞生于1946年，位于美国的宾夕法尼亚大学，当时研究人员使用了18000个电子管，1万多个电阻和电容，6000多个开关，总重量30多吨，启动时功率高达150千瓦，运算能力为每秒5000次。

每秒5000次的计算能力，还远远比不上现在几块钱的掌上计算器，人类科技之所以有这么大的进步，就是因为有了芯片的发明，而芯片的发明者是美国人杰克·基尔比，他在2000年因此获得诺贝尔奖。

杰克·基尔比1947年毕业于美国伊利诺斯大学，然后就职于德州仪器，担任研发工程师，期间产生了一个天才的想法——把所有的元器件弄到一块材料上，并相互连接成电路。

杰克·基尔比很快付诸实践，并开始构思这个电路，然后以硅作为材料，制造出了人类第一个芯片，他把自己的想法告诉公司后，受到了公司的高度重视，次年，杰克·基尔就申请了专利。

利用杰克·基尔比发明的芯片，我们就可以把一台几十吨的计算机“装进”一个指甲盖大小的体积内，而且运算速度大幅提高，功耗大幅降低。

光刻机原理

光刻机的基本原理并不是机密，但其中的零部件不是谁都能制造的，以至于外国人对我们说“即便把光刻机的所有图纸给你们，你们也造不出来光刻机。”

制造芯片首先需要用到的材料就是高纯度硅，然后把硅切片得到晶圆，接下来就是高精度的晶圆加工，也是光刻机中的核心技术。

我们首先在晶圆上涂一层特殊的材料，该材料在光线的照射下会融化蒸发，于是我们使用绘制好图案的透光模板，经过特殊激光照射后，就能在晶圆表层的材料上刻出图案，然后用蚀刻机刻蚀晶圆，分化学刻蚀和电解刻蚀（比如用等离子体冲刷等等），而没有涂感光材料的部分将保留下来。

经过刻蚀后，晶圆表面就留下了很多凹槽，我们向其中选择性地掺入磷等元素，就能形成N型半导体；掺入硼等元素，就能形成P型半导体；掺入铜等元素，就相当于导线；三者按照一定的空间结构结合，就形成了PN结（PN结可以理解为一个开关），大量PN结按照一定方式进行组合，就能完成相应的数学运算。

实际当中，一块芯片的结构是三维的，在一层光刻和蚀刻完成后，需要清洗干净，然后再光刻和刻蚀下一层，这样一直叠加十几二十层，形成了立体的芯片，也就是这么一张小小的芯片，里面包含了数十亿、甚至上百亿个晶体管（晶体管包括二极管、三极管等等），比如华为麒麟990的晶体管数达到了103亿。

ASML生产的EUV光刻机，每小时能雕刻100多块晶圆，每块晶圆又能分割成许多个块芯片。

光刻机的关键技术

物镜制造技术

光刻机的原理并不难，但是要生产其中的零件并不容易，其中最昂贵且最复杂的零件就是投影物镜，由于芯片光刻的尺寸只有几纳米，所以对投影物镜的误差要求极高，一张直径30厘米的物镜，要求起伏误差不超过0.3纳米，相当于地球这么大的球体，要求表面凹凸不能超过10cm。

这样的精度要求，全世界只有德国的蔡司公司能制造，连日本尼康、佳能这样的透镜大厂也做不出来，更不用说中国的公司了。

光源技术

另外，光刻机中的光源也是一项难以攻克的技术难关，对于深紫外光（DUV）刻，使用的光源波长是193nm，这是光刻机中的一个技术分水岭，芯片发展曾经在193纳米光源停滞了十多年的时间，后来浸没技术缩短波长（原理是在表面镀上一层薄薄的水膜，利用光的折射现象，可以缩短光的波长），加上各项技术的改进，最终193nm光源可以把芯片制程推进到28nm，这也是深紫外光刻的极限。

极紫外光刻（EUV）使用波长更短的激光（13.5nm），相对于深紫外光刻，需要重新研发刻蚀材料、光刻胶、刻蚀工艺等等，对精度的要求进一步提高，目前只有荷兰ASML一家公司能制造极紫外光刻机。

而且西方国家对我国的技术打压是非常狠的，比如2009年的时候，中国上海微电子研发出90纳米的光刻机，在2010年西方国家就解除了90纳米以上的光刻机对中国出口的限制，2015年又解除了65纳米光刻机对中国出口的限制，让中国的光刻机技术发展完全失去市场。

在这样的情况下，中国芯片产业的发展举步维艰，光刻机包含的关键技术太多，一时半会我们是绕不过去的；其实中国并不缺乏人才，只不过人才要用到什么领域，需要政策引导才行，想到中国天眼FAST在2018年的一次网上招聘，年薪10万难觅驻地科研人才，让人感慨不已。

关于美国光刻机是谁发明的和美国造得出光刻机吗的介绍到此就结束了，不知道你从中找到你需要的知识了吗？如果你还想了解更多百科问答相关的内容，记得收藏关注本站。