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“超级设备”入华 芯片自主生产有希望?

时间:2018-05-24 15:13:38 来源:21ic 作者:laura 关键字:光刻机   中芯国际   EUV   

据多家媒体证实,长江存储从荷兰阿斯麦(ASML)公司订购的一台光刻机已抵达武汉。这台光刻机价值价值7200万美元,约合人民币4.6亿元。另据媒体报道,中芯国际在中兴事件之后也向该公司下单了一台光刻机,这台名为EUV(极紫外线)光刻机更是身价不菲,价值1.2亿美元,交货日期尚不确定。

价值几个亿的光刻机是什么?

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半导体芯片生产主要分为 IC 设计、 IC 制造、 IC 封测三大环节。 IC 设计主要根据芯片的设计目的进行逻辑设计和规则制定,并根据设计图制作掩模以供后续光刻步骤使用。 IC 制造实现芯片电路图从掩模上转移至硅片上,并实现预定的芯片功能,包括光刻、刻蚀、离子注入、薄膜沉积、化学机械研磨等步骤。 IC 封测完成对芯片的封装和性能、功能测试,是产品交付前的最后工序。

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芯片制造核心工艺主要设备全景图

光刻是半导体芯片生产流程中最复杂、最关键的工艺步骤,耗时长、成本高。半导体芯片生产的难点和关键点在于将电路图从掩模上转移至硅片上,这一过程通过光刻来实现, 光刻的工艺水平直接决定芯片的制程水平和性能水平。芯片在生产中需要进行 20-30 次的光刻,耗时占到 IC 生产环节的 50%左右,占芯片生产成本的 1/3,因此光刻机成为芯片制造的核心设备之一。

光刻机按照用途可以分为好几种:有用于生产芯片的光刻机;有用于封装的光刻机;还有用于LED制造领域的投影光刻机。用于生产芯片的光刻机是中国在半导体设备制造上最大的短板,国内晶圆厂所需的高端光刻机完全依赖进口,长江存储和中芯国际订购的光刻机就是用来生产芯片的。

光刻机工作原理

光刻机通过一系列的光源能量、形状控制手段,将光束透射过画着线路图的掩模,经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,不同光刻机的成像比例不同,有5:1,也有4:1。然后使用化学方法显影,得到刻在硅片上的电路图(即芯片)。

一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、激光刻蚀等工序。经过一次光刻的芯片可以继续涂胶、曝光。越复杂的芯片,线路图的层数越多,也需要更精密的曝光控制过程。现在先进的芯片有30多层。

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上图是一张光刻机的简易工作原理图。下面,简单介绍一下图中各设备的作用。

测量台、曝光台:承载硅片的工作台,也就是本次所说的双工作台。

光束矫正器:矫正光束入射方向,让激光束尽量平行。

能量控制器:控制最终照射到硅片上的能量,曝光不足或过足都会严重影响成像质量。

光束形状设置:设置光束为圆型、环型等不同形状,不同的光束状态有不同的光学特性。

遮光器:在不需要曝光的时候,阻止光束照射到硅片。

能量探测器:检测光束最终入射能量是否符合曝光要求,并反馈给能量控制器进行调整。

掩模版:一块在内部刻着线路设计图的玻璃板,贵的要数十万美元。

掩膜台:承载掩模版运动的设备,运动控制精度是nm级的。

物镜:物镜由20多块镜片组成,主要作用是把掩膜版上的电路图按比例缩小,再被激光映射的硅片上,并且物镜还要补偿各种光学误差。技术难度就在于物镜的设计难度大,精度的要求高。

硅片:用硅晶制成的圆片。硅片有多种尺寸,尺寸越大,产率越高。题外话,由于硅片是圆的,所以需要在硅片上剪一个缺口来确认硅片的坐标系,根据缺口的形状不同分为两种,分别叫flat、notch。

内部封闭框架、减振器:将工作台与外部环境隔离,保持水平,减少外界振动干扰,并维持稳定的温度、压力。

ASML的光刻机动辄几个亿,能不能不从他家买呢?

