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芯片制造的核心设备:光刻机

·2020-03-19 18:41·电子发烧友
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(文章来源:乐晴智库)

光刻机是半导体 制造 设备中价格占比最大,也是最核心的设备,是附加价值极高的产品,被誉为是半导体产业皇冠上的明珠。芯片的加工过程对精度要求极高,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。越复杂的芯片,线路图的 层数 越多,就需要更精密的光刻机。

光刻机的制造和维护需要高度的光学和电子工业基础,能够掌握这项技术的厂商寥寥无几,目前比较知名的光刻机厂商有尼康、佳能、ABM、欧 泰克 、上海微电子装备、SUSS等,但是在顶级光刻机领域,荷兰的ASML公司几乎垄断了整个市场,占据超过70%的高端光刻机市场,且最新的产品E UV 光刻机研发成本巨大,售价高达1亿美元,但依旧供不应求。

荷兰ASML公司有一个模式,那就是只有投资它的公司才能够优先得到他们的顶级光刻机。例如蔡司就是投资了ASML,占据了它超过20%的股份。这些公司不单单投资它,也给它提供最新的技术,这样它就不是孤军奋战状态,做到了技术分工。 英特尔 、台积电笔 三星 都主动出资入股ASML支持研发,并有技术人员驻厂,格罗方德、联电及中芯国际等的光刻机主要也是来自ASML,以此优先获得它的最先顶级的光刻机。

ASML公司在2019年年报中,披露了关于下一代EUV极紫光刻机的研发进程。预计2022年年初开始出货,2024年实现大规模生产。根据ASML之前的报告,去年该公司出货了26台EUV光刻机,预计2020年交付35台EUV光刻机,2021年则会达到45台到50台的交付量,是2019年的两倍左右。

半导体设备分为晶圆加工设备、检测设备、封装设备和其他设备。晶圆加工设备中,光刻机、刻蚀机、薄膜沉积设备(PVD和CVD)技术难度最高,三者占比分别为30%、25%、25%。

芯片制造的核心设备:光刻机

半导体设备高门槛导致竞争格局高度集中。目前全球半导体设备市场主要被美国、日本、荷兰企业所垄断。半导体设备行业前10家公司2007年市占率合计66%,到2018年市占率合计达到81%,提升了15个百分点;前五家公司2007年市占率合计57%,到2018年市占率合计达到71%,提升了14个百分点。2018年全球半导体设备榜单前五名包括应用材料、东京电子、拉姆研究、ASML和科磊半导体。除ASML外,各家公司产品线均比较丰富,且前三名企业营收均超过一百亿美元。行业CR5占比75%,CR10占比91%。全球半导体设备竞争格局呈现高度集中状态。

光刻机是生产线上最贵的机台,千万-亿美元/台。主要是贵在成像系统和定位系统。一般来说一条产线需要几台光刻机,其折旧速度非常快,大约3~9万人民币/天,所以也称之为印钞机。光刻机工作原理: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。

光源作为光刻机的核心构成,很大程度上决定了光刻机的工艺水平。光源的变迁先后经历:(a)紫外光源(UV:UltravioletLight),波长最小缩小至365nm;(b)深紫外光源(DUV:DeepUltravioletLight),其中ArFImme rs ion实际等效波长为134nm;(c)极紫外光源(EUV:ExtremeUltravioletLight),目前大部分最高工艺制程半导体芯片均采用EUV光源。

集成电路 制造工艺中,光刻是决定集成电路集成度的核心工序,在整个硅片加工成本中占到1/3。光刻的本质是把掩膜版上临时的电路结构复制到以后要进行刻蚀和离子注入的硅片上。

从光刻机结构来看,它由光源、光学镜片和对准系统等部件组成,其工艺中十分关键的两个元素是光刻胶和掩膜版。而光刻处理后的晶圆片再经刻蚀和沉积等过程制成芯片成品,用于电脑、手机等各种设备之中。下游旺盛的终端市场需求决定了光刻设备必然也面临巨大的需求。光刻设备厂商的下游客户主要在于 存储 逻辑芯片 制造商。

从全球角度来看,高精度的IC芯片光刻机长期由ASML、尼康和佳能三家把持。ASML,尼康,佳能三家公司几乎占据了99%的市场份额,其中ASML光刻机市场份额常年在70%以上,市场地位极其稳固。光刻机研发的技术门槛和资金门槛非常高,也正是因此,能生产高端光刻机的厂商非常少,到最先进的14-7nm光刻机就只剩下ASML能生产,日本佳能和尼康已经基本放弃EUV光刻机的研发。

前四代光刻机使用都属于深紫外光,ArF已经最高可以实现22nm的芯片制程,但在摩尔定律的推动下,半导体产业对于芯片的需求已经发展到14nm,甚至是7nm,浸入式光刻面临更为严峻的镜头 孔径 和材料挑战。第五代EUV光刻机,采用极紫外光,可将最小工艺节点推进至7nm。5nm及以下工艺必须依靠EUV光刻机才能实现。随着半导体制造工艺向7nm以下持续延伸,EUV光刻机的需求将进一步增加。

2018年我国半导体设备十强单位完成销售收入94.97亿元,同比增长24.6%。国内光刻机厂商有上海微电子、中电科集团四十五研究所、合肥芯硕半导体等。上海微电子是国内顶尖的光刻机制造商,根据电子工程世界资料,近年来公司通过积极研发,已实现90nm节点光刻机的量产,并有望延伸至65nm和45nm。由于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。

在《瓦森纳协定》的封 下,高端光刻机在中国被禁售,即使中端光刻机也有保留条款—禁止给国内自主 CPU 做代工,导致自主技术成长困难重重,光刻机国产化仍有很长的路要走。
(责任编辑:fqj)

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