登录
 机构网站
  1. 首页
  2. 情报产品
  3. 快讯详情

《半导体设备中的核心：光刻机占24%，刻蚀机占20%，我国技术如何？》

  • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
  • 编译者： husisi
  • 发布时间：2022-02-07

  • 众所周知，芯片的原材料是砂子，但从砂子变成芯片，中间要经过N道工序，需要N种设备，同时也需要尖顶的技术。

    而这些设备中，最重要的就是光刻机、刻蚀机了，按照机构的数据显示，在芯片制造的所有设备中，光刻机的成本占比约为24％，而刻蚀机的占比约为20％，这两种设备合计占比为44％。

    之后再是薄膜沉积设备、测试设备和封装设备，分别占比20％、9％、6％。不过薄膜沉积设备不只有一台，而是一类机器，有很多种，与光刻机、刻蚀机还是不一样的。

    那么问题就来了，既然这两种设备这么关键，那么国内的光刻机、刻蚀机技术如何，与世界先进水平相比，有多大的差距？

    先说光刻机，这也是大家最关心的，目前全球最顶尖的光刻机自然是ASML的0．55孔径的EUV光刻机，售价大约为22亿一台，可生产2nm以下甚至埃米级（0．1nm）级的芯片。

    之后再是0．33孔径的ASML的EUV光刻机，售价10亿元一台，可生产5nm、4nm、3nm级别的芯片。

    不过EUV光刻机只有ASML能够生产，像尼康、佳能也不生产不了，而目前国内厂商上海微电子能够生产的，且对外公开的（不公开的不清楚），只能用于90nm工艺，离ASML至少是10年的差距。

