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光刻機的10大知識點,你知道幾個?

來源:「東吳機械」 發布時間:2019-11-29 21:28

隨著AI芯片、5G芯片、汽車電子、物聯網等下游的興起,全球半導體行業重回景氣周期。SEMI預計全球將于2020年前投產62座半導體晶圓廠,其中26座設于中國大陸(其中10座是12寸廠),中國大陸預計于2019年成為全球設備支出最高地區,為國產半導體設備的崛起提供了發展機會。

從設備需求端測算,2018-2020年國產晶圓制造設備市場空間增速分別為54%,78%和97%,2018-2020年累計市場空間達250億元,CAGR 為87%。

從興建晶圓廠投資端測算,2018-2020年國產晶圓制造設備市場空間增速分別為157%, 94%和31%, 2018-2020年累計市場空間387億元,CAGR 為59%。平均每年超百億的市場空間在機械行業中難得一見。

2016年全球半導體專用設備前十名制造商(美國應用材料,荷蘭ASML等)的銷售規模達到了379億美元,市占率高達92%。而中國半導體設備前十名制造商的銷售額約7.3億美元,在收入規模上差距大。其根本原因還是來自技術上的差距。目前我國半導體設備自制率不足15%,且集中于晶圓制造的后道封測,前道工藝制程環節的關鍵設備如光刻機、刻蝕機、薄膜沉積等仍有待突破;且晶圓制造等設備在采購中面臨國外企業的技術封鎖,全面國產化是必然選擇。

光刻決定了半導體線路的精度,以及芯片功耗與性能,相關設備需要集成材料、光學、機電等領域最尖端的技術,被譽為是半導體產業皇冠上的明珠。單臺設備價格在2000萬美金以上,是中國半導體設備最需突破的環節之一。

上海微電子是目前國內唯一能做光刻機的企業。ASML新出的EUV光刻機可用于試產7nm制程,價格超過1億歐元。而上海微電子已量產的光刻機中,性能最好的是能用來加工90nm芯片的SSA600/20光刻機。由此可見,國產光刻機要突破壟斷還有很長的路需要走。要充分了解光刻機,你需要先看一下以下十個問題:

1.光刻機的運作機制

光刻設備是一種投影曝光系統。在半導體制作過程中,光刻設備會投射光束,穿過印著圖案的掩模及光學鏡片,將線路圖曝光在帶有光刻膠的硅晶圓上;通過光刻膠與光的反應來形成溝槽,然后再進行沉積、蝕刻、摻雜,架構出不同材質的線路。

其中掩膜版上面會有很多的布線,形成溝槽以后在里面會布很多的二極管、三極管等,來形成不同的功能。單位面積上布的線越多,能夠實現的功能就越多,效能也越高,耗能越少。

2.一般一個晶圓廠需要幾臺光刻機?

并不是每個晶圓廠都必須配置光刻機,當自身產能不是很大或者生產中耗能太高、產生環境污染的時候,這部分的需求可以轉移到晶圓代工廠去。美國現在的發展趨勢是,由于高耗能、有污染所以自己不生產,把先前很多工廠轉移到了臺灣。臺灣由于地域限制,工廠主要集中在新竹,污染、能耗都很大,所以也想把設備轉移到大陸廠商,如中芯國際、臺積電南京等。

一個12寸廠每月的產能大約是8-9萬片,這已經是很高的水平了,換算到光刻機的產能大約是每天3000片,實際中效率可能每小時110-120片。涂膠的速度是制約光刻機生產效率的核心因素,涂膠機目前主要被日本的DNS和TEL壟斷。

除了生產線以外,晶圓廠的研發部門也需要光刻機。

3.EUV和DUV的區別?

DUV是深紫外線(Deep Ultraviolet Lithography),EUV是極深紫外線(Extreme Ultraviolet Lithography)。從制程范圍來看,DUV基本上只能做到25nm,Intel憑借雙工作臺的模式做到了10nm,但是卻無法達到10nm以下。只有EUV能滿足10nm以下的晶圓制造,并且還可以向5nm、3nm繼續延伸。

EUV的價格是1-3億美金/臺,DUV的價格為2000萬-5000萬美金/臺不等。

4.ASML如何一步步做到EUV?

