半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的核心在于制造,制造的核心在于設(shè)備。
芯片制造之母,無比重要的光刻機(jī)
在芯片制造漫長(zhǎng)的產(chǎn)業(yè)鏈中,光刻機(jī)是最為耀眼的明珠,它代表了科技發(fā)展的頂級(jí)水平(另一個(gè)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)),更是芯片制造中必不可少的精密設(shè)備。在半導(dǎo)體領(lǐng)域,光刻機(jī)作為前道工藝七大設(shè)備之首(光刻機(jī)、刻蝕機(jī)、鍍膜設(shè)備、量測(cè)設(shè)備、清洗機(jī)、離子注入機(jī)、其他設(shè)備),價(jià)值含量極大,技術(shù)要求極高。
我們使用的幾乎所有的電子設(shè)備都會(huì)使用芯片,而芯片制造的過程有:硅片的制備--〉外延工藝--〉熱氧化--〉擴(kuò)散摻雜--〉離子注入--〉薄膜制備--〉光刻--〉刻蝕--〉工藝集成等。
在同樣大小的芯片制造過程中中,想讓晶體管的數(shù)量增多,就需要從芯片的精細(xì)結(jié)構(gòu)下手,如果芯片的制造能夠越來越精細(xì),達(dá)到相鄰兩個(gè)期間之間的距離達(dá)到幾納米的情況,芯片所能容納的集體管會(huì)更多。那么對(duì)于精細(xì)結(jié)構(gòu)的制造,該怎么才能做到呢?目前主流的是采用放大的思想,通過制造一個(gè)放大的模板(即掩膜),光通過模板照到硅片上,這也是光刻機(jī)的核心技術(shù)。

圖片來源:英特爾官方網(wǎng)站
在集成電路制造工藝中,光刻是決定集成電路集成度的核心工序。光刻的原理是在硅片表面覆蓋一層具有高度光敏感性的光刻膠,再用光線(一般是紫外線、深紫外線、極紫外線)透過掩模照射在硅片表面,被光線照射到的光刻膠會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。此后用特定顯影液洗去被照射/未被照射的光刻膠,就實(shí)現(xiàn)了電路圖從掩模到硅片的轉(zhuǎn)移。一般的光刻工藝要經(jīng)歷旋轉(zhuǎn)涂膠、軟烘、對(duì)準(zhǔn)與曝光、曝光后烘焙、顯影、堅(jiān)膜烘焙、顯影檢查等工序。

圖片來源:北京華卓精科IPO說明書
光刻機(jī)是完成光刻工藝的半導(dǎo)體設(shè)備。光刻機(jī)主要包括光源、投影物鏡和工件臺(tái)三個(gè)子系統(tǒng)及其他部件。其中,光源系統(tǒng)的主要作用為發(fā)出符合光刻要求的激光,投影物鏡系統(tǒng)的主要作用為對(duì)光源發(fā)出光線進(jìn)行精準(zhǔn)聚焦,雙工件臺(tái)的主要作用為承載硅片并根據(jù)光刻需求進(jìn)行精密運(yùn)動(dòng),其決定了光刻機(jī)的分辨率和生產(chǎn)效率。
經(jīng)過多年的發(fā)展,光刻機(jī)按光源類型可分為五類:I-line 光刻機(jī)、KrF 光刻機(jī)、ArF 光刻機(jī)、ArFi 光刻機(jī)(即 ArF 浸沒式光刻機(jī),與 ArF 光刻機(jī)相比在曝光過程中在投影物鏡和晶圓之間形成了一層水膜)、EUV 光刻機(jī);按照應(yīng)用領(lǐng)域可分為 IC 前道光刻機(jī)和 IC 后道光刻機(jī)。其中,IC 前道光刻機(jī)主要應(yīng)用于芯片制造,而后道光刻機(jī)主要用于芯片封裝。
2020年光刻機(jī)市場(chǎng)規(guī)模約151億美元,在整個(gè)半導(dǎo)體設(shè)備中占比約21%;涂膠顯影設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模約19億美元,在整個(gè)半導(dǎo)體設(shè)備中占比約3%;干法去膠設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模約6億美元,在整個(gè)半導(dǎo)體設(shè)備中占比約1%。
從市值來看,光刻機(jī)在整個(gè)半導(dǎo)體領(lǐng)域所占比重并不高,但作為最上游的“母機(jī)”,光刻機(jī)對(duì)整個(gè)半導(dǎo)體生態(tài)的影響是巨大的。
光刻機(jī)之痛,中外差距巨大
在實(shí)際半導(dǎo)體生產(chǎn)過程中,一個(gè)芯片的產(chǎn)生要經(jīng)歷幾十次光刻才能完成,有些結(jié)構(gòu)層甚至需要多次光刻才能形成。光刻是芯片制造的核心,是IC制造的最關(guān)鍵步驟,它確定了芯片的關(guān)鍵尺寸。在主流的微電子制造過程中,光刻是最復(fù)雜、昂貴和關(guān)鍵的工藝,其成本約占整個(gè)硅片加工成本的三分之一甚至更多。同時(shí)光刻機(jī)也是不可替代的,光刻成本占到了芯片整體制造工藝的40%。
然而,在半導(dǎo)體設(shè)備中最為重要的一環(huán)——光刻機(jī)設(shè)備,最先進(jìn)的技術(shù)基本被阿斯麥、佳能及尼康三大國際大廠壟斷,其中阿斯麥(ASML)幾乎在EUV(極紫外光刻)領(lǐng)域是壟斷的,它壟斷了全球14nm以上的高端光刻機(jī)市場(chǎng),特別是7nm以上光刻機(jī)更是100%壟處于壟斷地位。