    再说说刻蚀机，这一块国产就非常厉害了，国内有一家厂商叫做中微半导体，生产的刻蚀机，在精度方面已经达到了3nm，并且被台积电采用。

    而中微半导体的刻蚀机与国际顶尖水平的应用材料、泛林相比，是处于同一水平的，这一块没有落后。

    另外再提一下薄膜沉积设备这一块，国内北方华创等也有生产，不过精度大约在14nm的水平，国产化率在10％到15％。

    可见，半导体设备中的关键产品，我们其实除了光刻机外，其它的并不算特别落后，只要国产光刻机能够有突破，那么纯国产芯片的工艺也就能够迅速突破了。

95浏览量
原文链接
相关报告

  • 《中国光刻机产业如何破局》
    • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者：husisi
    • 发布时间：2022-04-24
    • 根据SEMI预测，2021年全球半导体设备市场规模有望增长34％至953亿美元，到2022年全球半导体设备市场有望突破1000亿美元，主要驱动力来自于半导体行业扩张周期下全球半导体厂商资本开支不断增加。 光刻机无疑是芯片制造设备中最重要的设备之一。光刻设备对光学技术和供应链要求极高，拥有极高技术壁垒，已成为高度垄断行业。 三足鼎立与一骑绝尘 ASML、尼康、佳能已牢牢占据如今的光刻机市场，整个市场形成了三足鼎立的局面。2021年，这三家的集成电路用光刻机出货达478台，较2020年的413台增加65台。从总营收来看，2021年前三大ASML、尼康、佳能的光刻机总营收达1076亿元人民币，较2020年小幅增长8．9％。从营收占比来看，ASML占据80％的份额。 ASML似乎已经成为了“光刻机”的代名词，作为当仁不让的龙头光刻机厂商，ASML旗下产品覆盖全部级别光刻机设备。不仅如此，ASML还在能够适配7nm到5nm制程芯片的设计制造的超高端EUV光刻机领域一骑绝尘。 尼康和佳能早年已经放弃更先进光刻机的研究。因为技术水平不够，尼康和佳能在7nm及以下制程芯片的制造能力已落后于ASML，业务发展主要依赖中低端光刻机市场，未来ASML的行业地位将更加稳固。 目前，尼康主推ArF浸没式技术，大部分精力都在Arf和i－line光刻机领域。EUV技术的运用尚不成熟，光刻工艺距离ASML仍有不小差距。不过，尼康仍然有野心追赶ASML。 佳能主要的光刻机产品则集中在i－line光刻机上面。尼康虽然在光刻机行业发展呈现持续下滑态势，但凭借多年技术积累位居二线供应商地位；佳能只能屈居三线。 国产半导体设备的最大短板 光刻机的制造集合了精密光学、精密仪器、高分子物理与化学等多项世界顶尖先进技术，光刻机被誉为“半导体工业皇冠上的明珠”。由于光刻的工艺水平直接决定芯片的制程水平和性能水平，光刻成为 IC 制造中最复杂、最关键的工艺步骤，耗费时间约占整个硅片工艺的 40％—60％。 处在光刻机“食物链顶端”的则是EUV光刻机。EUV光刻机的发展，能够帮助半导体产业实现跨越性的发展。5G技术的发展，万物互联概念的爆火，都使高端芯片的需求更加的旺盛，而利用EUV光刻技术则能真正的帮助我们实现高速、低功耗和高集成的芯片生产工艺，满足了5G高性能、超带宽、低时延和海量连接的需求。 EUV高端光刻机制造技术高度复杂，光学镜头、光源设备、是最为核心的。高精密光学镜片是光刻机核心部件之一，高数值孔径的镜头决定光刻机分辨率以及套值误差能力，EUV极紫外光刻机唯一可使用的镜头由卡尔蔡司生产；高性能光刻机需要体积小、功率高和稳定的光源，主流EUV光源为激光等离子光源（LPP），目前只有美国厂商Cymer和日本厂商Gigaphoton才能够生产。但是这些所有的核心部件皆对中国禁运。受制于该技术的高壁垒，光刻机成为中国半导体设备制造的最大短板。短时间内，中国光刻机难以追赶世界光刻机世界水平。 国产光刻机设备之光 虽然国内的光刻机产业暂时还无法追平国际大厂的水平，但是国产半导体设备厂商及相关零部件厂商也正在努力发光发亮。 上海微电子 在我国光刻机设备生产领域，上海微电子一骑绝尘。 上海微电子自2002年成立，至今也有了20年的光刻机研发历史，其生产的SSX600系列步进扫描投影光刻机采用四倍缩小倍率的投影物镜、工艺自适应调焦调平技术，以及高速高精的自减振六自由度工件台掩模台技术，可满足IC前道制造90nm、110nm、280nm关键层和非关键层的光刻工艺需求，该设备可用于8吋线或12吋线的大规模工业生产。 