在2002年,整個半導體行業需要193nm波長的光刻設備,而當時ASML的制程可以達到90nm,這是采用了一種新型的、區別于Nikon、佳能的干式刻蝕鍍件的一種浸沒式鍍件,當時這個技術使ASML優于Nikon和佳能,同時也把90nm的市場提高到了65nm。

到了2010年以后,工藝進化到22nm,工藝要求越高越突出浸沒式的優勢,這成為ASML在工藝上比競爭對手優越的一個先決條件。根據摩爾定律,電子設備的性能每隔兩年會翻一番,2017年EUV的出現突破了10nm的瓶頸,使摩爾定律能夠延續下去。

EUV的研發耗人力、耗資源、耗資金、耗技術,這些都離不開大客戶的支持,比如三星、臺積電、Intel都是ASML的大股東,ASML采取與客戶同進退的模式。這樣通過多年的研發,目前EUV可以做到7nm,甚至是5nm。EUV的使用可以使線更窄,也就是晶圓上單位面積布的線會更多,實現的功能也就更多,單位產生的效能更多,能耗也會降低。

5.目前EUV技術是否完全成熟?

EUV從2012年開始研究,到現在已基本成熟。2017年在光源上遇到了困難,設備需要又快又精準地打進金屬粒子,并且粒子要均勻地濺射出去,速度達到每秒6000下是非常困難的,普通的DUV光源無法實現。目前這個技術已經完全攻克了。

6.ASML產能受限的原因?

主要是人力受限:光刻機的研發和生產非常消耗人力,尤其是EUV剛剛研發出來,對人力的消耗更大,目前都是調用的DUV的人員。

個性化定制并不會太影響產能:公司會提供各種options供客戶選擇,在簽訂訂單的時候就已經談好客戶的設備里面需要加怎樣的option。并不是所有的option都非常復雜,只是在原有工藝的基礎上稍作修改,這不是影響產能釋放的決定性因素。

7.其他廠商在EUV方面有無進展突破,他們的設備能達到多少制程?


尼康和佳能一開始有先發優勢,現在基本上只能達到42納米,尼康在日本本土能達到28納米。

上海微電子兩三個月前剛剛有一臺中低端的光刻機在客戶公司進場,但技術上來說只能做到8寸廠的工藝,并且在工藝的重復性以及光源上還相差甚遠,暫時無法達標。

8.目前中國客戶購買的光刻機是什么樣的制程工藝,客戶類型什么?最近采購有沒有明顯的增加?

國家大力支持半導體行業的發展,客戶以國企扶持或地方政府扶持居多。最近整體上看,福建晉華和合肥長鑫這兩家的推進速度較快,但是紫光投資的長江存儲速度偏慢。ASML光刻機的交付進入加速期,已經開建和計劃開建的半導體廠很多都是比較先進的12寸廠,有很大需求量,而ASML在12英寸高端工藝上擁有絕對的壟斷,所以裝機量是在飛速發展的。

9.目前12寸和8寸廠的熱度如何,未來拉動12寸晶圓和8寸晶圓的主要驅動力?


目前中國在8寸設備上取得了一些進步,正在向12寸發展,但這條路還很長。發展的腳步受到區塊鏈、AI、無人駕駛、消費電子等需求的拉動。比如說在手機芯片中加入AI的功能,芯片中布的線越多,能夠實現的功能就越強大,人機互交的體驗度就更好。這些都是下游需求拉動對晶圓的技術要求。

8寸晶圓和12寸晶圓的區別:8寸晶圓一般是65nm級別的技術,主要應用于較為低端的芯片裝置,比如物聯網、汽車電子、部分顯卡等。對顯卡消耗較大的區塊鏈也一定程度上拉動了對8寸晶圓的需求。

12寸晶圓一般用于高端的邏輯芯片(CPU\GPU等)和存儲芯片(DRAM\NAND等),終端下游為個人電腦、智能手機等。

10.在光刻環節有沒有國內目前能做的產品,比如耗材等?

目前暫時沒有。在晶圓上涂的最簡單的材料——光刻膠現在也是臺灣、日本等地區控制,首先他們資金量較大,能夠在新建的晶圓廠周邊配合建設光刻膠廠;其次在工藝上國內也無法做到。

掩膜版像中芯國際等代工廠可以做,但是能夠實現的功能比較簡單;一般都是INTEL等公司自身產能不夠的時候,提供掩膜版讓代工廠照著上面設計好的圖形進行光刻,這種掩膜版都是有專利版權的。

(*掩膜版是在薄膜、塑料或玻璃基體材料上制作各種功能圖形并精確定位,以便用于光致抗蝕劑涂層選擇性曝光的一種結構。)
來源:內容節選自「東吳機械」


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