国产芯片挥之不去的痛:MaskAligner-光刻机

国产光刻机在技术发展滞后、中国工业体系不够强大再加上西方联盟打压的背景下谋发展,如同在根基不牢固的地上建造大厦,难度非常大...

  光刻机/曝光机(英语:MaskAligner)是制造微机电、光电、二极体大规模集成电路的关键设备。可以分为两种,分别是模板与图样大小一致的ContactAligner,光刻时模板紧贴晶圆;以及利用类似投影机原理的Stepper,获得比模板更小的光刻图样。(引自:维基百科)


EUV光刻

  光刻机现状:荷兰ASML成霸主,国产光刻机处于低端水平

  光刻机,是半导体生产的核心设备。没有光刻机,就没有大规模的集成电路。集成电路里的晶体管是通过光刻工艺在晶圆上做出来的,光刻工艺决定了半导体线路的线宽、芯片的性能和功耗。精度越高的光刻机,生产出的芯片尺寸更小,功能更强大。

  目前市场上主要的光刻机供应商有荷兰的ASML、日本的Nikon和Canon,以及中国大陆的上海微电子装备(SMEE)。其中,ASML霸占了90%的高端市场,成为全球光刻机霸主;Nikon和Canon随后;国产SMEE与这三者差距则较大,水平接近ASML的低端产品。

  而这样的市场格局主要是由技术格局所决定的。

  ASML掌握了最新的两代高端光刻机核心技术(193纳米ArF和EUV光源技术),目前最尖端的光刻机是EUV光刻机,有且只有ASML能生产。在EUV技术领域内,ASML已经与其他竞争者之间拉开了差距。


  据报告,可知ASML较Nikon和Canon在EUV专利数量上有很大的优势,甚至比这两家之和还要多。另外,排名第一的卡尔蔡司(CarlZeiss)是ASML投资的企业之一,两者是长期策略合作伙伴,蔡司一直为ASML的光刻设备提供最关键且高效能的光学系统。因此,凭着技术优势,ASML一家独占鳌头,成为唯一的一线供应商。

  而成立于1917年的Nikon,凭借多年的技术积累,勉强保住二线供应商地位。NikonNRS系列的ArF浸入式光刻机,参数指标上勉强可以达到ASML高端产品的水准。但其性能相比ASML同档次设备仍有不小差距,尤其是在套刻精度上远远达不到官方宣称水准,以至于Nikon光刻设备在售价不到ASML同类产品一半的前提下,依旧销量不佳。

  至于Canon,因为当年Canon的数码相机称霸世界、利润可观,所以它对于一年销量只有百来台的光刻机,不太重视。随着光刻机技术的迭代,ASML的崛起,Canon优势渐失...早在多年前Canon便放弃在高端光刻机上的竞争,目前产品主要集中在面板等领域,其光刻机在指标标上相当于ASML的低端产品PAS5500系列,慢慢沦为三线供应商。

  据具体数据可知,ASML、Nikon和Canon这三大厂商在市场份额的格局上几乎和技术格局一致,唯一的一些区别是Canon在面板领域拥有较大市场份额,使得它在低端光刻设备上有相对较大的销售量和份额。


三大厂商2017年度光刻机销售数量(来源:芯思想)

  而国产光刻机龙头上海微电子SMEE,成立于2002年,属后起之秀,但技术积累薄弱,目前最先进的光刻设备也只能提供90mn的工艺技术,这也是生产国产光刻机的最高技术水平,和ASML公司差不多有10年的差距。单从指标上看,SMEE光刻机基本和ASML的低端产品属于同一档次,勉强挤进三线供应商,但在三大厂商的挤压下,SMEE在全球光刻机市场份额上几乎空白。

  国产光刻机落后的背后:根基不牢,何成大厦?

  国产光刻机处于低端水平严重阻碍着国产半导体发展,因为在整个芯片制造工艺中,几乎每个工艺的实施,都离不开光刻技术,它占芯片制造成本的35%以上。因此,发展国产光刻机对于我国半导体发展意义十分重大。

  但回顾国产光刻机的发展史,乃至观察全球光刻机的进展,发现留给国产光刻机的机会不多了。

  首先,技术积累薄弱,并错过了研发光刻机新技术的关键时刻。

  其实我国光刻机设备的研制起步并不晚,约在1965年前后。1977年,我国最早的光刻机JGK-3型半自动光刻机诞生;1985年,中电科45所研制出中国首台g线1.5um分步光刻机,而美国是在1978年研制出自动化步进式光刻机(Stepper)的,按照这个时间节点算,中国在分步光刻机上与国外的差距不超过7年。重点是,在那时,国产光刻机水平均不低,最保守估计跟当时先进的Canon相比,差距最多也就不到4年。(那时AMSL还没成立)

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首台国产光刻机JKG-3型机

  因此,当时国产光刻机与国外差距并不算太大。但80年代末,中国开始奉行“造不如买,买不如租”的政策,希望通过引进,借鉴,学习等手段,尽快缩小中国与发达国家的巨大差距。产业也抛却“独立自主、自力更生”的指导方针,盲目对外开放。导致了技术研发单打独斗,科研成果难以转化成产品;硬件企业沦为组装厂,为外资企业提供廉价劳动力;盲目崇拜国外技术,软件工程师转变为廉价的码农。

  直到2000年,中国半导体产业才奋起直追,中国也开始在核心的光刻机领域追赶,但国产光刻机与国外的距离已然变成了鸿沟。在这十多年间里,国产光刻机的研制几乎处于停滞的状态。这也紧接着导致后面我们错过了最新两代光刻机技术研发的时时机,进一步拉大与先进国家的距离。

