芯片工业制作范畴最为耀眼的明珠——光刻机

为投资者提供最真实的服务。微信公众号:mramiko

半导体芯片制作分为IC设计、IC制造、IC封测三大环节。光刻作为IC制造的核心环节,其主要作用是将掩膜版上的芯片电路图转移到硅片上。光刻是整个IC制造中最复杂、最标签20关键的工艺步骤。作为整个芯片工业制造中必不可少的精密设备——光刻机,其光刻的工艺水平直接决定芯片的制程和性能水平。如果说航空发动机代表了人类科技领域发展的顶级水平,那么光刻机则是半导体工业界最为耀眼的明珠。

光刻机是光刻工艺的核心设备,也是所有半导体制造设备中技术含量最标签11高的设备,涉及精密光学、精密运动、高精度环境控制等多项先进技术。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,经物镜补偿各种光学误差,将线路图曝光在带有光感涂层的硅晶圆上,然后使用化学方法显影,得到刻在硅片上的电路图。

现代光刻技术可以追溯到1900年以前的油纸曝光刻蚀技术,直到二战时期,人类才第一次应用光刻技术在塑料板上制作铜线路并印刷电路板,随后20世纪70年代,GCA成功开发出第一台分布重复投影曝光机。

光刻机自诞生以来随着光源的改进和工艺的不断创新,经历了五代产品的更新替代,使得每一代光刻机在光源、波长、设备、最小工艺节点上都实现了较大突破。

第一代光刻机光源是g-Line,波长为436nm,可以满足0.芯片工业制作范畴最为耀眼的明珠——光刻机8-0.35微米制程芯片的生产,对应设备有接触式和接近式光刻机。第二代光刻机光源是i-Line,波长为365nm,同样可以满足0.8-0.25微米制程芯片的生产。第三代光刻机光源是KrF,波长为248nm,最小工艺节点提升至180-130nm水平。第四代光刻机光源是ArF,波长为193nm,最小制程提升至22nm的水平。第四代光刻机是目前使用最广的光刻机,也是最具有代表性的一代光刻机。第五代光刻机光源是EUV,波长为13.5nm。

第一到四代光刻机使用的光源都属于深紫外光,而第五代EUV光刻机使用的则是波长13.5nm的极紫外光。从第一代到第四代光刻机,其波长表现为不断减短,工艺节点不断提高,光刻技术也由落后逐步迈向成熟。目前,第一代光刻机(g-Line光源)由于工艺较为落后,早芯片工业制作范畴最为耀眼的明珠——光刻机已被市场淘汰。而第二至第五代光刻机在市场上仍在销售,但第五代是当前市场最为先进的一款产品,其制程节点可以标签3达到5nm水平。

近年来全球光刻胶出货需求持续扩大,2017年全球光刻机出货达到芯片工业制作范畴最为耀眼的明珠——光刻机460台,2018年全球光刻机出货逾600台,较2017年增幅30%。然而,就目前来说,光刻系统市场供给远远不能满足光刻设备厂商的下游客户如标签10存储和逻辑芯片制造商的需求。其主要原因在于上游原材料或部件精度难以做到完全符合下游厂商的标准(光刻作用基础硅片/硅基材纯度要求极高,通常要达99.999999999%的级别以上)。

高精度的IC芯片光刻机长期由ASML、尼康和佳能三大巨头垄断。其中自2011-2017以来,ASML,尼康,佳能三家公司几乎占据了全球99%的光刻机市场份额,尤其ASML光刻机市场份额常年维持在60%以上,市场地位极其稳固。

现标签10阶段,顶标签17级光刻机市场由ASML一家独大。2011-2017年顶级光刻机累计出货量中,EUV光刻胶完全由ASML垄断,出货来源达到100%。此外,超过80%的ArFi光刻机也都由ASML提供,其中英特尔、台积电、三星用来加工14/16nm芯片的高端光刻机均来自ASML。相对而言,尼康和佳能的先进制程远落后于ASML,其光刻胶市场主要集中在中低端领域。尼康和佳能的最大竞争力在于中低端光刻机的成本优势,因为在很多同类机型价格方面,尼康和佳能远比ASML便宜,仅是ASML的1/2左右。

