高端光刻机为什么难“买”又难“造”?

来源:大比特商务网
光刻机被誉为半导体产业皇冠上的明珠。光刻机的主要作用是将掩模版上的芯片电路图转移到硅片上,在某种程度上来说,光刻工艺的决定了半导体线路的线宽,同时也决定了芯片的性能与功耗,越高端的芯片,所需要的光刻工艺也越先进。

“工欲善其事,必先利其器”,光刻机就是芯片制造中的那一把“利器”,也被誉为半导体产业皇冠上的明珠。光刻机的主要作用是将掩模版上的芯片电路图转移到硅片上,在某种程度上来说,光刻工艺的决定了半导体线路的线宽,同时也决定了芯片的性能与功耗,越高端的芯片,所需要的光刻工艺也越先进。

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大家都知道,芯片很重要,离开了芯片,几乎所有电子设备都会失去作用。但要是离开光刻机,自然也就制造不出芯片,同样也不可能有手机、电脑等电子设备的产生。

光刻机的关键技术:以光为媒,刻化微纳于方寸之间

指甲盖大小的一枚芯片,内部却包含了上千万个晶体管,犹如一座超级城市,线路错综复杂,这跟光刻机的工作原理相关,其中涉及系统集成、精密光学、精密运动、精密物料传输、高精度微环境控制等多项先进学科。因此光刻机是所有半导体制造设备中技术含量最高的设备,具备极高的单台价值。

如果单纯从工作原理的角度来解析,光刻机并不复杂。“以光为媒,刻化微纳于方寸之间”,光刻机是通过串联的光源能力以及形状控制手段,将光束透射过画着线路图的校正,经过物镜补偿各种光学误差,将线路图成比例缩小后映射到硅片上,然后使用化学方法进行显影、刻蚀处理,最终得到刻在硅片上的电路图。

但是它最难的在于,需要在极小的空间内完成超精细的纳米级雕刻工艺,为具备这项能力。需要掌握的关键技术有很多,主要包括以下几种:

1、“微缩投影系统”即所谓的“光刻机镜头”。这种镜头不是一般的镜头,其尺寸可以达到高2米直径1米甚至更大。光刻机的整个曝光光学系统,可能需要20多块锅底大的镜片串联组成,将光学零件精度控制在纳米级别。每块镜片都由高纯度透光材料制成,还包括高质量抛光处理等过程,一块镜头的成本在数万美元上下;

2、既然叫做“光刻机”,所以“光源”也是光刻机的核心之一,要求光源必须发出能量稳定且光谱很窄很窄的紫外光,这样才能保证加工精度和精度的稳定性。按照光源的发展轨迹,光刻机从最初的紫外光源(UV)发展到深紫外光(DUV),再到如今的极紫外光(EUV),三者最大的不同在于波长,波长越短,曝光的特征尺寸就越小。

高端光刻机为什么难“买”又难“造”?

(资料源自上海微电子官网、东兴证券研究所,OFweek电子工程网制图)

最早的光刻机采用汞灯产生的紫外光源,从g-line一直发展到i-line,波长从436nm缩短到365nm。随后,业界利用电子束激发惰性气体和卤素气体结合形成的气体分子, 向基态跃迁时所产生准分子激光的深紫外光源,将波长进一步缩短至193nm,由于在此过程中遇到了技术障碍,因此采用浸没式(immersion)等技术进行矫正后,光刻机的极限光刻工艺节点可达28nm。

如今,业界最先进的光刻机是EUV光刻机,将准分子激光照射在锡等靶材上,激发出波长13.5nm的光子作为光刻机光源。EUV光刻机大幅度提升了半导体工艺水平,能够实现7nm及以下工艺,为摩尔定律的延续提供了更好地方向。而业界也只有ASML一家能够提供EUV设备,处于产业金字塔顶端;

3、分辨率,对光刻工艺加工可以达到的最细线条精度的一种描述方式。光刻的分辨率受光源衍射的限制,所以与光源、光刻系统、光刻胶和工艺等各方面都有关系,总体来说,分辨率和光源波长的关系可以用公式“R(分辨率)=K1(工艺参数)λ(光源波长)/NA(光学镜头的数值孔径)”;

4、工艺节点,是反映芯片技术工艺水平最直接的参数。工艺节点的尺寸数值基本上和晶体管的长宽成正比关系,每一个节点基本上是前一个节点的0.7倍,0.7X0.7=0.49,所以每一代工艺节点上晶体管的面积都比上一代小大约一半,因此单位面积上的晶体管数量将翻番,这就是著名的摩尔定律。一般18~24个月,工艺节点就会发展一代。

工艺节点发展以28nm为分水岭,虽然依然按照0.7倍的规律前进,但实际上晶体管的面积以及电性能的提升远落后于节点数值变化。比如英特尔当时统计数据显示,他们20nm工艺的实际性能已经相当于三星14nm和台积电的16nm工艺。更麻烦的是,不同厂商工艺节点换算方法不一,导致了很多理解上的混乱。因此,只有对芯片有很高要求的产品才会采用28nm及以下先进工艺。当然,发展到现在,台积电已经开发出了更为先进的5nm工艺并实现量产,今年下半年就会有搭载相关芯片的产品面世。

高端光刻机为什么难买又难造?