圖片來源:ASML官網(wǎng)
隨著光源、曝光方式不斷改進(jìn),光刻機(jī)前后共經(jīng)歷了5代產(chǎn)品,每一代產(chǎn)品都在不斷降低光 源波長(zhǎng),同時(shí)縮小制程線寬。第四代浸入式光刻機(jī),最高制程可達(dá)7nm,在7nm之后必須 使用第五代EUV光刻機(jī),其采用EUV光源,波長(zhǎng)為13.5nm,制程節(jié)點(diǎn)為7-3nm,是目前最先進(jìn)的光刻機(jī)。而國內(nèi)能與國際大廠正面抗衡的企業(yè),暫時(shí)還沒有。
不少國人第一次高度關(guān)注和重視光刻機(jī)可以追溯到2018年,當(dāng)年5月,中芯國際向ASML下單一臺(tái)價(jià)值1.2億美元的EUV光刻機(jī),預(yù)計(jì)2019年底交付,2020年進(jìn)行安裝。
幾乎同時(shí),特朗普政府向荷蘭政府發(fā)出威脅,不得向中國交付這臺(tái)EUV光刻機(jī),否則美國政府將斷供該光刻機(jī)上的美國部件,并在2019年明確向荷方表態(tài):“好的盟友不會(huì)向中國出售這類設(shè)備”。
2019年11月,ASML宣布,荷蘭政府不再續(xù)簽相關(guān)出口許可,向中芯國際出售EUV光刻機(jī)的計(jì)劃正式終止。

圖片來源:ASML官網(wǎng)
這意味著,中國大陸的芯片廠商無法突破芯片10nm制程。而早在2017年,國產(chǎn)旗艦手機(jī)的芯片制程就已經(jīng)來到10nm。到2021年,各品牌的旗艦手機(jī)芯片制程已經(jīng)普遍使用5nm技術(shù)。也就是說,中國大陸無法自產(chǎn)電子產(chǎn)品所需要的先進(jìn)制程芯片。這對(duì)中國大陸的半導(dǎo)體芯片制造產(chǎn)業(yè),無疑是一個(gè)巨大的壓制和打擊。
一臺(tái)12億人民幣,備受追捧的EUV光刻機(jī)
擁有先進(jìn)的光刻機(jī),意味著擁有制造先進(jìn)制程芯片的潛力,而EUV光刻機(jī)成為這一切的關(guān)鍵所在。
隨著半導(dǎo)體技術(shù)的更新?lián)Q代,光刻機(jī)也從最開始的g線(436nm)逐漸發(fā)展為近十年間興起的EUV光刻機(jī),從接觸式向接近式,最后演變成步進(jìn)式為主。EUV光刻機(jī),又稱極紫外線光刻機(jī),是芯片生產(chǎn)工具,是生產(chǎn)大規(guī)模集成電路的核心設(shè)備,對(duì)芯片工藝有著決定性的影響,其中,小于5納米的芯片晶圓,只能用EUV光刻機(jī)生產(chǎn)。

作為全球唯一一家能EUV光刻機(jī)的廠家,ASML自然獲得了大量的訂單,截止至2019年第二季度,ASML的NEX:3400B EUV光刻機(jī)的裝機(jī)數(shù)量已經(jīng)多達(dá)38臺(tái),而下半年他們推出了效率更高的NEX:3400C光刻機(jī)。
在2019年 全年一共交付了26套EUV光刻機(jī),為他們帶來了27.89億歐元的收入,占了全年收入的31%,而全年賣了82臺(tái)的ArFi遠(yuǎn)紫外線光刻機(jī)才進(jìn)賬47.67億歐元,可見一套EUV光刻機(jī)是多么地賺錢。