奥普光电 奥普光电成立于2001年，主营光电测控仪器设备的研发、生产和销售。具备国内一流的光学精密机械与光学材料研发和生产能力。实际上，得益于在光学与精密机械等领域的技术创新和综合制造优势，公司成功参与了包括神舟号载人航天飞船在内的多项国家重大工程任务，有效带动了业绩表现。 同时，借助大股东长春光机所，在国产光刻机领域的龙头地位，奥普光电极具资源整合优势。 而随着长春光电高端光刻机曝光系统的研发，进入冲刺阶段。奥普光电有望成功站上光刻机国产替代的风口。 科益虹源 2016年7月，中国科学院光电院、中国科学院微电子研究所、北京亦庄国际投资有限公司、中国科学院国有资产经营有限公司共同投资创立科益虹源。其关键在于，科益虹源是中国唯一、世界第三具备高端准分子激光技术的公司，高端准分子激光器是生产光刻机所需的核心器件。科益虹源的光源技术，弥补中国在高端光源制造领域的空白。 2020年4月份，科益虹源集成电路光刻光源制造及服务基地项目开工建设。该项目由北京科益虹源光电技术有限公司投资建设，总投资5亿元，建筑面积1．2万平方米，年产RS222型光刻准分子激光器、光刻用准分子激光器、405光纤耦合头等各类设备30台（套）。 ASML的成就，中国企业可取多少？ ASML的成功之路也并非康庄大道，但其成功史，也绝对算得上业内传奇。ASML成立初期，也有技术落后和资金不足的阻碍，又加上半导体产业的周期性的衰退，几乎走投无路；1995年，ASML上市，充足的资金给够了ASML发展动力；2000年，ASML推出TWINSCAN双工件台光刻机，一举奠定了ASML的龙头地位；2010年ASML公司成功研发首台EUV光刻机，由此一骑绝尘，将行业内其他厂商远远甩在了身后。ASML的辉煌路与产业大环境和外部因素助力有关，也是其自身重视科技与研发，把握产业前沿动态技术的必然结果。 ASML在成立之时，发展得并不顺利，也离不开外部的支持。得益于通过欧洲基金和荷兰政府早期的补贴，才坚持下来。上市之后，也正是因为获得了更多的资金，才能心无旁骛的钻入研究中。 ASML更勇于创新，积极研发。ASML之所以能成为世界上唯一可以生产EUV光刻机的公司，离不开当初台积电当初建议的“浸入式光刻技术”方案，这项技术提出时业内很少有人愿意尝试，有ASML愿意尝试该技术。使用该方案，ASML将光源波长一举从193nm缩短到132nm。ASML也快速蚕食光刻机市场份额。此外，ASML从不吝啬投入研发费用，研究投入长期领先于行业竞争对手，ASML研发费用占总销售额比率约20％，远超行业平均水平的3％。 ASML是开放的。ASML并非是一个100％的“原创者”，ASML光刻机中超过90％零件都是向外采购。制造光刻机的零部件来自全球各地的龙头企业，ASML比竞品公司更能明白整合供应链的重要性。尼康在与ASML竞争中失败的一个重要原因就是尼康想把所有光刻机零件研发和关键技术都掌握在自己手里。 ASML已经很多上下游企业形成庞大的利益共同体，形成高度生态体系壁垒。为解决资金困境，2012年ASML还提出了“客户联合投资计划”，客户入股可以保证最先拿到最新设备，IBM、三星、海力士、台积电等客户都是它的股东。可以说，大半个半导体行业，都是ASML的合作伙伴，从而形成了庞大的利益集团。 星星之光，何以生辉？ 从政策层面来看，半导体行业对资金的需求本来就大，加之光刻机产业不是一场可以速战速决的战争，政府应该保证相关支持政策及资金的持久性与连贯性。除了国家资金外，社会资本对整个半导体产业动向的洞悉会更灵活深入。利用国家大基金等资本的带动作用，引导社会资本深入半导体产业，布局先进技术，更能推动光刻机产业的整体进步。 从产业来看，国内光刻机产业应该促进整个产业链的协调发展，相关生产企业应形成良好的产业分工，从零部件到整机，企业做自己擅长的事情，建立更为紧密的合作关系，加快光刻机产业国产替代进程。 从企业本身来看，企业应该积极吸收外部经验，开放式创新。不放过任何可能成功的机会，把握行业前沿动态，积极投入研发。其实，并非所有的芯片制造都需要EUV光刻机，尼康、佳能日本光刻机企业在全球半导体设备市场仍然有一定的地位和实力。国内的企业可以与这些光刻机企业建立合作关系和技术合作，吸收积累技术。
    256浏览量
    原文链接

