国内光刻机设备现状与前景解读
张明花
TrendForce集邦
今天
近期,
光刻机
的相关消息铺天盖地,在国际贸易摩擦反复无常的环境背景下,业界对于仍处处受制于他国的
光刻
机
设备
格外关注。
据了解,
光刻机
是通过
光学系统
将光掩模版上
设计
好的
集成电路
图形印制到
硅
衬底的感光
材料
上,实现图形转移,根据应用工序不同,
光刻机
可以用于集成电路的制造环节和
封装
环节,其中用于封装环节的
光刻
机在技术门槛上低于用于制造环节的光刻机。
在制造环节中,
光刻
工艺
流程决定了芯片的工艺精度及性能水平,对
光刻机
的技术要求十分苛刻,因此
光刻
机也是
集成电路制造
中技术门槛最高、价格最昂贵的核心
设备
,被誉为
集成电路
产业皇冠上的明珠。
01
美日荷
光刻机
竞逐赛
在过去数十年间,
光刻机
不断发展演进同时推动了
集成电路制造
工艺
不断发展演进,
集成电路
的飞速发展,
光刻
技术起到了极为关键的作用,两者相辅相成,因而自1947年贝尔实验室发明点触式晶体管,
光刻机
技术亦已具备发展土壤。
光刻机
最初从美国发展起来。1959年,
仙童
半导体研制出全球首台“步进重复”相机,使用
光刻
技术在单个
晶圆
片上制造了许多相同的
硅
晶体管。20世纪60年代末,日本企业尼康和佳能开始进入光刻机领域并逐步崛起,但70年代主要是美国公司的竞逐赛。
70年代初,美国Kasper公司推出
接触式
光刻
设备
;1973年,Perkin Elmer公司推出了投影式
光刻
系统并迅速占领市场,在一段时间里处于主导地位;1978年,GCA公司推出了真正现代意义的
自动化
步进式
光刻机
(Stepper),但产量效率相对较低。
80年代日本企业开始发力,尼康推出首台商用Stepper NSR-1010G,随后尼康一度占据
光刻机
过半市场份额,佳能亦在市场上占有一席之地。值得一提的是,1984年4月,
飞利浦
与荷兰公司ASMI正式合资成立
ASML
,ASML脱胎于
飞利浦
光刻
设备
研发小组,该小组于1973年已推出其新型光刻设备。
80年代末到90年代,美国初代
光刻机
公司走向衰落,GCA被收购后关闭、Perkin Elmer
光刻
部也被出售,日企尼康处于市场主导地位。同时,
ASML
亦在逐步发展,1991年推出了PAS?5000
光刻机
;1995年,ASML在阿姆斯特丹和纳斯达克交易所上市。
进入21世纪,
ASML
强势崛起。2000年,ASML推出其首台Twinscan系统
光刻机
;随后,ASML相继发布首台量产浸入式
设备
TWINSCAN?XT:1700i、首台1
93nm
浸入式
设备
TWINSCAN?XT:1900i,一举力压尼康、佳能成为全球
光刻机
市场新霸主。
如今,
ASML
已成为全球
光刻机
领域的绝对龙头企业,垄断高端
EUV
(极紫外)
光刻机
市场,是全球唯一一家可提供EUV
光刻
机的企业。
02
国产
光刻机
攻关历程
在欧美日
光刻机
市场风云变幻的数十年间,我国也在通过各种努力研制国产
光刻
机
设备
。据了解,20世纪70年代我国就开始有
清华大学精密仪器系
、中科院
光电
技术研究所、中电科四十五所等机构投入
光刻机
设备
研制。
除了上述提及的高校/科研单位,国内从事
光刻机
及相关研究生产的企业/单位还有
上海微电子装备
、中科院长春光机所、合肥芯硕半导体、江苏影速
集成电路
装备,以及
光刻机
双工件台系统企业北京
华卓精科
等。
2001年,国务院正式批准在“十五”期间继续实施国家高技术研究发展计划(863计划),国家科技部和上海市于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。
2006年,国务院发布《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》确定发展16个重大专项,其中包括“极
大规模集成电路
制造装备及成套
工艺
”国家科技重大专项(02专项)。2008年,国务院批准实施02专项,200多家企事业单位和2万多名科研人员参与攻关,其中
EUV
光刻
技术列被为“32-
22nm
装备技术前瞻性研究”重要攻关任务。
当时,中科院长春光机所作为牵头单位,联合中科院
光电
技术研究所、中科院上海
光学
精密机械研究所、中科院微电子研究所、北京理工大学、
哈尔滨工业大学
、华中科技大学,承担“
极紫外光刻
关键技术研究”项目研究工作。
随后,清华大学牵头,联合华中科技大学、
上海微电子装备
和成都工具所承担02专项“
光刻机
双工件台系统样机研发”,以研制
光刻
机双工件台系统样机为目标,力争为研发65-28nm双工件台干式及
浸没式
光刻
机提供具有自主知识产权的产品级技术。
可见,在国产
光刻机
研发历程上,国家在政策上予以支持,并动员了高校、科研机构、企业等科技力量共同进行技术攻关。
03
阶段性突破与差距
历经多年努力过,那么国产
光刻机
研发方面有何成果?与国际先进水平还有多大差距?