圖片來源:ASML官網(wǎng)
10月14日,ASML總裁兼首席執(zhí)行官Peter Wennink在介紹公司三季度業(yè)績(jī)時(shí),說:“我們第三季度的新增訂單達(dá)到了29億歐元,其中5.95億歐元來自4臺(tái)EUV設(shè)備。”由此估算,一臺(tái)EUV光刻機(jī)的售價(jià)高達(dá)1.48億歐元,折合人民幣11.74億元。
這個(gè)價(jià)格有多貴呢?按波音公司2014年產(chǎn)品目錄公布的價(jià)格,一架波音B787飛機(jī)的零售價(jià)為2.571億美元,按現(xiàn)在的匯率計(jì)算,大約合人民幣17.3億元人民幣。
ASML財(cái)報(bào)數(shù)據(jù)顯示,2020年,阿斯麥占據(jù)全球EUV光刻機(jī)出貨的100%,占全球深紫外光刻機(jī)(DUV)出貨的62%,剩下的份額由尼康和佳能瓜分。目前,阿斯麥最新一代極紫外光刻機(jī)TWINSCAN NXE:3600D已交付給客戶,相較于前一代產(chǎn)品,該機(jī)型生產(chǎn)力提高15%-20%,套刻精度提高30%
然而,在全球發(fā)生大規(guī)模“芯荒”之后,美國和歐洲各國政府已集中精力增強(qiáng)本國的芯片制造能力,這導(dǎo)致了政府對(duì)該行業(yè)的直接支持。美國參議院上個(gè)月通過一項(xiàng)法案,要求提供520億美元的補(bǔ)貼來支持國內(nèi)芯片生產(chǎn)。
《華爾街日?qǐng)?bào)》指出,EUV光刻機(jī)不能很快地裝配在一起,隨著全球芯片產(chǎn)能的擴(kuò)張,阿斯麥的光刻機(jī)開始出現(xiàn)供不應(yīng)求,客戶有時(shí)甚至?xí)笤跊]有進(jìn)行全面測(cè)試的情況下發(fā)貨。

圖片來源:ASML官網(wǎng)
這種情況,也讓阿斯麥有底氣說出,即便暫時(shí)無法向中國大陸出貨,其營收也不會(huì)受到影響,“我們的客戶渴望得到這些機(jī)器”!
事實(shí)上,從EUV光刻機(jī)被生產(chǎn)出來那一刻開始,EUV光刻機(jī)就面臨著缺貨問題,一方面是ASML產(chǎn)能低,另外一方面是EUV光刻機(jī)需求巨大。據(jù)悉,三星和臺(tái)積電是目前芯片制造技術(shù)最先進(jìn)的廠商,兩者一直都購買更多EUV光刻機(jī),甚至三星李在镕都親自去ASML協(xié)商購買更多EUV光刻機(jī)。
另外,英特爾也在購買更多EUV光刻機(jī),尤其是英特爾宣布進(jìn)入晶圓代工領(lǐng)域,還在2025年重回芯片制造領(lǐng)域中的第一名后,其對(duì)EUV光刻機(jī)的需求更是直線增加。
遺憾的是,根據(jù)ASML發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示,今年上半年僅交付了20臺(tái)EUV光刻機(jī),還積壓了大量的EUV光刻機(jī)訂單,訂單金額高達(dá)幾十億歐元。該數(shù)據(jù)顯示,EUV光刻機(jī)被研發(fā)出來,ASML一直都在想辦法提升產(chǎn)能,但這么多年過去了,ASML共計(jì)出貨100余臺(tái)EUV光刻機(jī),今年年產(chǎn)能僅為45臺(tái)。
顯然,EUV光刻機(jī)供不應(yīng)求的局面短時(shí)間內(nèi)無法改變,國內(nèi)光刻機(jī)市場(chǎng)狀況又如何呢?
奮力追趕,一步一個(gè)腳印
國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)使用的光刻機(jī)和國際先進(jìn)企業(yè)使用的光刻機(jī)究竟有多大區(qū)別呢?
2015年,英特爾、三星、臺(tái)積電購入ASML出產(chǎn)的10nm制程EUV光刻機(jī),領(lǐng)先進(jìn)入10nm時(shí)代。而反觀中芯國際歷盡艱辛,只能買到ASML在2010年生產(chǎn)的32nm光刻機(jī),整整落后了5年。

