光刻机的10大知识点,你知道几个?

来源:「东吴机械」 发布时间:2019-11-29 21:28

随着AI芯片、5G芯片、汽车电子、物联网等下游的兴起,全球半导体行业重回景气周期。SEMI预计全球将于2020年前投产62座半导体晶圆厂,其中26座设于中国大陆(其中10座是12寸厂),中国大陆预计于2019年成为全球设备支出最高地区,为国产半导体设备的崛起提供了发展机会。

从设备需求端测算,2018-2020年国产晶圆制造设备市场空间增速分别为54%,78%和97%,2018-2020年累计市场空间达250亿元,CAGR 为87%。

从兴建晶圆厂投资端测算,2018-2020年国产晶圆制造设备市场空间增速分别为157%, 94%和31%, 2018-2020年累计市场空间387亿元,CAGR 为59%。平均每年超百亿的市场空间在机械行业中难得一见。

2016年全球半导体专用设备前十名制造商(美国应用材料,荷兰ASML等)的销售规模达到了379亿美元,市占率高达92%。而中国半导体设备前十名制造商的销售额约7.3亿美元,在收入规模上差距大。其根本原因还是来自技术上的差距。目前我国半导体设备自制率不足15%,且集中于晶圆制造的后道封测,前道工艺制程环节的关键设备如光刻机、刻蚀机、薄膜沉积等仍有待突破;且晶圆制造等设备在采购中面临国外企业的技术封锁,全面国产化是必然选择。

光刻决定了半导体线路的精度,以及芯片功耗与性能,相关设备需要集成材料、光学、机电等领域最尖端的技术,被誉为是半导体产业皇冠上的明珠。单台设备价格在2000万美金以上,是中国半导体设备最需突破的环节之一。

上海微电子是目前国内唯一能做光刻机的企业。ASML新出的EUV光刻机可用于试产7nm制程,价格超过1亿欧元。而上海微电子已量产的光刻机中,性能最好的是能用来加工90nm芯片的SSA600/20光刻机。由此可见,国产光刻机要突破垄断还有很长的路需要走。要充分了解光刻机,你需要先看一下以下十个问题:

1.光刻机的运作机制

光刻设备是一种投影曝光系统。在半导体制作过程中,光刻设备会投射光束,穿过印着图案的掩模及光学镜片,将线路图曝光在带有光刻胶的硅晶圆上;通过光刻胶与光的反应来形成沟槽,然后再进行沉积、蚀刻、掺杂,架构出不同材质的线路。

其中掩膜版上面会有很多的布线,形成沟槽以后在里面会布很多的二极管、三极管等,来形成不同的功能。单位面积上布的线越多,能够实现的功能就越多,效能也越高,耗能越少。

2.一般一个晶圆厂需要几台光刻机?

并不是每个晶圆厂都必须配置光刻机,当自身产能不是很大或者生产中耗能太高、产生环境污染的时候,这部分的需求可以转移到晶圆代工厂去。美国现在的发展趋势是,由于高耗能、有污染所以自己不生产,把先前很多工厂转移到了台湾。台湾由于地域限制,工厂主要集中在新竹,污染、能耗都很大,所以也想把设备转移到大陆厂商,如中芯国际、台积电南京等。

一个12寸厂每月的产能大约是8-9万片,这已经是很高的水平了,换算到光刻机的产能大约是每天3000片,实际中效率可能每小时110-120片。涂胶的速度是制约光刻机生产效率的核心因素,涂胶机目前主要被日本的DNS和TEL垄断。

除了生产线以外,晶圆厂的研发部门也需要光刻机。

3.EUV和DUV的区别?

DUV是深紫外线(Deep Ultraviolet Lithography),EUV是极深紫外线(Extreme Ultraviolet Lithography)。从制程范围来看,DUV基本上只能做到25nm,Intel凭借双工作台的模式做到了10nm,但是却无法达到10nm以下。只有EUV能满足10nm以下的晶圆制造,并且还可以向5nm、3nm继续延伸。

EUV的价格是1-3亿美金/台,DUV的价格为2000万-5000万美金/台不等。

4.ASML如何一步步做到EUV?

