自主研发实在太难!中国公司选择与日本光刻机厂商合作可不可行?

当智能手机正在朝着5G世代换潮之际,中国本土最大、全球前三大之一的手机厂商华为处于艰难之中。由于芯片供应链遭受破坏、特别是先进制程工艺芯片供应受阻,预计华为在2020年的手机产量将比上年减少20%,2021年将继续大幅减少,将来最坏的情况可能是华为退出手机市场。与此同时,华为的商业对手们,如苹果、三星、OPPO、vivo、小米等都已经行动起来,以抢夺华为在手机市场的份额。

此前,华为海思半导体开发设计的先进制程芯片,交由全球最最大晶圆制造商台积电代工,华为也是台积电第二大客户,仅次于苹果。但台积电首席执行官(CEO)魏哲家在15日的财报发布会上表示,来自华为的营业收入在10到12月将会完全消失。由于台积电在为客户代工制造芯片的过程中用到了源自美国的技术,而不得不停止对华为代工芯片。在台积电所用的半导体设备中,其中包括了由荷兰阿斯麦供货的光刻机。现在全球能够生产极紫外EUV光刻机的只阿斯麦,但基础技术的知识产权很多是由美国拥有,也因此,荷兰至今都没有批准阿斯麦向中国公司出口EUV光刻设备。

1,研制高端光刻机的难度太大。本质上是人类在挑战工程技术的极限,单靠一家公司、甚至一个国家的力量,所能达到的高度有限

光刻与人们已知的照相类似,是将掩膜版上的集成电路结构图形,定格和刻画在硅片上的过程,在此过程中用到的媒质是光刻胶,涉及的工艺跟传统冲洗胶卷基本一样,而需要用到的机器设备,最为核心的便是光刻机。

需要指出的是,在晶圆制造过程中,光刻工艺是占用时间比最大的步骤,占晶圆制造耗时的40%到50%。光刻机在晶圆制造设备投资额中约占20%左右,再考虑到光刻胶、光刻气体、光罩、涂胶显影设备等配套设施和材料投资,粗算下来,整个光刻工艺大约占到芯片制造成本的三分之一。而光刻技术水平,包括光刻机设备,决定了半导体芯片的集成度和性能可以达到什么程度。举例来说,全球最大的晶圆制造厂台积电量产7纳米及以下先进制程工艺,必须依靠最先进的极紫外EUV光刻机。

光刻机自问世之后,为了满足市场需求而得以不断改进。包括了光源的更新换代和光学系统结构的演进。

先说光源的更新换代。从最初的436纳米波长光源,到深紫外DUV光刻机所用的248纳米和193纳米波长,再到目前最顶级的第五代EUV光刻机所用的13.5纳米波长,光源波长不断缩小,曝光能够获得的分辨率自然不断提高。

再说光学系统结构的演进。20世纪六七十年代,接触式光刻机是用于晶圆制造的主流设备,在曝光过程中掩膜版与硅片上的光刻胶直接接触,优点是可以减小光的衍射效应,缺点是会污染损坏掩膜版和光刻胶,缩短掩膜版使用寿命,且极易形成图形缺陷,影响良率。为了解决上述问题,20世纪70年代开始用接近式光刻机,在掩膜版和硅片之间有微小间距,由于掩膜版和硅片间距越小,光刻工艺的分辨率越高,当二者间距接近几十微米时,就很难再减小,而且会受衍射效应的影响。1973年,美国PerkinElmer公司推出首台扫描投影光刻机,与以往的光刻机不同在于,光刻时以成像方式将掩膜图形投影转移到硅片上,分辨率由成像系统投影物镜的数值孔径决定。为进一步提高数值孔径改进光刻机性能,业界又发明了浸液式光刻机,就是在某种折射率大于空气的超纯液体中进行光刻。

光刻机的性能指标包括加工精度和加工速度,加工精度又细分为分辨率和套刻精度两个指标。例如,目前,全球最先进的EUV光刻机,所用的光源波长为13.5纳米,分辨率为38纳米。套刻指的是由于结构需要,在一个硅片上进行多次光刻曝光,像做大小不同的套娃一样,由于每次曝光实际位置与预设位置可能存在差别,如果偏差太大,误差积累起来是惊人的。所以,必须将此误差控制在一个很小的数值内,亦即套刻精度。当前,阿斯麦的光刻机能够实现1.4纳米的套刻精度,就是两次光刻之间的位置偏差,不到一根头发丝的万分之一。光刻机的加工速度,或者说产率,描述的是光刻曝光的速度,即光刻机的生产率,通常用光刻机在单位时间内,比如每小时曝光的晶圆数量表示,现今最高水平的光刻机,每小时曝光速度可达275片晶圆。

中国科学院上海光学精密机械研究所王向朝研究员曾表示,光刻机是大系统、高精尖技术与工程极限高度融合的结晶,并且有一个生动的比喻:“光刻机工作时,需要工件台和掩模台在高速运动过程中始终保持几纳米的同步精度。比如浸液式光刻机,工件台的运动速度可达1米每秒,两个台子的同步运动误差的平均值需要控制到1纳米,相当于人类头发丝直径的几万分之一,这相当于两架时速1000千米的飞机同步飞行,两架飞机相对位置偏差的平均值要控制到0.3微米以内。这个难度,应该是远高于两架超音速飞机同步飞行的时候,从一架飞机中伸出的缝衣服用的线能够准确穿进另一架飞机上的针孔的难度,如此高的难度使得光刻机的工件台、掩模台系统被誉为超精密机械技术的最高峰。”