2016年4月,清华大学牵头的02专项“
光刻机
双工件台系统样机研发”项目成功通过验收,标志中国在双工件台系统上取得技术突破。
光刻机
双工件台样机,图片来源:清华大学新闻网
2017年6月,中科院长春光机所牵头的02专项“
极紫外光刻
关键技术研究”项目通过验收,该项目成功研制了波像差优于0.75 nm RMS?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32 nm?线宽的
光刻
胶
曝光图形。
2018年11月,中科院
光电
技术研究所承担的“超分辨
光刻
装备研制”项目通过验收,该装备在3
65nm
光源波长下,单次曝光最高线宽分辨力达到
22nm
,项目在原理上突破分辨力衍射极限,建立了一条高分辨、大面积的纳米
光刻
装备研发新路线......
然而,尽管多个
光刻机
项目取得成果并通过验收,这些技术在助力国产
光刻
机发展突破上也起到重要作用,但真正实现量产并应用于生产线上却又是另一回事,如上述超分辨光刻装备要想应用于芯片生产还需要攻克一系列技术难关,距离国际先进水平还相当遥远。目前,
上海微电子装备
的90nm
光刻机
仍代表着国产
光刻
机最高水平。
据了解,随着光源的改进和
工艺
的创新,
光刻机
已经历了五代产品的更新替代。第一代为光源g-Line,波长436nm,最小
工艺
节点0.8-0.25微米;第二代为光源i-Line、波长3
65nm
,最小
工艺
节点0.8-0.25微米;第三代为光源KrF、波长248nm,最小工艺节点180-130nm;第四代为光源ArF、波长1
93nm
,最小
工艺
节点45-
22nm
;第五代为光源
EUV
、波长13.
5nm
,最小
工艺
节点22-
7nm
。
第五代
EUV
光刻机
是目前全球
光刻
机最先进水平,
ASML
是唯一一家可量产
EUV
光刻机
的厂商。财报资料显示,2019年ASML出售了26台EUV
光刻
机,主要用于
台积电
、
三星
的
7nm
及今年开始量产的
5nm
工艺
。近期媒体报道称,目前ASML正在研发新一代
EUV
光刻机
,主要面向
3nm
制程,最快将于2021年问世。
日本企业尼康方面,官网显示其最新的
光刻机
产品为ArF液浸式扫描
光刻
机NSR-S635E,搭载高性能对准站inline Alignment Station(iAS),曝光光源ArF excimer
laser
、波长1
93nm
,分辨率≦38nm,官方介绍称这款
光刻机
“专为
5nm
工艺
制程量产而开发”。
图片来源:截图于尼康官网产品资料
而
上海微电子装备
方面,官网显示其目前量产的
光刻机
包括200系列
光刻
机(
TFT
曝光)、300系列
光刻机
(
LED
、
MEMS
、
Power
Devices制造)、500系列
光刻机
(IC后道先进
封装
)、600系列
光刻
机(IC前道制造)。其中,用于IC前道制造用的600系列光刻机共有3款,性能最好的是SSA600/20,曝光光源?ArF excimer
laser
、分辨率90nm。
图片来源:截图于
上海微电子装备
官网
相较于
ASML
的
EUV
光刻机
,
上海微电子装备
的90nm
光刻机
无疑落后了多个世代,与尼康相比亦有所落后;再者,目前国内
晶圆
代工厂龙头企业
中芯国际
已可量产
14nm
制程
工艺
,根据
半导体
设备
要超前半导体产品制造开发新一代产品的规律,90nm
光刻机
已远不能满足国内
晶圆
制造的需求。
不过值得一提的是,近期有媒体报道称,
上海微电子装备
披露将于年底量产28nm的immersion式
光刻机
,在2021年至2022年交付国产第一台SSA/800-10W
光刻
机
设备
。虽然业界对此消息颇有争议,但若该消息属实,那对于国产光刻机而言不得不说是一重大突破。
04
迎来发展好时代?