  一个是20世纪九十年代,光刻光源被卡在193纳米无法进步长达20年,这个难点直到2002年被台积电的林本坚博士所攻破,他提出了浸入式193nm的方案。当时,ASML立马抓住机会,在一年的时间内开发出样机并在之后推出浸入式光刻机XT:1700i,大受各大半导体厂商青睐,更是借此击败当时的光刻机老大尼康。而中国此时才刚刚开始启动193纳米ArF光刻机项目,足足落后ASML20多年。


浸入式光刻机

  2010年,ASML已经研发出第一台EUV原型机,但此时国产光刻机在EUV光源技术上研究几乎没有。


EUV光刻机

  直到2017年6月21日,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所牵头研发的“极紫外光刻关键技术”项目才顺利通过验收,此研究的成果是突破了制约我国极紫外光刻发展的超高精度非球面加工与检测、极紫外多层膜、投影物镜系统集成测试等核心单元技术,成功研制了波像差优于0.75nmRMS的两镜EUV光刻物镜系统,构建了EUV光刻曝光装置,国内首次获得EUV投影光刻32nm线宽的光刻胶曝光图形。

  但这明显距离生产国产EUV光刻机,打破ASML的技术垄断还有很长的路要走。

  其次,光刻机背靠国家完整强大的工业体系,但现在我国工业实力与国外的差距仍较大。

  对于国产光刻机来说,导致落后的不仅仅是因为我们丢失的80和90年代,从更高的角度去观察光刻机的发展,会发现本质上,高端光刻机是整个西方工业体系的结晶。

  光刻机属高精设备,对精工技术的要求非常高,同时对生产误差的要求也极其苛刻。很多人觉得德国机床设计相当复杂,国内与其仍有很大的差距,但光刻机的制造难度比起最复杂的机床更是难上加难。机床加工一般要求是毫米级别,而即便是很落后的光刻机,也要求达到纳米级别的精度,而1mm=1^6nm,所以光刻机的精度要求几乎是普通机床的百万倍。就连现在购买ASML最先进的EUV光刻机,单单安装调试就需要超过一年时间,才能投入使用。

  另外,光刻机内含零部件数量高达五万多个甚至更多,比如ASML的EUV光刻机内含零部件就高达10万多个。而这些零配件是由西方不同的国家提供,并非凭一个国家的能力就能制造出来的。ASML的EUV光刻机就集成了大量来自德国、日本和美国等国家的技术,其光源设备,主要来自美国Cymer,镜头则来自目前全球镜头最好的公司——德国蔡司。

  光刻机的零件几乎都是定制,90%使用了世界最先进的加工技术,甚至一些接口都要工程师用高精度机械进行打磨,尺寸调整次数更可能高达百万次以上。另外,光刻机零件的组装、校准也是技术难点之一,AMSL每年都会拿出15%以上的收入来进行这方面的研发,以保证精度更高,成功率更高,而这些技术如果没有多年的打磨与积累是难以达到要求的。


  因此,高端光刻机的研制是需要一个极其完整且强大的工业体系去支撑的。而第一次工业革命起源于欧洲,发展于美国,中国较后才引入西方工业技术,这样的历史背景决定了欧美工业力量的强大,中国至今与西方依然存在一定差距。举例全球四大工业机器人厂商,德国库卡(已被美的收购)、瑞士ABB、日本发那科、日本安川均出自发达国家,而国内的工业机器人,如新松机器人与这四大厂商还是存在较大的差距,这一定程度上表现出西方工业制造的发达。

  中国虽然也能自主研制光刻机,但在精密加工技术上面我们存在着不足,即使近年来,我国的工业体系越发完善,但还不够强大,这是国产光刻机迟迟不能突破的原因之一。目前,中国一年投入接近千亿人民币在光刻机研发上,但技术上还是比不上ASML,因为ASML的光刻机是数十年西方科技的积累和结晶,不是光用钱就能做出来的,是需要更多的时间、人才、资金、技术等慢慢磨出来的。

  最后,国产光刻机还遭受到整个西方联盟的打压。

  光刻技术与工业技术是影响国产光刻机发展的核心因素,此外,整个国际大环境也一直对国产光刻机产生着深远的影响。

  1996年,在美国的操纵下,以西方国家为主的33个国家签订了《瓦森纳协议》,该协议中的对华技术出口管制以及成立“瓦森纳安排”,极大阻碍了中国加入全球生产体系。欧美国家最先进的几代光刻机一直对华禁售,即使出售的光刻机也都有保留条款,禁止给国内自主CUP做代工,即使是小批量生产用于科研和国防领域的芯片,也存在一定风险,这很大程度上妨碍了中国半导体的发展。而西方国家间不仅不存在限制,甚至存在贸易保护,比如美国英特尔用的是日本光刻机。相当于,中国以一国之力去追赶整个西方发达国家联盟的脚步。

  同时,国外技术封锁严重。知识产权被先进国家当作有力的武器,垄断了光刻机最新的技术,形成了产业上不可逾越的优势。

  综合来看,国产光刻机在技术发展滞后、中国工业体系不够强大再加上西方联盟打压的背景下谋发展,如同在根基不牢固的地上建造大厦,难度是很大的。因此,在光刻设备对技术积累和供应链要求极高的情况下,国产光刻机未来要想从三线打入二线是非常艰难的。目前看来,如果没有特别原因,当今全球光刻机的格局在未来很长时间里都不会有太大变化。

  但纵然如此艰难,国产光刻机依然不会停止追赶的脚步。国产光刻机之路,道阻且长。

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