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半导体业的终极武器—光刻机
http://www.ele001.com 2018-03-09 10:40:10 与非网
【中国电工电气网】讯

  不久前,一台价值1.06亿元的设备经空运从荷兰飞抵厦门,由于该设备价值高,而且对保存和运输有着很高的要求——必须保持在23℃恒温状态下。为了避免影响设备的精度,在运输中也对稳定性有极高的要求。因此,机场海关以机坪查验的方式对该货物实行全程机边监管,待货物装入特制温控气垫车,移至海关的机坪视频监控探头之下,完成紧急查验后当晚就得到放行。

  那么到底是什么设备能获得机场海关如此严阵以待,而且能有单台破亿的价格呢?

  什么是光刻机?

  光刻机是芯片制造的核心设备之一,按照用途可以分为好几种:有用于生产芯片的光刻机;有用于封装的光刻机;还有用于LED制造领域的投影光刻机。用于生产芯片的光刻机是中国在半导体设备制造上最大的短板,国内晶圆厂所需的高端光刻机完全依赖进口,本次厦门企业从荷兰进口的光刻机就是用于芯片生产的设备。

  在高端光刻机上,除了龙头老大ASML,尼康和佳能也曾做过光刻机,而且尼康还曾经得到过Intel的订单。但是近些年,尼康在ASML面前被打的毫无还手之力,高端光刻机市场基本被ASML占据——即便是尼康最新的Ar-F immersion 630卖价还不到ASML Ar-F immersion 1980D平均售价的一半,也无法挽回败局。

  原因何在?一方面是Intel新CEO上台后,不再延续与尼康的620D合同,这使得尼康失去了一个大客户。另一方面,也和尼康自身技术实力不足有关,尼康的光刻机相对于ASML有不少瑕疵,在操作系统上设计的架构有缺陷,而且尼康的光刻机的实际性能和尼康官方宣传的有不小差距,这使得台积电、Intel、三星、格罗方德等晶圆大厂不可能为了省一点钱去卖有瑕疵的产品。

  目前,尼康的高端光刻机基本被ASML吊打,主流半导体产线中只有少数低阶老机龄的光刻机还是尼康或者佳能,其他基本都是ASML的天下。某种程度上,尼康的光刻机也只能用卖的超级便宜来抢市场了。那么,卖的到底有多便宜呢?

  用数据来说话,ASML的EUV NXE 3350B单价超过1亿美元,ArF Immersion售价大约在7000万美元左右。相比之下,尼康光刻机的单价只相当于ASML价格的三分之一。

光刻机工作原理
 
 
上图是一张ASML光刻机介绍图。下面,简单介绍一下图中各设备的作用。
 
测量台、曝光台:是承载硅片的工作台。
 
激光器:也就是光源,光刻机核心设备之一。
 
光束矫正器:矫正光束入射方向,让激光束尽量平行。
 
能量控制器:控制最终照射到硅片上的能量,曝光不足或过足都会严重影响成像质量。
 
光束形状设置:设置光束为圆型、环型等不同形状,不同的光束状态有不同的光学特性。
 
遮光器:在不需要曝光的时候,阻止光束照射到硅片。
 
能量探测器:检测光束最终入射能量是否符合曝光要求,并反馈给能量控制器进行调整。
 
掩模版:一块在内部刻着线路设计图的玻璃板,贵的要数十万美元。
 
掩膜台:承载掩模版运动的设备,运动控制精度是nm级的。
 
物镜:物镜用来补偿光学误差,并将线路图等比例缩小。
 
硅片:用硅晶制成的圆片。硅片有多种尺寸,尺寸越大,产率越高。题外话,由于硅片是圆的,所以需要在硅片上剪一个缺口来确认硅片的坐标系,根据缺口的形状不同分为两种,分别叫flat、      notch。
 
内部封闭框架、减振器:将工作台与外部环境隔离,保持水平,减少外界振动干扰,并维持稳定的温度、压力。
 
在加工芯片的过程中,光刻机通过一系列的光源能量、形状控制手段,将光束透射过画着线路图的掩模,经物镜补偿各种光学误差,将线路图成比例缩小后映射到硅片上,然后使用化学方法显影,得到刻在硅片上的电路图。一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、激光刻蚀等工序。经过一次光刻的芯片可以继续涂胶、曝光。越复杂的芯片,线路图的层数越多,也需要更精密的曝光控制过程。
 