一般来说,一条芯片生产线上需要好几台光刻机,而一台光刻机的造价也非常高,其中成像系统和定位系统最贵,整台设备算下来造价三千万到五亿美元不等。此外,光刻机上的零部件还包括来自瑞典的轴承、德国的镜头、美国的光栅、法国的阀件等等,都属于各个国家的高端工艺产品。

光刻机的折旧速度非常快,每天大概就要花费3~9万人民币,将其称为“印钞机”也不为过。正是因为光刻机昂贵的造价和上文中提到的各项高先进技术,ASML一年也只能制造出20多台EUV光刻机。

这么昂贵的设备,ASML公司一年卖出几台就够养活整个公司了,中国市场一直以来都是ASML看好的重点业务区域,但是却偏偏不能向中国出售高端光刻机,为什么呢?这里就要提到《瓦森纳协定》。比如中芯国际苦苦等待的EUV光刻机,虽然设备一直没到,但是也没有因此停止研发进程,已经在14nm的基础上研发出“N+1”、“N+2”工艺,等同于7nm工艺,公司联合首席执行官兼执行董事梁孟松也透露出,现阶段哪怕不用EUV光刻机,也可以实现7nm工艺。但想要大规模成熟量产,依然离不开EUV光刻机。

中国又被誉为“制造大国”,既然买不着,那自己造如何?

在过去,搜狐能 copy 雅虎,淘宝能 copy eBay,滴滴 copy Uber,那咱们能不能 copy 一个ASML出来自己造光刻机?要知道,ASML可谓是当前光刻机领域的“一哥”,尽管尼康和佳能与之并称“光刻机三巨头”,但在支持14nm及以下的光刻机上,唯有ASML一家独大。

“光刻机之王”ASML的成功难以复制。ASML出身名门,由原本荷兰著名的电器制造商飞利浦公司半导体部门独立拆分出来,于2001年更名为 ASML。

在ASML背后,还有英特尔、三星、台积电、SK海力士等半导体巨头为其撑腰,只有投资了ASML,才能成为其客户,拿到光刻机产品的优先供货权。多方资本注入下,ASML也有了更多强化自身实力的机会:

2001年,ASML收购美国光刻机厂商硅谷集团获得反射技术,市场份额反超佳能,直追尼康;

2007年,ASML收购美国 Brion 公司,成为ASML整体光刻产品战略的基石;

2012年,ASML收购全球知名准分子激光器厂商Cymer,加强光刻机光源设备及技术;

2016年,ASML收购台湾半导体设备厂商汉微科,引入先进的电子束晶圆检测设备及技术;

2016年,ASML收购德国卡尔蔡司子公司24.9%股份,加强自身微影镜头技术;

2019年,ASML宣布收购其竞争对手光刻机制造商Mapper知识产权资产。

在上文中提到,光刻机设备融合了多门复杂学科,不仅种类繁多,还要求是当前该领域最先进的技术,放眼当下没有任何一家公司敢说自己能在这些领域都做到最好。也就只有ASML能够不断通过自研、收购等方式,一步步走上神坛。

说出来很多人可能不信,我国最早研发光刻机的时候,ASML还没有出现。资料记载,1977年也就是中国恢复高考那年,我国最早的光刻机-GK-3型半自动接近式光刻机诞生,由上海光学机械厂试制。

80年代其实开了个好头,1981年,中国科学院半导体所成功研制出JK-1型半自动接近式光刻机样机。1982年国产KHA-75-1光刻机的诞生,估计跟当时最先进的佳能相比也就相差4年。1985年中国第一台分步投影式光刻机诞生,跟美国造出分布式光刻机的时间差距不超过7年。这些都说明当时中国其实已经注意到了投影光刻技术的重要性,只是苦于国内生产工艺尚不成熟,所以很难实现量产。

80年代末期,“造不如买”的思想席卷了大批制造企业,我国半导体产业研发进程出现了脱节,光刻机产业也未能幸免。

虽然后续一直在追赶国外列强的脚步,但产业环境的落后加上本来就与世界先进企业有差距,使得中国终究没有在高端光刻机领域留下属于自己的痕迹。

“眼看他起朱楼,眼看他楼塌了”,80年代初期奠定的中国光刻机产业基础就这样被轻视了。这也是为什么我国光刻机产业一直赶不上国外的原因,再加上光刻机制造所需要的各种零部件,也都受到不同程度的管制,如今想再追回来,实在太难。

中国高端光刻机正在路上

千禧年来了,全球半导体产业也兴旺起来。中国开始重新关注并发展EUV技术,中国有没有光刻机已经不是问题,问题在于“能否制造高端光刻机”。

2001年,科技部和上海市于2002年共同推动成立上海微电子装备公司,承担国家“863计划”项目研发100nm高端光刻机。据悉,中电科四十五所当时将其从事分步投影光刻机团队整体迁至上海参与其中;

2008年,科技部召开国家科技重大专项"极大规模集成电路制造装备及成套工艺"推进会,将EUV技术列为下一代光刻技术重点攻关的方向。中国企业也将EUV光刻机列为了集成电路制造领域的发展重点对象。

如今,国内从事光刻机及相关研究生产的除了上海微电子装备、合肥芯硕半导体、江苏影速集成电路装备以外,还有清华大学精密仪器系、中科院光电技术研究所、中电科四十五所等高校/科研单位。

在研发成果上,2016年,清华大学“光刻机双工件台系统样机研发”项目成功通过验收;2016年,清华大学“光刻机双工件台系统样机研发”项目成功通过验收;2018年,国家重大科研装备研制项目“超分辨光刻装备”通过验收,也是世界上首台用紫外光源实现22nm分辨率的光刻机,意义在于用便宜的光源实现较高的分辨率,用于一些特殊制造场景。

可以看到,在光刻机的自主研发进程上,中国也取得了很大的进步。但相对来说比较缓慢,要想真正研发出高端光刻机,需保证多个学科和领域的技术水平达到或者超过世界先进水平,任何一环节落下都会影响产品的性能。

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