ASML一开始并非是行业领跑者,在1980年其市场份额还不达5%,而尼康、GCA却各占了30标签17%,是那个时代的“双王”。

20世纪80年代是尼康崛起和称霸的年代。80年代初,尼康发布首台商用的Stepper标签19 NSR-1010G,芯片工业制作范畴最为耀眼的明珠——光刻机并在硅谷成立了尼康精机,准备大举进攻美国市场。在当时,尼康与GCV均各占据了近30%的市场芯片工业制作范畴最为耀眼的明珠——光刻机份额的,而Ultratech只占10%的市场份额,其余每家市场份额都不到5%。8芯片工业制作范畴最为耀眼的明珠——光刻机0年代末,GCA遭受资金匮乏被尼康收购,此时尼康立刻占据了全球近50%的市场份额,坐上了全球第一的宝座,并在接下来的10年间一直维持领先地位。

20世纪90年标签17代,干式微影技术遇到了瓶颈,光刻光源无法从193nm波长缩短到157nm。当时,担任台积电的研发副总经理的林本坚提出:“把透镜和硅片之间的介质从空气换成水,波长可缩短到132nm”的假设。然而,大多数厂商认为这种假设方案存在很大的风险而拒绝了与其开展合作的可能。ASML却抓住了机遇,决心和台积电合作研究这种“浸没式”的解决方案。2003年,ASML和台积电成功地共同研发出来全球第一台浸没式微影机,在当时成为了市场上最为先进的产品,并获得英特尔、台积电大量客户订单。

2005年前后,摩尔定律的延续再度陷入停滞,10mn制程节点成为了瓶颈。但ASML仍坚持大量资金投入研发EUV光刻机。终于在2010年,ASML成功推出了第一台EUV光刻机NXE。此后,2013年,ASML通过收购美国准分子激光源企业Cyme标签1r,进一步打通了EUV光刻机的生产产业链,并于同年推出第二款EUV光刻机NXE:3300B。接着四年后,他又推出第三款EUV光刻机NXE:3400B。

在两次行业机遇下,ASML的市场份额获得快速提升。短短时间内,ASML的市场份额就已达70%左右,跃居世界第一。目前,ASML已经成为了全球唯一一家能够设计和制造EUV光刻机设备并在超高端市场进行独家垄断的厂商,无论技术还是市场都极大领先于尼康、佳能两大传统巨头。

目前从产品上看,ASM芯片工业制作范畴最为耀眼的明珠——光刻机L的产品遍及低、中、高、超高端市场,产品种类丰富。在超高端的5nm、7nm领域,ASML是全球唯一能够生产的厂商,其EUV光刻机设备的市场占有率达100%。尼康的光刻机涉及低、中、高端市场,尼康的标签17NRS系列与ASML的ArF浸入式光刻机参数指标大体相近,基本可以达到ASML高端产品的水准,但是在高端的5nm、7nm领域无力与之抗衡。佳能只能生产低端的光刻机,制程节点只能达到90nm,与ASML技术水平也存在较大差距。

光刻机研发的技术门槛和资金门槛非常高,正是因为如此,能生产高端光刻机的厂商标签11非常少。目前,最先进的7-14nm光刻机仅剩下ASML能生产,日本佳能和尼康早已经基本放弃EUV光刻机的研发。我国光刻机设备的研制起步也不晚,自1970年以来,就先后有清华大学精密仪器系、中科学院光电技术研究所、中电科45所投入研制。截至目前,处于技术领先标签14的上海微电子装备有限公司能量产的光刻机,性能最好的是90nm光刻机,与全球巨头相比,其在制程上的差距非常大。国内晶圆厂所需的高端光刻机只能完全依赖进口,但在《瓦森纳协定》的封锁下,高端光刻机被禁止在中国销售,并且中端光刻机也有保留某些限制条款(禁止给国内自主CPU做代工)。总体来说,目前我国光刻机自主技术的成长困难重重,标签5要完全实现光刻设备国产化,所需行走的道路还很漫长。

上海微电子:公司的封装光刻机在国内市占率高达80%,全球市占率也可达到40%,前道制造光刻机最高可实现90nm制程,有望快速将产品延伸至65nm和45nm。