在2002年,整个半导体行业需要193nm波长的光刻设备,而当时ASML的制程可以达到90nm,这是采用了一种新型的、区别于Nikon、佳能的干式刻蚀镀件的一种浸没式镀件,当时这个技术使ASML优于Nikon和佳能,同时也把90nm的市场提高到了65nm。

到了2010年以后,工艺进化到22nm,工艺要求越高越突出浸没式的优势,这成为ASML在工艺上比竞争对手优越的一个先决条件。根据摩尔定律,电子设备的性能每隔两年会翻一番,2017年EUV的出现突破了10nm的瓶颈,使摩尔定律能够延续下去。

EUV的研发耗人力、耗资源、耗资金、耗技术,这些都离不开大客户的支持,比如三星、台积电、Intel都是ASML的大股东,ASML采取与客户同进退的模式。这样通过多年的研发,目前EUV可以做到7nm,甚至是5nm。EUV的使用可以使线更窄,也就是晶圆上单位面积布的线会更多,实现的功能也就更多,单位产生的效能更多,能耗也会降低。

5.目前EUV技术是否完全成熟?

EUV从2012年开始研究,到现在已基本成熟。2017年在光源上遇到了困难,设备需要又快又精准地打进金属粒子,并且粒子要均匀地溅射出去,速度达到每秒6000下是非常困难的,普通的DUV光源无法实现。目前这个技术已经完全攻克了。

6.ASML产能受限的原因?

主要是人力受限:光刻机的研发和生产非常消耗人力,尤其是EUV刚刚研发出来,对人力的消耗更大,目前都是调用的DUV的人员。

个性化定制并不会太影响产能:公司会提供各种options供客户选择,在签订订单的时候就已经谈好客户的设备里面需要加怎样的option。并不是所有的option都非常复杂,只是在原有工艺的基础上稍作修改,这不是影响产能释放的决定性因素。

7.其他厂商在EUV方面有无进展突破,他们的设备能达到多少制程?


尼康和佳能一开始有先发优势,现在基本上只能达到42纳米,尼康在日本本土能达到28纳米。

上海微电子两三个月前刚刚有一台中低端的光刻机在客户公司进场,但技术上来说只能做到8寸厂的工艺,并且在工艺的重复性以及光源上还相差甚远,暂时无法达标。

8.目前中国客户购买的光刻机是什么样的制程工艺,客户类型什么?最近采购有没有明显的增加?

国家大力支持半导体行业的发展,客户以国企扶持或地方政府扶持居多。最近整体上看,福建晋华和合肥长鑫这两家的推进速度较快,但是紫光投资的长江存储速度偏慢。ASML光刻机的交付进入加速期,已经开建和计划开建的半导体厂很多都是比较先进的12寸厂,有很大需求量,而ASML在12英寸高端工艺上拥有绝对的垄断,所以装机量是在飞速发展的。

9.目前12寸和8寸厂的热度如何,未来拉动12寸晶圆和8寸晶圆的主要驱动力?


目前中国在8寸设备上取得了一些进步,正在向12寸发展,但这条路还很长。发展的脚步受到区块链、AI、无人驾驶、消费电子等需求的拉动。比如说在手机芯片中加入AI的功能,芯片中布的线越多,能够实现的功能就越强大,人机互交的体验度就更好。这些都是下游需求拉动对晶圆的技术要求。

8寸晶圆和12寸晶圆的区别:8寸晶圆一般是65nm级别的技术,主要应用于较为低端的芯片装置,比如物联网、汽车电子、部分显卡等。对显卡消耗较大的区块链也一定程度上拉动了对8寸晶圆的需求。

12寸晶圆一般用于高端的逻辑芯片(CPU\GPU等)和存储芯片(DRAM\NAND等),终端下游为个人电脑、智能手机等。

10.在光刻环节有没有国内目前能做的产品,比如耗材等?

目前暂时没有。在晶圆上涂的最简单的材料——光刻胶现在也是台湾、日本等地区控制,首先他们资金量较大,能够在新建的晶圆厂周边配合建设光刻胶厂;其次在工艺上国内也无法做到。

掩膜版像中芯国际等代工厂可以做,但是能够实现的功能比较简单;一般都是INTEL等公司自身产能不够的时候,提供掩膜版让代工厂照着上面设计好的图形进行光刻,这种掩膜版都是有专利版权的。

(*掩膜版是在薄膜、塑料或玻璃基体材料上制作各种功能图形并精确定位,以便用于光致抗蚀剂涂层选择性曝光的一种结构。)
来源:内容节选自「东吴机械」


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