光刻机其他部件和分系统,例如投影物镜、控制系统、材料洁净度、设备真空度、数据处理等同样需要达到工程极限。可想而知,研制高端光刻机的难度有多大。研制高端光刻机,实则是人类挑战工程技术的极限。如果单靠一家公司、甚至一个国家的力量,所能达到的高度应该是比较有限的,而不同国家的顶尖技术汇聚,是全人类在一段时期内所能达到的极限。

2,半导体制造不是非得要用EUV光刻机,以尼康为代表的日本光刻机厂商在全球半导体设备市场仍然具备不俗的实力,可以提供用于7纳米、5纳米制程工艺量产的光刻机

众所周知的是,阿斯麦现今是全球唯一能够生产和销售EUV光刻机的大厂,预计到2020年底将可累计出货90台EUV光刻机。以先前阿斯麦发布的季度财报数据,阿斯麦总共生产了大约70台的EUV光刻机,其中至少35台交付给了台积电,且已经安装上线。在整个半导体产业中,台积电累计占60%的EUV晶圆产量。

除了是全球唯一的EUV光刻机设备供应商外,阿斯麦在EUV光刻机前1、2和3代光刻机市场同样占据全球市场的大头。以2019年全球前道光刻机出货量数据为例,在EUV光刻机市场,阿斯麦占据100%的份额;在浸润式ArFi光刻机市场,阿斯麦市占率高达88%,尼康占12%;在ArF光刻机市场,阿斯麦市占率63%,尼康占37%;在KrF光刻机市场,阿斯麦市占率63%,尼康市占率4%,佳能市占率33%。

再从总营收数据简单做一对比,2019年阿斯麦、尼康和佳能三巨头光刻机总营收954亿元人民币,比2018年小幅增长。其中,阿斯麦在954亿元人民币的总营收中占比74%。

不妨换个角度,现今全球能够生产EUV光刻机的只阿斯麦。但基础技术的知识产权很多是由美国持有。因此,荷兰至今都没有批准阿斯麦向中国公司出口EUV光刻设备。如果是EUV之外的光刻机设备,日本两大厂商,亦即尼康和佳能其实均有能力制造和提供。

就拿尼康来说,根据尼康公司官网公布的信息显示,尼康可以提供用于平板显示器制造的FPD曝光设备,以及用于半导体制造和半导体曝光设备。FPD曝光设备可将电路图投射到玻璃基板的表面,以控制每个像素。尼康提供多套系统广泛应用于从采用独特的多镜头系统的大型面板到采用智能设备的小型和中型面板生产的整个领域。通过不断的技术开发,在FPD曝光系统领域尼康拥有很高的市场占有率。而半导体曝光设备可缩小电路图形尺寸,并将其投射到硅片上。对于集成电路芯片生产起到关键作用的此类曝光系统具备低至纳米的高精度,该系统被公认为是迄今为止格外精密的设备。

尼康的FPD曝光设备,可用于第6代玻璃基板、第8代玻璃基板以及第10.5代玻璃基板。尼康提供用于半导体制造的光刻机,包括i线步进式扫描光刻机、KrF扫描光刻机、ArF扫描光刻机和ArF液浸式扫描光刻机;其中,尼康的ArF液浸式扫描光刻机中,有NSR-S635E、NSR-S631E和NSR-S622D;最先进的NSR-S635E型号机台号称专为5纳米制程工艺量产而开发,NSR-S631E专为7纳米制程工艺的量产而开发(含多重曝光),NSR-S622D专为20纳米以下制程工艺的量产而开发。

而且,有观点认为,如果选择立体化,即便不用最尖端的EUV光刻机,也将能够开辟制造高性能半导体的道路。此前,半导体芯片集成度的提高依靠“微细化”实现,但自线宽达到35纳米左右的2000年代后半期开始,在技术上越来越困难,成本越来越高,微细化的脚步日趋放缓。在此背景下,与在平面上进行微细化相比,通过将元件纵向安装或使电路层本身实现多层堆叠、以此增加每块芯片的元件数的“立体化”技术正在成为维持摩尔法则的主角。在闪存芯片领域,立体化已是业界标准。在将电路层堆叠至128层的立体化取得进展的同时,一度微细化至约16纳米的电路线宽如今却倒退回20到30纳米。在逻辑芯片和DRAM存储器领域,也在发生从微细化到立体化转变。

3,小结

有行业相关士表示,为了推进除EUV以外的新型光刻设备的共同开发,中国企业积极向尼康和佳能显示出提供资金的想法。此外,关于制造设备的开发和设计软件的开发,中国也已开始认真推进。例如,为了建立DRAM存储器制造,紫光集团于2019年秋季聘请了前日本半导体厂商尔必达社长坂本幸雄出任高级副总裁。据他透露,中国企业高管欣喜地向他表示,多亏了特朗普,中国才下定了自主开发技术的决心。

中国计划在2025年之前半导体自给率提高至70%,虽然存在不小的难度。但长期而言,美国的技术“断供”,可能促使中国半导体厂商更加有动力“去美国化”。

(本文部分内容参考自日经新闻、新浪科技等媒体,我为科技狂整理)

本文源自头条号:我为科技狂

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