半导体制造业皇冠上的明珠 光刻机为何如此难做?

作者:贾桂鹏 来源:原创 2020-04-02

  在疫情期间听到很多真真假假的段子,其中,有一个笔者记住了,不久前,欧洲疫情大爆发,荷兰也深受其害,当时俄罗斯媒体突然称,“荷兰想要摆脱目前的情况,可以通过光刻机和中国换取口罩。”虽不知此言论真假,但是,从这之中我们也看出了光刻机的重要性。

  国内厂商中芯国际早在2018年中旬就向ASML订购了一台EUV光刻机,价格为1.2亿美元,预计在2019年底交付,2020年正式安装,但是,在2019年11月和2020年1月,ASML都延迟了发货。而目前,疫情的爆发让托运和旅行都受到了限制,中芯国际购买的这台EUV光刻机到底何时能运送到,现在还是未知数。

  光刻机是半导体核心

  进口一台光刻机如此引人瞩目,原因是它对于半导体领域中极为重要的作用。我们首先要知道,光刻是半导体芯片生产过程中最复杂、最关键的工艺步骤。因为生产过程中,通过光刻将电路图从掩模转移至硅片上,直接决定着芯片制程水准和性能。

半导体制造业皇冠上的明珠 光刻机为何如此难做?

  不仅如此,这一过程耗时长、成本高,据了解,在半导体整个生产的过程中,会需要20-30次光刻,它会占用整个生产环节一半的时间,三分之一的成本。

  这里简单介绍一下它的生产难度:

  一、曝光能力,曝光镜头对于膜系设计要求很高,首先需要用仿真软件设计结构,实现特定的光学效果,设计出来后对于后续的生产加工要求更难,一方面是高端的镀膜材料;

  二、高精度镀膜设备;

  三、镀膜工艺,如何高良率完成镀膜工艺。抛光现在设备在逐步替代手工,设备可大大提高精度。

  目前市场上主要的光刻机供应商有荷兰的ASML、日本的尼康和佳能,以及中国大陆的上海微电子装备(SMEE)。

  ASML处于几乎垄断地位

  ASML (全称比较长: Advanced Semiconductor Material Lithography,目前该全称已经不作为公司标识使用,公司的注册标识为ASML Holding N.V),其总部在荷兰Veldhoven。目前,最先进的5nm制程的EUV光刻机只有ASML一家公司可以生产。所以,导致高端光刻机市场已经完完全全被ASML垄断。

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  据Bloomberg数据显示,在45nm以下高端光刻机设备 市场ASML占据市场份额高达80%以上,在极紫外光(EUV)领域,ASML是独家生产者,实现了全球独家垄断。从全部光刻机出货量来看,ASML、尼康、佳能这三家公司占据了全球99%的市场份额,其中ASML更是达到了67.3%的市场份额。

  在ASML年报中显示,他们在2019年向客户交付了26台极紫外线光刻机,较2018年增加了8台,带来的收入达到了31.43亿美元。

  目前,ASML的极紫外光刻机,包括TWINSCAN NXE:3400B和TWINSCAN NXE:3400C,这两款极紫外光刻机可以用于生产7nm和5nm的芯片,后者更是ASML最新推出的,2019年全年共交付了9台。

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  据悉,目前ASML正在研发下一代EUV光刻机,与现款相比,下一代产品将会通过提升透镜规格,使得新品在微缩分辨率、套准精度两项指标上提升70%,以满足芯片微缩的需求。

  有一点值得注意, ASML有一项很有意思的规定,必须对他们进行投资,才能优先获得供货权,这样的规定,使得ASML获得了大量的资金注入,其中英特尔、三星、海力士、台积电都在ASML中持有股份。

  国内厂商距离有多远?

  说到国内光刻机的发展,就不得不提到上海微电子,他们的SMEE光刻机目前可以实现90nm,而且在国内市场份额超过80%。但是,我们上面提到,代表着全球最先进的ASML EUV光刻机已经可以实现5nm制程,仅从简单的数字对比,也可以看出目前国内顶尖光刻机制造厂与国际顶尖水准的差距。是什么造成了这个差距呢?

半导体制造业皇冠上的明珠 光刻机为何如此难做?

  首先,研制光刻机是一项漫长而且成本巨大的工作,所以离不开巨额的研发费用,ASML每年研发费率始终维持在15%-20%,据ASML最新财报显示,2020年第一季度将会投入5.5亿欧元的研发成本,这对于任何企业来说都是一笔巨额资金,但是,ASML就是靠大额资金砸出来的世界第一。

  还有,我们要了解,光刻机的制造需要各种零部件的整合,ASML公司CEO Peter Wennink表示,ASML的EUV光刻机需要继承全球数百家公司的技术,里面内置了8000多个零部件,不仅如此,就连很多零部件的构造都非常复杂。

  Peter Wennink还举了一个简单的例子,卡尔蔡司为ASML提供了光学镜头,并集成了各种反光镜及光学部件,而这个世界上没有一家公司可以复制他们的技术,这也是制造EUV光刻机的公开秘密。所以,ASML认为,没有任何一家公司可以复制出他们的成果,即便是把图纸公开也不可能完成。

  一台EUV光刻机需要太多技术、零部件支撑,但是,关键零部件来自不同的西方发达国家,比如美国的光栅、德国的镜头、瑞典的轴承、法国的阀件等等,这也体现了我国目前与世界顶尖精密制造领域的差距。

  所以,我国光刻机制造方面的落后,其实主要还是多方面的原因,这个并不是短期能解决的问题。

  写在最后

  ASML目前在光刻机制造领域的进展确实带动了芯片行业的腾飞,或者说,芯片行业的激烈竞争,让ASML可以有极为充实的研发资金来创造出更尖端的机器,好像,两者相辅相成,但是,我们总觉得少了点什么。

  就现阶段来说,我们不能否认目前我国光刻机行业与世界顶级的差距,但是,我们要正视这个差距,它也不是我们裹足不前的原因。先做好中低端产品,培养国内零部件制造,经过时间的积累,相信我国光刻机制造业,也能取得突破。

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