EUV:半导体业的终极武器
台积电、英特尔都寄望,这台史上最昂贵的「工具机」,会在2017年开始试产的七奈米制程大发神威,成为主力机种。
 
全球每年生产上百亿片的手机晶片、记忆体,数十年来都仰赖程序繁琐,但原理与冲洗照片类似的曝光显影制程生产。
 
其中以投射出电路图案的微影机台最关键、也最昂贵。过去十多年,全球最先进的微影机,都采用波长一九三奈米的深紫外光,然而英特尔、台积电量产的最先进电晶体,大小已细小到仅有数十个奈米。这形同用同一支笔,要写的字却愈来愈小,最后笔尖比要写的字还粗的窘境。
 
要接替的「超细字笔」,技术源自美国雷根时代「星战计划」,波长仅有十三奈米的EUV;依照该技术的主要推动者英特尔规划,2005年就该上阵,量产时程却一延再延。
 
因为这个技术实在太难了。EUV光线的能量、破坏性极高,制程的所有零件、材料,样样挑战人类工艺的极限。例如,因为空气分子会干扰EUV光线,生产过程得在真空环境。而且,机械的动作得精确到误差仅以皮秒(兆分之一秒)计。
 
最关键零件之一,由德国蔡司生产的反射镜得做到史无前例的完美无瑕,瑕疵大小仅能以皮米(奈米的千分之一)计。
 
这是什么概念?ASML总裁暨执行长温彼得(Peter Wennink)接受《天下》独家专访时解释,如果反射镜面积有整个德国大,最高的突起处不能高于一公分高。
 
「满足这类(疯狂)的要求,就是我们的日常工作,」两年前由财务长接任执行长的温彼得说。
 
因为EUV的技术难度、需要的投资金额太高,另外两大微影设备厂──日本的Nikon和佳能,都已放弃开发。ASML俨然成为半导体业能否继续冲刺下一代先进制程,开发出更省电、运算速度更快的电晶体的最后希望。
 
「如果我们交不出EUV的话,摩尔定律就会从此停止,」温彼得缓缓地说。因此,三年前,才会出现让ASML声名大噪的惊天交易。
 
英特尔、台积电、三星等彼此竞争的三大巨头,竟联袂投资ASML41亿、8.38亿、5.03亿欧元。(台积电已于今年五月出售ASML的5%持股,获利214亿台币)
 
温彼得解释,当时各大厂都要求EUV的研发进度加快,他告诉这些顾客,「希望加快EUV的研发进度,我们就得加倍研发支出。」
 
于是,ASML研发经费倍增到现在的每年十三亿欧元的规模。多出的一倍,ASML自己出一半,三大半导体巨头合出另一半。
 
高端光刻机完全依赖进口
目前,光刻机领域的龙头老大是荷兰ASML,并已经占据了高达80%的市场份额,垄断了高端光刻机市场。日本尼康在高端光刻机上完全被ASML击败,即便尼康的ArF光刻机售价仅仅不到ASML的一半也无补于事。Intel、台积电、三星用来加工14/16nm芯片的光刻机都是买自ASML,格罗方德、联电以及中芯国际等晶圆厂的光刻机主要也是来自ASML。
 
更关键的是,最先进的EUV光刻机全球仅仅ASML能够生产,ASML在今年第三季度和第四季度出售的两台EUV光刻机售价都超过1亿美元,落后EUV一代的ArF光刻机平均售价也在4000万至5000万欧元左右,从高企的报价和EUV光刻机全球仅此一家出售可以看出,光刻机的技术门槛极高,是人类智慧集大成的产物。
 
相比之下,国内光刻机厂商则显得非常寒酸,处于技术领先的上海微电子装备有限公司已量产的光刻机中,性能最好的是能用来加工90nm芯片的光刻机,技术差距说是鸿沟都不为过。正是因此,国内晶圆厂所需的高端光刻机完全依赖进口,本次从荷兰空运至厦门机场的ASML光刻机,就是用于芯片生产制造的高端光刻机,由于是厦门的一家公司申报进口的,笔者猜测,这台设备很有可能是厦门当地政府与台湾联华电子合资的晶圆厂从荷兰ASML采购的。不过,由于西方瓦森纳协议的限制,中国只能买到ASML的中低产品,这一点从厦门当地企业进口的光刻机报价仅1亿人民币就可以看出来了。
 
众所周知,设备是信息产业的源头:我们开发设备、设备制造芯片、芯片构成器件、器件改变世界 
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