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巅峰较量,谁能打破光刻机垄断?

我的极刻 2022-07-14 11:34 发文

先进制造业的核心在于芯片,而芯片制造的核心在光刻机。

光刻机,一个熟悉又陌生的名字。说它熟悉,是因为经常在各大媒体上看到;说它陌生,是因为很少有人熟悉光刻机的构造,它的诞生、发展与制造难度,这一切似乎都是一个谜。

在芯片制造漫长的产业链中,光刻机的地位无人可以撼动。它是人类智慧的结晶,它代表了人类科技发展的最高水准。每一台光刻机都价值亿万,每一台光刻机都将决定半导体产业的市场格局。

有人说,光刻机是半导体工业皇冠上的宝石;有人说,光刻机比原子弹还难造。那么,神秘而诡谲的光刻机,究竟如何影响世界?作为半导体制造业的后起之秀,我国又该如何突破光刻机垄断?

光刻机的缘起

所谓光刻机,又叫掩模对准曝光机,它是芯片制造中必不可少的一环。曾经有人开玩笑说,芯片制造就是将石头变成“芯片”的魔法。在“麻瓜”生活的真实世界里,自然没有魔法。

真正的芯片制造过程枯燥且无趣,首先要将石头提炼成硅片,然后经历外延工艺、热氧化、扩散掺杂、离子注入、光刻、刻蚀等工艺,其中光刻的步骤不多,单次工艺成本却最高。

▲光刻是芯片制造的其中一环

光刻工艺是将掩膜版上的几何图形转移到晶圆表面的光刻胶上。首先光刻胶处理设备把光刻胶旋涂到晶圆表面,再经过分步重复曝光和显影处理之后,在晶圆上形成需要的图形。光刻的原理看起来似乎与胶片时代的照相制版,都是在一个平面上加工形成微小图形。

早期的光刻技术并不难,世界很多企业与研究机构都能独立制造光刻机。然而,随着光刻技术的发展,光刻技术经历了接触/接近、等倍投影、缩小步进投影、步进扫描投影等曝光方式的变革。曝光光源的波长由 436 纳米、365 纳米,发展到 248 纳米、193 纳米,再到 13.5 纳米。

值得注意的是,这里的波长数值与芯片制程的数值并不等同。以 193 纳米 ArF 光刻机为例,最小分辨率为 7 纳米,也就是说最高可以生产 7nm 芯片。至于 13.5 纳米光刻机,就是我们常说的 EUV 光刻机,分辨率为 ArF 光刻机的 3-5 倍,不仅可以胜任 7nm 芯片制造,还可以用于 5nm、3nm 制程工艺。

综合来看,光刻机大致分为五代。第一代、第二代光刻机为汞灯光源,采用接触式光刻,即掩模贴在硅片上进行光刻。这种工艺并不算尖端科技,光刻机工作原理与幻灯机类似,主要是佳能、尼康等企业在生产。第三代为扫描投影式光刻机,光源通过掩模,经光学镜头调整和补偿后,以扫描的方式在硅片上实现曝光,成功将最小制程节点提升至 180nm。

此后,光刻机便进入应用最广的第四代光刻机,这一代分为浸入步进式与步进投影式两大门类,最高可实现 7nm 制程工艺。目前,第四代光刻机为市场主流,7-28 纳米制程节点大多在使用第四代 ArF+ 浸入式光刻机。至于第五代,相信小黑不说大家也能猜到,就是最为先进的极紫外光刻机,目前仅有阿斯麦一家公司可以生产,技术难度非常高。

中国光刻机的进展

光刻机虽然只有短短五代,可中间的竞争并非可以用几句话说清。2002 年,台积电公司林本坚博士提出“浸没式光刻机技术”,决定了阿斯麦的兴起,尼康、佳能的衰落。而阿斯麦收购准分子激光源巨头 Cymer,推出第三款 EUV光刻机 NXE:3400B,则决定了未来几十年光刻机市场格局。

在全球光刻机市场中,上海微电子代表了中国光刻机的最高水准。目前,上海微电子拥有 IC 前道制造、IC 后道封装、LED 制造等多系列光刻机,其中我们最常提到的光刻机就是 IC 前道制造光刻机。

上海微电子 SSX600 系列光刻机拥有三大型号,其中 SSA600/20 采用步进扫描投影技术,最高可实现 90nm 分辨率。结合上文我们可以发现,这属于第四代光刻机,乍一看似乎离最先进的第五代极紫外光刻机只有一步之遥。