由于技术严重落后于国际先进水平,国内
光刻机
市场长期被
ASML
、尼康、佳能等企业所占据,但随着国内
集成电路
产业加速发展,国产
光刻机
迎来发展机遇。
近年来,全球半导体产能向国内转移,国内
晶圆
生产线不断扩产或新增,成为全球新建晶圆厂最积极的地区,为国产
设备
提供了巨大的市场空间。根据中国国际招标网信息,
长江存储
、华虹无锡等近年新建
晶圆
厂招标
设备
国产化率已显著提升,包括
北方华创
、中微公司、
屹唐半导体
等企业均有中标。
再者,过去两年国际贸易摩擦态势反复,美国对国内半导体产业的技术限制愈加严格。
在此环境背景下,
半导体
设备
国产替代迫在眉睫,国家高度重视和大力支持行业发展,相继出台了多项政策,推动中国半导体产业的发展和加速国产化进程,国产
光刻机
的发展情况更是受到了业界重点关注。国家的重视与支持以及产业与市场的迫切需求,将有望促使国产
光刻
机加快发展步伐。
还有一个较好的发展势头是在资金方面。
半导体
设备
投资周期长、研发投入大,是典型的资本密集型行业,尤其是
光刻机
领域。此前,国内半导体
设备
企业的主要资金来源于股东投入与政府支持,融资渠道单一,近年来国家大基金、地方性投资基金及民间资本以市场化的投资方式进入半导体产业,丰富了半导体设备企业的资金来源,不少企业也正在寻求上市。
目前,
北方华创
、
晶盛机电
、
长川科技
等企业早已登陆资本市场,中微公司、华峰测控、
芯源
微等
半导体设备
企业亦集中在去年以及今年于科创板上市。
光刻机
企业方面,
上海微电子装备
于2017年12月已进行辅导备案,
光刻机
双工件台企业
华卓精科
亦拟闯关科创板,近日江苏影速亦宣布已进入上市辅导阶段。
此外,随着市场资本进入
半导体设备
领域,近两年来亦新增了一些
光刻机
相关项目。如今年6月5日,上海博康
光刻
设备
及光刻
材料
项目签约落户西安高陵,据西安晚报报道,该项目总占地200亩,总投资13亿元;今年4月,埃眸科技纳米光刻机项目落户常熟高新区,计划总投资10亿元,主要方向为
纳米压印
光刻
机的研发、生产、销售及运营。
有人说,对于
半导体设备
产业而言,这是最好的时代、也是最坏的时代。面对与国际先进水平的差距以及技术封锁,国产
光刻机
仍有很长的路要走。除去外部因素,自身人才匮乏、技术欠缺亦是发展难题,
光刻
机研制出来后产线
验证
难更是制约国产光刻机进入生产线的主要瓶颈之一,种种问题亟待解决。
不过,国内越来越多的新增
晶圆
生产线走向稳定,将有望给予国产
光刻机
等更多“试错”机会。对于国产
光刻
机,我们需要承认差距,亦要寄予希望,
上海微电子装备
等已燃起了星星之火,我们期待其早日燎原。
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