在高端光刻机上,除了龙头老大ASML,尼康和佳能也曾做过光刻机。

尼康现在之所以还算一家半导体设备供应商,那是因为尼康的屏幕面板光刻机业务还在正常运营。以前尼康也卖过一些光刻机给intel,可是现在先进制程设备采购上,intel看不上尼康的光刻机,想扶一把也没用。现在尼康精机部门就是靠着面板光刻机撑着,毛利润时而有,时而无,亏损是常事,某个季度一旦扭亏,尼康精机就会显示为业绩增长百分之好几百。

尼康最新的Ar-F immersion 630卖价还不到ASML Ar-F immersion 1980Di平均售价的一半,更别说和ASML划时代的EUV光刻机比了。而ASML 第12台EUV光刻机发货中。(EUV才是人类文明半导体技术延续的基石)

2016年Q2 Q3 ASML ship出去的两台 EUV NXE 3350B单价已经超过1亿美元,Ar-F immersion价格平均价位是4000万欧元~5500万欧元左右,以上是算进了refurbished的machine,如果不算,应该更高。

下面仔细分析下2016年的ASML季度各个销售机型数量和销售额(不包括 solution 的收入)。

如下报表,ASML的 Ar-F immersion 在Q1销售15台,销售额856million euro乘以79%(不包括solution部分):

每台价格约4200万欧元。

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其中ASML在2016年Q2季度销往美国芯片厂的占21%,销往韩国新品厂占20%,销往台湾芯片厂的占28%。

几本就是ASML三大优先客户: intel、三星、台积电三巨头争霸的格局

值得注意的是2016年Q1的ASML销售额中,有35%销往中国,除了三星在西安的超大型3D 10纳米级NAND芯片厂扩产外和intel在大连的芯片厂升级外,中国本土厂商也买到了ASML的光刻机(不过由于北约的瓦森纳协议限制,中国只能买到中低端ASML光刻机)。

下面我们来看看尼康的财务报表是多么得惨淡。

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可以看出尼康的芯片光刻机惨不忍睹,Ar-F immersion 销售为0,Ar-F 销售也为0,只能卖点I-line和 KrF 光刻机。

别说intel、台积电、三星这样的半导体巨头了,连东芝都不会买尼康光刻机了。虽然尼康做的是低端市场,但是Ar- Fimmersion 和 Ar-F一台也卖不出去。

截至2013年,ASML就已经控制80%的光刻机市场,垄断全部的高端光刻机市场了。高端光刻机市场,ASML一家独大,价格自然居高不下。

如果考虑中国自主的光刻机呢?

我国光刻机现在达到什么水平?

据悉,长春光学精密机械与物理研究所、应用光学国家重点实验室负责物镜系统;照明系统由中国科学院上海光学精密机械研究所,两个团队所共同负责的国产光刻机已于2017年7月首次曝光成功,2017年10月曝光光学系统在整机环境下已通过验收测试。

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长春国科精密光学技术有限公司、科技部原副部长、02专项光刻机工程指挥部组长曹健林在分享专项进展时表示,目前90纳米检测已经达到要求,希望未来五年内应可顺利验收完成。

2007年正式启动90纳米节点曝光光学系统立项,2009年项目获批,国产光刻机物镜系统由长春光学精密机械与物理研究所、应用光学国家重点实验室负责;照明系统由中国科学院上海光学精密机械研究所,两个团队所共同负责,专项一期项目投入近6亿元。专项目标是建立物镜超精密光学研发团队与平台,并实现产业化满足IC生产线的批量生产要求。

曹健林称,光刻机的研发过程严格按照里程碑节点进行控制与设计,并建立综合设计、加工、镀膜、装配、测试、装调全工艺过程的像质预测模型。2015年7月已经完成装配,其后展开物镜测试台的精度提升工作;2016年9月物镜系统已经交付,整个大硅片都已经进行分布式测量;2017年7月首次曝光成功;2017年10月曝光光学系统在整机环境下通过验收测试。

攻克“皇冠上明珠”朝28纳米迈进

曹健林进一步说,应该说国内半导体行业的关键材料与装备才刚刚起步,希望未来光刻机自主研发能攻克难关拿下这颗 “工业皇冠上的明珠”。他称,接下来项目还将继续推进攻克28纳米研发,规划两年后拿出工程样品,目前EUV的原理系统也已经“走通了”,预计2018年主攻EUV 53波长机台。

随着02专项的支持,国内重大装备于2016年国产装备销售已达32亿元人民币。 他也提个醒,尽管不可否认中国半导体行业的快速发展取得瞩目,但在肯定自身进步的同时,也要看见自己仍存在的差距。他举例,以当前集成电路每年约进口两千亿元来细看,其中主要以微处理器、存储器就约占了1500亿,这两个部分也恰恰是中国目前自身还做不到的。

随着02专项的支持,有些重大装备已经取得突破。但他指出当前面对中国集成电路发展,应该“正确理解中国集成电路产业存在差距”。

小结

我国集成电路与国外产业差距较大,光刻机不是唯一瓶颈。集成电路的制造从设计、制造到封装测试,一颗芯片从无到有,每一步都经过无数工序。好在长江存储与中芯国际光刻机的购买,让我们又能看到半导体行业的曙光。拭目以待,看我们的速度能否超越外国,打赢半导体行业这场斗争。

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