  • 《这场EUV光刻机争夺战，已经悄然打响》
    • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者：husisi
    • 发布时间：2021-02-04
    • 近日，荷兰的光刻机制造商阿斯麦（ASML）发布2020年度财报，全年净销售额达到140亿欧元，毛利率达到48.6%。ASML同时宣布实现第100套极紫外光刻（EUV）系统的出货，至2020年年底已有2600万片晶圆采用EUV系统进行光刻。随着半导体技术的发展，光刻的精度不断提高，2021年先进工艺将进入5nm/3nm节点，极紫外光刻成为必修课，EUV也成为半导体龙头厂商竞相争夺采购的焦点。未来，极紫外光刻技术将如何发展？产业格局如何演变？我国发展半导体产业应如何解决光刻技术的难题？ 半导体大厂 竞相购买EUV 在摩尔定律不断挑战物理极限的当下，半导体先进工艺领域的竞争形势，用“得EUV者得先进工艺”来形容并不为过。台积电、三星电子等厂商均加速了导入EUV的进程。也是这个原因，EUV正在成为半导体巨头在先进工艺领域争夺优势地位的焦点。 近期，三星电子与ASML高层互访消息频出。2020年10月，三星电子副会长李在镕访问ASML，与ASMLCEOPeterWennink、CTOMartinvandenBrink进行会谈。2020年年底又传出PeterWennink回访三星电子的消息。 有业界人士指出，这样频繁的互访，核心当然在于EUV设备。三星电子希望ASML提供更多的EUV设备，同时希望ASML协助三星电子更加顺利地使用已经购买的EUV。据了解，ASML2021年EUV产能约为45～50台。而台积电就抢下当中的30台，剩下的才由三星、英特尔及SK海力士等竞争对手瓜分。如此一来，三星电子势必在2021年EUV设备数量上输给台积电。三星电子此前提出“半导体愿景2030计划”，计划于2030年在晶圆代工领域赶超台积电。这是三星高层亲自出访ASML的主要原因。 事实上，半导体逻辑制程技术进入到7纳米以下后，由于线宽过细，需要使用EUV作为曝光媒介。全球当前有能力并且有意愿进入7纳米世代的晶圆厂仅剩台积电、三星和英特尔，加之EUV设备供给有限，ASML便成为三大半导体巨头争相拉拢的重要对象。 5nm/3nm 极紫外光刻成为必修课 随着半导体技术的发展，光刻的精度不断提高，已由微米级、亚微米级、深亚微米级，细化到当前的纳米级，曝光光源的波长也由436纳米（G线）、365纳米（Ⅰ线），发展到248纳米（KrF）、193纳米（ArF），再到13.5纳米（EUV）。 EUV是线宽突破10纳米，甚至之后的7纳米、5纳米、3纳米工艺的关键。华创证券调研报告显示，半导体芯片生产的难点和关键点在于将电路图从掩膜上转移至硅片上，这一过程需要通过光刻来实现。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。如果采用EUV，晶圆厂可以减少将芯片设计缩小所遇到的光学麻烦，并在此过程中省去一些多重图形曝光（multi-patterning）步骤，在理想情况下能够节省成本和时间，提高良品率。也正是这个原因，尽管ASML的EUV售价高达1.2亿美元，三星和台积电等厂商依然积极采购。 台积电在日前举行的法说会上宣布，2021年主要用于设备采购的资本支出约为250亿至280亿美元，较2020年的172亿美元增长了45%～62%。台积电首席财务官黄仁昭表示，为应对先进工艺与特殊工艺技术发展，并顺应客户需求的增长，公司将上调2021年资本支出，其中80%将用于3nm、5nm及7nm等先进工艺。 资料显示，台积电的5纳米节点相比7纳米节点，可以使性能提高15％（在相同的功率和复杂度下），功耗降低30％（在相同的频率和复杂度下），晶体管密度最高提高1.8倍（并非适用于所有结构）。此外，5纳米节点将在十层以上的设备上使用EUV，这使台积电减少了掩膜的使用数量，减少了多重图形曝光的使用次数。 未来，先进工艺将继续推进，至3纳米、2纳米，甚至是1纳米。届时，EUV将发挥更大的作用。半导体研究机构imecCEO兼总裁LucVandenhove指出，imec通过与ASML通力合作研发并实现新一代高解析度EUV光刻技术（高NAEUVLithography），将促使摩尔定律继续发挥作用，即使工艺微缩化达到1纳米后，摩尔定律也会继续适用。 存储芯片 下一个EUV大户 不仅逻辑芯片制造工艺需要使用EUV设备，未来美光、SK海力士等存储芯片大厂在量产DRAM时也将采用EUV设备。半导体专家莫大康指出，存储器主要分为两种：一种是DRAM，另一种是3DNAND。3DNAND目前的竞争主要集中在层数上，虽然也需要线宽的微缩化，但需求不那么迫切。而DRAM存储器则不同，如果做到1z（12～14nm）以下，就有可能需要用到EUV光刻机。届时，存储器厂商订的EUV设备将有大的爆发。 据悉，三星电子目前已经尝试将EUV应用于1zDRAM的生产当中。