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告别自嗨,光刻机各环节国产化进度如何?

来自: 民生证券 收藏 分享 邀请

在过去的一年中,从光子芯片到量子芯片、超分辨率光刻机等等,各种绕过光刻机路线的方案曾多次引起业内的热议。但实际上,这些路径的研究仍停留在实验室设想的阶段。

今天,我们就来缕一缕光刻机各环节的国产化情况~


在芯片食物链上,华为处在台积电的下方,没有台积电为华为代工芯片,华为的手机业务就要被卡脖子。而台积电又处在阿斯麦尔的下方,没有阿斯麦尔供应的光刻机,台积电就做不出最先进的芯片。处在阿斯麦尔上方的是蔡司,对阿斯麦尔光刻机至关重要的镜头仅有蔡司一家企业能够供应。

可以说,光刻机既是制造芯片的核心装备,制造难度极大,被誉为世界上最精密的仪器,也是一种半导体工业中常用的设备,用于将电路图案转移到半导体芯片上,其精确度和性能对于芯片制造的成功至关重要。

虽然,国内一直在进行相关的研发,希望可以突破垄断,但似乎有点走歪了。

近期,光刻机市场出现了两个新动向。首先,哈尔滨工业大学公布了一项名为"高速超精密激光干涉仪"的研发成果,该成果获得了首届"金燧奖"中国光电仪器品牌榜金奖,并有人声称解决了7纳米以下的光刻机难题。另一个是国内某公司开发了SAQP技术,在不依赖EUV光刻机的前提下,实现了7纳米工艺,并且在经济方面仍有进一步的潜力,甚至可以实现5纳米工艺。

这两个消息一看,是不是觉得国内光刻机,有前途了!确实,这些动态消息引发了许多网友和业内人士的讨论,但也引发了过度的“自我陶醉”。

在过去的一年中,从光子芯片到量子芯片、超分辨率光刻机等等,各种绕过光刻机路线的方案曾多次引起业内的热议。但实际上,这些路径的研究仍停留在实验室设想的阶段。解决围绕光刻机制造和工艺层面的许多难题,不仅需要突破工艺精度,还需要在基础理论和创新方面进一步突破。

今天,我们就来缕一缕光刻机各环节的国产化情况~

图片来源:网络

1、光刻机整机方面:国产 90nm 已攻克,推进 28nm


光刻技术是在特定波长的光照作用下,借助光刻胶将光掩模上的图形转移到基片上的技术工艺。从工艺原理上来看,光刻工艺首先光源穿过光掩模,并通过透镜使得光掩模缩小,最终使光落于覆盖有光刻胶的基板上;在此过程中,光掩模遮盖区域的光刻胶底片不会变硬,在刻蚀过程中被剥落,从而完成对底片的雕刻。由于光刻工艺的一般流程包括涂胶、曝光、显影等核心过程,分别涉及涂胶机、光刻机和显影机。其中,光刻机由于技术壁垒高、单台成本高,为光刻工艺中最为重要的设备。

根据 SEMI 预测,2022 年光刻机占半导体设备市场份额达 23%,市场规模232.3 亿美元。其中,全球光刻机三大巨头 ASML/Canon/Nikon 光刻机营收分别为 161/20/15 亿美元,市场份额达 82%/10%/8%;出货量分别为 345/176/30台,市场份额 63%/32%/5%。

从 EUV、ArFi、ArF 三个高端机型的出货来看,ASML 仍维持领先地位,出货量分辨占 100%/95%/87%,中国内地占 ASML 销售额 14%。上海微电子光刻机技术在国内领先,目前已可量产 90nm 分辨率的ArF 光刻机,28nm 分辨率的光刻机也有望取得突破。光刻机主要就是由激光光源、物镜系统以及工作台这三个核心部分组成,它们之间相互配合就是为了完成更为精确的光刻,数值越小芯片性能也就越强,当然难度也就大。

激光光源:浸没式 193nm 准分析激光器突破,EUV 有新进展。


光刻机主要就是由激光光源、物镜系统以及工作台这三个核心部分组成,它们之间相互配合就是为了完成更为精确的光刻,数值越小芯片性能也就越强,当然难度也就大。就激光光源来说,为了实现更精确的光刻,提高分辨率,减少光源波长是重要手段。

光源系统发展到今天,主流的 EUV 光源已确定为激光等离子体光源(LPP),目前只有两家公司能够生产:美国的 Cymer(2012 年被 ASML 收购)和日本的Gigaphoton。

国产进度:中国科益虹源公司自主研发设计生产的首台高能准分子激光器,以高质量和低成本的优势,填补中国在准分子激光技术领域的空白,其已完成了6kHZ、60w 主流 ArF 光刻机光源制造,激光器上的 KBFF 晶体由中科院旗下的福晶科技提供。同时,科益虹源也是上海微电子待交付的 28 纳米光刻机的光源制造商。