圖片來源:臺(tái)積電官網(wǎng)
5年的時(shí)間對(duì)于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)來說,已經(jīng)足夠更新?lián)Q代三次!按照公開披露的數(shù)據(jù),2014年華為的研發(fā)經(jīng)費(fèi)是65億美元,是臺(tái)積電的三倍以上。按照中國半導(dǎo)體行業(yè)業(yè)內(nèi)的共識(shí),如果中國大陸能像臺(tái)灣省、韓國一樣購進(jìn)最先進(jìn)的EUV光刻機(jī),中國大陸能夠在短時(shí)間內(nèi)追平世界頂尖的半導(dǎo)體制造水平。
在外購路途不暢的情況下,自研突破封鎖成為國人關(guān)注的焦點(diǎn)。
早在2002年,光刻機(jī)就正式列入“863重大科技攻關(guān)計(jì)劃”。這一年,科技部和上海市政府共同牽頭,國內(nèi)多家企業(yè)共同組建了上海微電子,重點(diǎn)研發(fā)100nm步進(jìn)掃描投影光刻機(jī)。2008年國家啟動(dòng)了主攻裝備、材料和工藝等配套能力的“02專項(xiàng)”,扶持國內(nèi)光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈。除了上海微電子負(fù)責(zé)整機(jī)制造,還扶持了一批配套企業(yè)的研發(fā):比如長(zhǎng)春光電所、上海光電所和國科精密研究曝光光學(xué)系統(tǒng),華卓精科承擔(dān)雙工件臺(tái),南大光電研制光刻膠,啟爾機(jī)電負(fù)責(zé)突破DUV光刻機(jī)液浸系統(tǒng)等。
如今,國產(chǎn)光刻機(jī)在艱難中已有了星星之火。十余年的持續(xù)投入下,國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈在光源系統(tǒng)、曝光光學(xué)系統(tǒng)等方面取得突破。2016年,國科精密研發(fā)的國內(nèi)首套用于高端 IC 制造的 NA=0.75 投影光刻機(jī)物鏡系統(tǒng)、國望光學(xué)研發(fā)的首套90nm節(jié)點(diǎn)ArF投影光刻機(jī)曝光光學(xué)系統(tǒng)都已交付。

圖片來源:上海微電子官網(wǎng)
在國產(chǎn)光刻機(jī)技術(shù)領(lǐng)域,上海微電子(SMEE)一枝獨(dú)秀。其產(chǎn)品主要采用ArF、KrF和i-line光源,目前只能達(dá)到90nm制程,且主要用于IC的后道封裝和面板領(lǐng)域。SMEE作為國內(nèi)最領(lǐng)先的光刻機(jī)研發(fā)企業(yè),有非常多的光刻工藝人才,在產(chǎn)業(yè)鏈還未成熟的國內(nèi)光刻機(jī)行業(yè)中,人才優(yōu)勢(shì)是主要核心競(jìng)爭(zhēng)力。作為芯片行業(yè)的上游,目前國內(nèi)還未出現(xiàn)能制造出能滿足芯片行業(yè)需求的企業(yè),而有著眾多光刻工藝人才的SMEE,自然而然就成為最有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的企業(yè)。
2020年6月初,上海微電子宣布將在2021-2022年交付第一臺(tái)28nm工藝的國產(chǎn)浸入式光刻機(jī),國產(chǎn)光刻機(jī)有望從此前的90nm工藝一舉突破到28nm工藝。

