Space X上天,太空制造芯片走出第一步!光刻机成本降低已成必然

不得不说,目前太空制造最重要、最有前景的是半导体芯片。

  2020年5月31日,SpaceX载人龙飞船成功与国际空间站对接,将美国宇航局(NASA)两名宇航员送上了轨道前哨,他们的到来标志着SpaceX首次载人任务取得了又一个重要里程碑。此次首次商业载人飞船的成功让众人惊叹,对未来的太空旅行甚至是在太空制造都有了小小的期待!

  那么,今天我们就讨论一下,有什么必须在太空(或微重力)才能制造的产品,(借助太空微重力环境和高真空度生产地球难以制造的高品质产品)又或者会有哪些行业比在地球要发达?

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  太空制造与地球制造的差异性

  首先我们要知道太空制造的优势在哪?先来分析一下太空中与地面上的制造业会因为哪些因素产生巨大的差异:

  1.微重力环境

  准确地来讲,轨道上的重力并不为零,这是因为测定重力(进行制造业生产)的点不能准确地位于空间站的质心这一由万有引力抵消离心力造成的,故称其为“微重力”环境。虽说微重力环境不是完美地失重,但仍然可以抵消绝大部分的重力加速度。

  在微重力环境下的制造业有如下优点:

  1)在工件加工时,可以大幅减小由于重力造成的公差,改善工件内部因为受重力产生的应力结构,可以加工对于加工精度要求极高的工件。

  2)因为不受几乎不受重力影响,可以避免工件因为无法支撑自重而发生结构形变,同时也更有利于较重工件的拖拽移动,可以加工、储存、运输一体超大型工件。

  3)在增材制造过程中,因为几乎不受重力影响,不用担心刚打印的部分因重力发生形变,可以省去大量的内外支架结构,节约工时和材料成本,同时改善因支架结构而降低的工件表面质量,适于制造复杂曲面工件。

  4)同样因为受重力较小,应力和形变改善,诸如透镜、反射镜、棱镜等各类精密光学元件可以在保证精度的前提下将尺寸做得更大,继而增大光强并减小衍射斑。值得一提的是,因为应力情况的改善,部分因盈利产生的旋光现象对光学仪器的影响也会大幅减小。

  2.真空环境

  1)太空环境几乎没有氧气等助燃气体,也几乎没有气体分子和灰尘对大功率激光进行散射,可以提供对大尺寸金属材料进行激光灼烧、焊接或者切割的加工场所,而既不必大量填充保护气体,也可以进行大范围多处同时加工。

  2)同样因为太空的真空环境,也有利于一些原本需要保护气体才能进行的蒸汽镀膜等等表面工艺的加工。

  3)因为相较地表有效地避免了太阳光在穿透大气层的能量损失,适于进行光伏发电。

  4)其他对真空度有要求的制造业有很多,轨道真空度可由外有引力场下的玻尔兹曼分布估算进行参考,代入零海拔大气压做边界条件。

  3.过程因素

  1)因为要考虑发射过程中的过载和震动,很多航天用的精密仪器都对强度有着特殊需要。但如果在轨道生产相关精密仪器,就可以通过跳过发射过程减小过载和震动对于精密仪器的负面影响,进而采用更简单的设计和工艺,以降低产品成本。

  2)在月球或者小行星带开采矿物(如稀有金属或氦3),再将矿石直接运回地球成本极高。如果能在开采天体的轨道上建立对矿物进行初步精炼提纯甚至直接加工成品的加工空间站可以有效地降低运输和保存矿物的成本。

  太空制造的高质量产品——半导体芯片

  不得不说,目前太空制造最重要、最有前景的是半导体芯片。

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  来说说最适合在太空(近地轨道)开的工厂——单晶硅工厂,生产单晶硅柱。

  现在我们的生活离不开形形色色的数码产品,从手机、PC到网络运行的服务器、天气预报使用的超级计算机等,数码产品的心脏是各种芯片,例如CPU、GPU等,而这些芯片的基础来自硅晶体切下的晶圆。

  晶体越大切下的晶圆直径也越大,意味着边缘裁切而损失的区块相对于总可用面积越小,因而提升了良品率降低了成本。

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  单晶硅柱切片得单晶硅片,单晶硅片是所有芯片制造都必须的基本物料。太空生产单晶硅正好利于提高单晶硅的纯度、提高单晶硅的直径。