物镜系统:与海外差距较大,突破 90nm


物镜是光刻机中最昂贵最复杂的部件之一,二十余枚镜片的初始结构设计难度极大——不仅要控制物镜波像差,更要全面控制物镜系统的偏振像差。

外界都知道 ASML 对于半导体产业链的重要性,而德国拥有一家对于 ASML极其重要的公司,卡尔蔡司。ASML 与卡尔蔡司合作超过三十多年。卡尔蔡司是ASML 透镜,反射镜,照明器,收集器和其他关键光学元件(即光学元件)的唯一供应商。ASML 与卡尔蔡司成了独家协议,如果卡尔蔡司无法维持和提高生产水平,ASML 可能无法履行订单。

在光学镜头方面,尽管与卡尔蔡司、尼康等公司还有非常大的差距,但奥普光学提供的镜头已经可以做到 90nm。

双工作台:突破 10nm


高端光刻机都采用了双工作台,如此一来,一个工作台负责测量,另一个工作台可以曝光晶圆,完成后,两个工作台交换位置和智能,从而提高 3 倍以上的生产效率。双工作台技术难度很高,精确度要求极高(高速运动下保持 2nm 精度),能够掌握该项技术的只有荷兰 ASML。有媒体传出清华大学和华卓精科合作研发出光刻机双工作台,精度为 10nm,虽然比不上 ASML 的水平,但也算填补了国内空白。

沉浸系统:突破 ArFi


目前,国产光刻机还处于 DUV 阶段。而 DUV 光刻机也分三类,即 KrF、ArF、ArFi。前两种已经突破,国产最高可做到 90nm,可满足国内重要机构使用,不受国外限制。现在我们正在努力的就是 ArFi 光刻机(波长等效 134nm),多出的这个 i 代表加入了沉浸式技术,一旦能够实现突破,那么就等于迈进了 DUV 光刻机中的高端行列。ArFi 沉浸式光刻机最关键的就是这个沉浸式技术,ArF 波长为193nm,加入沉浸式技术后就可以达到 134 nm。而近些年国内企业启尔机电在浸液控制系统上取得了重大突破。

光刻胶:KrF 已突破,ArF 待突破


光刻胶又称光致抗蚀剂,是在通过紫外光、电子束、离子束、X 射线等照射或辐射后,其溶解度会发生变化的耐蚀剂刻薄膜材料。根据下游不同的应用,光刻胶可分半导体光刻胶(24%)、LCD 光刻胶(27%)、PCB 光刻胶(25%)以及其他光刻胶(24%)。

目前全球的光刻胶生产企业主要集中在日本与美国,在最为尖端的 ArF 干法光刻胶、ArF 浸没式光刻胶和 EUV 光刻胶产品领域,日本与美国厂商拥有绝对的垄断地位,而我国在这些尖端半导体光刻胶产品上虽有一定的技术储备和产品验证,但是在量产层面完全处于空白。

我国半导体光刻胶对外依赖程度达 80%以上。尤其是国产高端半导体光刻胶非常稀缺。据晶瑞股份公告数据显示,适用于 6 英寸晶圆的 g/i 线光刻胶自给率为20%,适用于 8 英寸晶圆的 KrF 光刻胶自给率小于 5%,适用于 12 英寸晶圆的ArF 光刻胶目前基本靠进口。

涂胶/显影设备:国产突破 28nm


涂胶显影设备是光刻工序中与光刻机配套使用的涂胶、烘烤及显影设备。

全球前道涂胶显影设备销售额由 2013 年的 14.07 亿美元增长至 2018 年的23.26 亿美元,年均复合增长率达 10.58%,智研咨询预计 2023 年将达到 24.76亿美元;中国前道涂胶显影设备销售额由 2016 年的 8.57 亿美元增长到 2018 年8.96 亿美元,2023 年将达到 10.26 亿美元。

根据 VLSI Research 数据,2019 年全球集成电路制造前道晶圆加工领域用涂胶显影设备市场主要被日本 TEL 所垄断,占比超过 91%,芯源微占比约为 0.7%;2020 年 TEL 的全球市场占比约 87%。

涂胶显影领域国内龙头为沈阳芯源微,成立于2002年,是由中科院沈阳自动化研究所发起创建的国家高新技术企业,公司主要从事半导体专用设备的研发、生产和销售,产品包括光刻工序涂胶显影设备(涂胶/显影机、喷胶机)和单片式湿法设备(清洗机、去胶机、湿法刻蚀机)。2022 年,公司披露在 28nm 及以上节点的光刻涂胶显影工艺上可实现全面国产替代,目前在客户端已完成验收。

参考资料:
民生证券《一周解一惑系列:光刻机各环节国产化情况》

从7nm到5nm:国产光刻机的突破,从告别自嗨开始


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本文作者2023-7-21 15:22
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