可惜,第四代光刻机也分优劣,早在 2003 年,阿斯麦就研制出世界上第一台浸入式光刻机。在接下来十几年时间里,阿斯麦不断推出新产品,提高光刻机的技术水平。

此外,上海微电子采用的步进扫描投影技术与阿斯麦采用的浸入式技术分属两大门类。当初,如日中天的尼康也用步进扫描投影技术,可惜英特尔、台积电两大巨头并不认可,纷纷与阿斯麦合作,以致于尼康的光刻机无人问津,难以维持产品营收平衡。一款难以盈利的产品自然不会获得新的研发资金,步进扫描投影技术路线注定难以成功。

与普通产品不同,光刻机这类产品客户极少,产品数也特别少,因此产品进步往往需要客户一起努力。阿斯麦之所以能战胜尼康、佳能等竞争对手,客户的支持密不可分。英特尔直接转让了大量光刻机专利,台积电甚至直接贡献了“浸没式光刻机技术”设想。

某种程度上,阿斯麦是芯片制造工厂们一手扶持起来的。上海微电子目前技术停留在 90nm 阶段,之后还有 45nm、28nm、10nm、7nm、5nm 等五个重要制程节点。工信部曾经表示,中国光刻机与世界先进水平有 15 年差距。事实上,差距可能不止 15 年,因为有些技术并非靠时间就能解决。

光源、镜片与联盟

阿斯麦并不可怕,可怕的是以它为核心的产业联盟。在阿斯麦上游,是卡尔蔡司、Cymer 这样的产业巨头,在阿斯麦下游是台积电、英特尔、三星这样的代工大佬。

阿斯麦目前最抢手的 EUV 光刻机,其采用的 Cymer 激光源独此一家。EUV 光束在多次反射后, 只有不到 2% 光线能使用,能量转化率极低。因此需使用强大光源,以此保证射线光源足够强。目前,市场上只有 Cymer 公司可以提供,而 Cymer 公司已经被阿斯麦收购,成为其子公司。由此可见,如果没有其他公司解决 EUV 光源问题,上海微电子想要研制 EUV 光刻机无异于天方夜谭。

此外,摩托罗拉、AMD 等公司还有美国的三大国家实验室组成 EUV LLC 联盟,内部共享研发结果。而上海微电子目前并不是 EUV LLC 成员,以一家公司的力量,对抗十余家跨国公司、顶尖国家实验室,怎么看都有点荒谬。

当然,现在谈论 EUV 光刻机还太远,上海微电子首先要解决的可实现 45nm 制程节点的光刻机。然而,从 90nm 到 45nm 真的容易吗?要知道,上海微电子已经停留在 90nm 工艺 13 年,至今未取得突破。

某种程度上,并非上海微电子实力不行,实在是没有合作伙伴。以浸入式光刻为例,阿斯麦最初在晶圆光刻胶上加 1mm 厚的水,水可以把 193nm 的光波长折射成 134nm。后来不断改进高 NA 镜片、多光照、FinFET、Pitch-split 以及波段灵敏光刻胶等技术,才逐渐实现 90nm、45nm、28nm、10nm、7nm 制程节点。

其中,多光照、FinFET 都属于晶圆代工厂掌握的科技,高 NA 镜片需要卡尔蔡司定制镜片。上海微电子一来没有长期合作的晶圆代工厂,二来没有固定的镜片合作方,提升光刻机水平也无从入手。

如今,光学镜头顶尖企业主要有卡尔蔡司、徕卡、施耐德、尼康、佳能,其中卡尔蔡司是阿斯麦的合作伙伴,双方有控股关系;尼康、佳能有自己的光刻机业务,合作也难以达成。上海微电子想要取得突破,多半要从徕卡、施耐德入手,定制高 NA 镜片,从源头上解决问题。

接着,上海微电子需要找合适的代工厂联手对现有光刻机进行技术升级。考虑到台积电、英特尔、三星均已入股阿斯麦,上海微电子或许可以与联电、格芯、中芯国际等晶圆代工厂合作。

最后,上海微电子还需解决光源问题,目前国内科益虹源可以生产 40w 4kHz ArF 光源样机,尚不能替代进口光源。如果上海微电子与科益虹源合作,再联手国内顶尖光源实验室,或许可以解决这一难题。

光刻机看上去只是一台设备,实际上涉及光源、镜片、光刻胶、晶圆代工厂制程技术,并非一家公司可以解决。现阶段来看,上海微电子本身没有能力承担赶超阿斯麦的重任。至少需要四五家国内外头部企业为首,联合数十家产业链企业、国家级实验室组成产业联盟,解决生产制造链条中的每一道难关。

唯有这样,中国光刻机产业才有机会走向现代化、市场化,在 DUV 光刻机领域抢占一席之地。至于更加高端的 EUV 光刻机与 High-NA EUV 光刻机,国内技术水平落后太多,谈这些为时尚早。

图源:上海微电子、头豹、pixabay、阿斯麦官网

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