  为什么太空制造单晶硅好,那我们要从芯片的制造工序说起。

  用简单话语描述,芯片制造的基本工序就是:

  第一步,程序员把30亿个三极管、各种布线、电阻等在图纸上安排明白,设计了一个CPU。

  第二步,把这张有一幢楼高的图纸缩微,制作出一张“底片”。

  Space X上天,太空制造芯片走出第一步!光刻机成本降低已成必然

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  第三步,把“底片”放进光刻机,挡在光刻机的激光光路前。

  第四步,另一边,把一张单晶硅片(先要掩膜处理)送进光刻机,固定好。

  第五步,使劲摁一下快门,咔嚓,光刻机的激光透过“底片”,照在硅片上。

  第六步,硅片上就多了好多研磨沟槽,一个CPU的图案就画上去了。后面还有很多工序,不再细说。

  Space X上天,太空制造芯片走出第一步!光刻机成本降低已成必然

  在这些工序中,光刻机是最重要的一道工序,一是贵,二是有总寿命。比如一台光刻机5000万美元,“快门”寿命10万次,那它一次快门价值500美元。

  所以,我们得把上面的基本工序倒退回去,倒退到第二步。

  第二步中,图纸从一幢楼缩微到指甲盖大小,然后全选,复制,粘贴粘贴……粘贴99次,然后把这100个CPU的缩微图纸摆成一个直径200mm的圆形。然后第三步,把一张直径200mm的单晶硅片送进去,执行(4/5/6),我们按一次快门,就画出了100个CPU,折合每个CPU的光刻成本是5美元。

  如果我们再换个方式,现在我们全选,复制,粘贴粘贴……粘贴224次,然后把这225个CPU的缩微图纸摆成一个直径300mm的圆形。咔嚓,现在每个CPU的光刻成本只有2点几美元了。

  从这个工序我们看出的第一点窍门是:单晶硅片越大越好。第二点窍门是:单晶硅的纯度很重要。

  如果单晶硅片上有瑕疵怎么办?端起一片单晶硅片用放大镜瞧瞧,有砂眼的扔掉?这是不可能的,有瑕疵暂时也没办法挑出来。把CPU的图案画上去,再经过十几道工序,完成了,把CPU切下来封装好。拿去测试,能点亮的,OK,良品,拿去卖;什么反应没有的,那就是有瑕疵,扔掉回炉。

  总之,现在一般都要到成品CPU下线,我们才能检测出来,所以,哪怕有一粒瑕疵,也要付出不小的成本。良品率90%以上马马虎虎,有时候良品率只有50%,那就非常不能忍了。而单晶硅柱/单晶硅片的纯度,就直接影响到良品率。

  在地球上,我们生产单晶硅柱用的方法是:

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  显而易见,在地面上无论用什么方法生产单晶硅,由于重力作用会导致浮力对流和沉淀效应,往往使凝固界面不均匀,还可能出现缺陷,从而影响晶体的品质。而设备的总提力、生长速度,也限制了生产大直径的单晶硅柱(硅的密度可不低)。

  但是,在太空微重力环境下,单晶硅柱的生产可以实现无容器过程,这样就没有器壁污染,而且可以生成无限大的单晶硅柱(只要不怕宇宙射线打出瑕疵来)。

  另外就是浮力对流和沉淀效应可以消失,这样生成的晶体更加均匀。

  从80年代起,人类就一直想把单晶硅工厂搬上天,和平号空间站就做过试验。现在各种试验做了20多年,甚至生产线怎么组织都想好了,现在就等入轨成本再降低50%了。说不定以后太空制造的CPU芯片的体质好到片片都能超频图片10Ghz大关(散热器厂商成最大赢家)。

  总的来说,太空制造的前景充满潜力。对于人类来说,太空是危险之地:微重力使体液流动异常并让肌肉变弱;辐射会穿过DNA,威胁人体健康;真空环境也是一大考验。但对于一些物品的制造来说,太空或许是个完美的场所:在太空制造的物品缺陷更少、质量更高,晶体在太空也可以长得更大等,太空制造的未来值得期待。

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