圖片來源:上海微電子官網(wǎng)
2021年9月18日,上海微電子舉行新產(chǎn)品發(fā)布會(huì),宣布推出SSB520型新一代大視場(chǎng)高分辨率先進(jìn)封裝光刻機(jī)。據(jù)上微電子官網(wǎng)信息顯示,新一代封裝光刻機(jī)品投影物鏡系統(tǒng)全面升級(jí),可滿足0.8μm分辨率光刻工藝需求,極限分辨率可達(dá)0.6μm;通過升級(jí)運(yùn)動(dòng)、量測(cè)和控制系統(tǒng),套刻精度提升至≤100nm,并能保持長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
同時(shí),上海微電子預(yù)計(jì)會(huì)在2021年年底交付采用ARF光源制程工藝的28nm光刻機(jī)。此光刻機(jī)在經(jīng)過多次曝光之后,可生產(chǎn)出11nm制程芯片。此前上海微電子可量產(chǎn)光刻機(jī)受困于90nm制程達(dá)四年之久,如若成功交付28nm光刻機(jī),將打破光刻機(jī)國際巨頭ASML公司常年對(duì)成熟和先進(jìn)制程領(lǐng)域的技術(shù)封鎖。
而近年來,在國家政策的扶持以及一批龍頭企業(yè)的帶領(lǐng)下,我國光刻機(jī)技術(shù)也開始了飛速的發(fā)展,由長(zhǎng)春光機(jī)所牽頭承擔(dān)的國家科技重大專項(xiàng)02專項(xiàng)——“極紫外光刻(EUVL)關(guān)鍵技術(shù)研究”項(xiàng)目也順利完成了驗(yàn)收前現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。中科院光電技術(shù)研究所承擔(dān)的“超分辨率光刻裝備研制”項(xiàng)目通過驗(yàn)收、南大光電承擔(dān)的國家科技重大專項(xiàng)(02專項(xiàng))“極大規(guī)模集成電路制造裝備及成套工藝”之“先進(jìn)光刻膠產(chǎn)品開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化”項(xiàng)目通過驗(yàn)收……在國人共同的努力下,光刻機(jī)顯然有了彎道超車的可能。
正如ASML總裁皮特·韋尼克說:“出口管制將加快中國自主研發(fā),15年時(shí)間里他們將做出所有的東西”、“中國完全自主掌控供應(yīng)鏈之后,歐洲供應(yīng)商將徹底失去市場(chǎng)”,但短時(shí)間內(nèi)國產(chǎn)光刻機(jī)技術(shù)想追上阿斯麥、佳能及尼康等擁有十幾二十年技術(shù)沉淀的大廠,難度是不小的。畢竟,我們?cè)谶M(jìn)步,別人不會(huì)選擇固步自封。此外,即使擁有了相應(yīng)的技術(shù),相關(guān)國產(chǎn)零部件等產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)也要跟得上才行。
寫在最后:用產(chǎn)業(yè)的力量尋求突破
光刻機(jī)是技術(shù)壁壘極高的產(chǎn)品,而EUV光刻機(jī)制造更是“難上加難”,不僅體現(xiàn)在技術(shù)設(shè)計(jì)方面,還在于零部件供應(yīng),一臺(tái)頂尖的EUV光刻機(jī)包含了10萬多個(gè)零部件,全球供應(yīng)商超過5000家,從光刻機(jī)的結(jié)構(gòu)分析來看,美國光源占27%,荷蘭腔體和英國真空部件占32%,日本材料占27%,德國光學(xué)系統(tǒng)占14%。因此,僅從零部件供應(yīng)來說,光刻機(jī)涵蓋的產(chǎn)業(yè)鏈就十分龐大。
然而,我國不僅有著高速發(fā)展的半導(dǎo)體行業(yè),更有同光刻機(jī)密切相關(guān)且快速成長(zhǎng)且的晶圓產(chǎn)業(yè)。根據(jù) SEMI 統(tǒng)計(jì),中國計(jì)劃在 2017 年至 2020 年間建立一個(gè)強(qiáng)大、自給自足的半導(dǎo)體供應(yīng)鏈,中國的晶圓制造產(chǎn)能在 2020 年達(dá)到 400 萬片(8英寸)。晶圓產(chǎn)能的快速增長(zhǎng)促進(jìn)了半導(dǎo)體設(shè)備需求的增長(zhǎng)。根據(jù) SEMI 統(tǒng)計(jì),2020年中國半導(dǎo)體設(shè)備行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模達(dá) 187.20 億美元,同比增長(zhǎng) 39.18%。2009 年至 2020 年,中國半導(dǎo)體設(shè)備行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模復(fù)合增長(zhǎng)率為 31.25%,高于全球市場(chǎng)增長(zhǎng)率 14.59%。
經(jīng)過多年培育,國產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備已經(jīng)取得重大進(jìn)展,整體水平達(dá)到 28nm 制程,并在 14nm 和 7nm 制程實(shí)現(xiàn)了部分設(shè)備的突破。先進(jìn)制程產(chǎn)線為了保證產(chǎn)品良率,我國晶圓廠仍將以采購海外設(shè)備為主,待國產(chǎn)設(shè)備通過客戶驗(yàn)證且下游客戶產(chǎn)能順利爬坡后,國產(chǎn)設(shè)備占比有望提升;而在中低端制程,國產(chǎn)化率有望得到顯著提升。
除傳統(tǒng)硅基晶圓制造外,SiC 等第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料研發(fā)越發(fā)成熟,SiC器件的需求將逐漸增多,將會(huì)帶動(dòng)寬禁帶半導(dǎo)體材料晶圓制造產(chǎn)線的建設(shè),進(jìn)一步促進(jìn)對(duì)半導(dǎo)體設(shè)備的需求,而這些,都將成為國產(chǎn)光刻機(jī)成長(zhǎng)的“沃土”!