2020年8月，三星电子宣布在平泽工厂新建的第二座生产线开始生产16GbitLPDDR5移动DRAM。三星电子采用EUV生产的第四代10纳米级别的DRAM晶圆出货量达到100万个。 在内存业内，目前的代际划分是1x、1y、1z、1α和1β。SK海力士表示，正在为使用EUV的DRAM的大规模生产做准备。SK海力士计划从2021年起将EUV应用于1αDRAM，2022年将EUV应用于1βDRAM。SK海力士规划升级M14晶圆厂的设备，同时在即将启用的新厂——M16晶圆厂中安装EUV光刻系统。 美光也在布局对EUV的使用。有消息称，美光正在寻找管理EUV设备的工程师。美光科技高级副总裁兼移动产品事业部总经理拉杰·塔鲁里认为，是否采用EUV考量的关键在于芯片生产的成本和效率。“我们现在使用的多重图形曝光技术相比使用EUV在成本和效率上的优势更加明显。现在我们已经推进到1α节点，我们觉得做到1β、1γ节点，现有的多重图形曝光技术在成本上都会更加有优势。但是在1γ之后，我们有可能会尝试采用EUV。我们会进行成本效率分析，如果证明成本效率更优就会考虑采用。当然，前期我们会投入资金进行相关工艺的探索和开发。” 极紫外光刻产业 不仅只有EUV 光刻机供应商除ASML之外，还有日本厂商尼康和佳能。随着EUV变得越来越重要，ASML的优势正变得越来越明显。佳能和尼康仅能在“深紫外线”（DUV）光刻系统上与之竞争。可即使在DUV领域，ASML也拥有62％的市场份额。 然而，极紫外光刻产业又并不仅仅只有EUV光刻机。根据半导体专家莫大康的介绍，与EUV相关的还包括光掩膜缺陷检测和涂覆显影等周边设备，以及光刻胶等关键材料。光掩膜缺陷检测设备可检测光掩膜中存在的缺陷，如果承载原始电路的光掩膜存在缺陷，则芯片的缺陷率将相应增加。因此该设备也十分重要。日本Lasertec是这一领域的主要制造商。Lasertec公司的经营企划室室长三泽祐太朗指出：“随着微缩化的发展，在步入2纳米制程时，DUV的感光度可能会不够充分。”采用EUV光源的检测设备的需求有望进一步增长。 EUV涂胶显影设备用于将特殊的化学液体涂在硅片上作为半导体材料进行显影。作为光刻机的输入（曝光前光刻胶涂覆）和输出（曝光后图形的显影），涂胶/显影机的性能直接影响到细微曝光图案的形成，其显影工艺的图形质量和缺陷控制对后续诸多工艺（诸如蚀刻、离子注入等）图形转移结果也有着深刻的影响。东京电子是该领域的主要供应商。东京电子的河合利树社长指出，如果EUV的导入能促进整个工序的技术进步的话，与EUV没有直接联系的工序数也会增加。国内设备厂芯源微日前表示，公司前道涂胶显影机与国际光刻机联机的技术问题已经攻克并通过验证，可以与包括ASML、佳能等国际品牌，以及上海微电子（SMEE）的光刻机联机应用。 光刻胶对分辨率、对比度、敏感度，以及粘滞性黏度、粘附性等要求极高。目前全球光刻胶主要企业有日本合成橡胶（JSR）、东京应化（TOK）、住友化学、信越化学、美国罗门哈斯等，所占市场份额超过85%，市场集中度非常高。目前，中国已经可以量产G线、I线、KrF三大类光刻胶。南大光电计划通过3年的建设、投产及实现销售，达到年产25吨193nm（ArF干式和浸没式）光刻胶产品的生产规模，未来将攻关EUV光刻胶。 解决光刻难题 从非核心开始起步 我国发展半导体产业，光刻技术是绕不开的课题，以国内目前薄弱的基础，短期内攻克EUV设备并不现实。对此，莫大康指出，高性能光刻技术对中国企业来说成本高昂，但是其战略意义不容忽视。中国要推进完整的光刻工业体系的发展，只能采取从低到高的策略，比如193nm深紫外ArF干式光刻机、浸没式光刻机，以及周边设备材料等，EUV是整套体系中最困难的一块。 “要实现强大的功能，EUV就必须克服电能消耗以及光源等因素的影响。”中国电子科技集团公司第四十五研究所集团首席专家柳滨表示，EUV虽然售价超过了一亿美元，但是高额的价格并不是它最大的问题。EUV最大的问题是电能消耗。其电能消耗是传统193nm光刻机的10倍，因为极紫外光的波长仅有13.5nm，投射到晶圆表面曝光的强度只有光进入EUV设备光路系统前的2%。在与7nm成本比较中，7nm的EUV生产效率在80片/小时的耗电成本将是14nm的传统光刻生产效率在240片/小时的耗电成本的一倍，这还不算设备购置成本和掩膜版设计制造成本。 除了电能以及光源，光刻胶也是EUV技术另一个需要面对的问题。据专家介绍，光刻胶本身对于光的敏感度就十分高，但是对于不同波长的光源，光刻胶的敏感度也有差异，这就对EUV光刻机产生了一些要求。光刻机选择的波长必须和光刻胶对应的波长处于同一个波段，这样才能提升光刻胶对于光源的吸收率，从而更好地实现化学变化。 莫大康表示，极紫外光刻虽然领先，但正因如此也存在许多需要改进的空间。因此，国内厂商先在DUV等领域站住脚跟，从周边设备与材料切入，逐步解决产业中存在的问题，把产业做扎实，不失为一个有效的策略。
    117浏览量
    原文链接