浅谈半导体制造皇冠上的明珠——光刻机 | 科技专题

日前,光刻机巨头阿斯麦(下称“ASML”)表示,其在华所有项目均在按计划进行中,同时,为了支持中国业务的增长,今年将持续扩大中国团队。这意味着,在全球芯片荒持续、半导体设备部分核心零部件供应紧张的形势下,该公司或将继续看好半导体设备市场在中国大陆的强劲增长需求。

根据SEMI 数据,2021年中国大陆半导体设备销售额为296亿美元,同比增长58%,占全球半导体设备销售额的28.85%,且增速远超全球44%的增长水平。

然而,半导体设备的销售额虽然在不断增长,但供应紧张的问题一直存在,尤其是被誉为“半导体制造皇冠上的明珠”的光刻机。

光刻机是半导体芯片制造过程中最为核心的机器设备,在半导体设备市场中的占比近1/4,其集合了数学、光学、流体力学、高分子物理与化学、表面物理与化学、精密仪器、机械、自动化、软件、图像识别等领域的多项顶尖技术,组件及配套设施复杂程度、制程精度均需具备超高的技术水平。

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光刻机的工作原理

在介绍光刻机工作原理之前,首先简单了解一下光刻的定义:即将掩膜板上的图形曝光至预涂了光刻胶的晶圆表面上,由于光刻胶(正胶)受到照射的部分会发生化学变化,从而易溶于显影液。

基于此,光刻机的工作原理也得以形成:即发出光束穿过掩模及镜片,经物镜补偿光学误差,将线路图曝光在带有光感涂层的硅晶圆上,然后显影在硅片上。简单理解,光刻机的用途主要在于在硅片上勾勒设计好的电路结构。

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图片来源:网络

其中,光源、镜头以及精密结构等作为光刻机的核心零部件,在其工作运行中均有着不可替代的作用。

尤其是光源,由于光源的波长决定了光刻机工艺的精细程度,即光源的波长越短,其能光刻出的集成电路图案就越精细,晶圆单位面积所能容纳的晶体管也就越多,芯片制程也就越短,而对应的芯片性能也就越高。因此,光源可以称作是“光刻机的灵魂”,且从光源波长不断变化的过程中能够对光刻机的演变进程产生更加清晰的认知。

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光刻机的演变史

根据公开资料,在1985 年之前,光刻机的光源主要以g 线为主,其波长为436nm;1985 年以后,出现少量 i 线为主的光刻机,其波长缩短到了365nm;1990 年代后期,深紫外线DUV光刻机问世,其光源为KrF准分子激光,波长也进一步缩短至248nm;在踏入 21 世纪后,波长193nm 的深紫外线DUV开始使用,光源由KrF准分子激光转化为ArF准分子激光;进入2010年,波长仅为13.5nm 的 EUV(极紫外线)开始兴起,并应用在了高端先进制程中,尤其各大晶圆代工厂在最高端工艺上都会采用EUV光刻机,例如三星、SK海力士等。

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图片来源:国盛证券

值得一提的是,ASML作为全球最大的光刻机供应商龙头,是唯一一家能够提供量产生产EUV光刻机的厂商。Chip Insights数据显示,2021年阿斯麦共出货高端光刻机(EUV、ArFi、ArF)145台,占据95.4%的全球市场份额,EUV市场占有率达到100%。ASML预计,未来EUV的采用将继续增长,到2024年所有先进节点芯片制造商预计均将在生产中使用EUV。

与此同时,光刻机的演变仍在继续。据了解,ASML正在开发下一代EUV系统,称为EUV 0.55 NA (HighNA),该系统具有更高数值孔径的新型光学设计,有望使芯片尺寸减小1.7倍,并进一步提高分辨率,将微芯片密度提高近3倍。

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巨头垄断下国产光刻机现状

目前,由于光刻机研发难度大,全球光刻机市场几乎已经由荷兰ASML、日本尼康和佳能公司完全垄断,我国的光刻机设备也依赖进口,自产率较低,且受限于《瓦森纳协议》的管控,导致我国无法购买EUV光刻机这类最先进的半导体制造设备,因此,7nm以下制程的高端芯片产能紧张问题迟迟得不到缓解,光刻机也成为我国半导体产业“卡脖子”的关键。

在此背景下,我国中国科学院、清华大学等科研院所,上海微电子等光刻设备制造厂商,开始加快对光刻设备国产化替代的步伐。

目前,上海微电子能够量产多种型号的光刻机,其中,SSA600/20是其自主研发的最先进的光刻机,适用于生产90nm制程的芯片,此外,其正在研发的28nm国产光刻机或许有望在不久的将来落地。

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图片来源:上海微电子装备(集团)股份有限公司官网

虽然我国自主研发光刻机的水平与ASML等光刻机巨头的研发水平相差较远,但在多项国家政策支持、社会资本助力以及半导体供应链需求增长旺盛及自主可控意识不断增强等背景下,国内对于光刻机国产替代的热情依旧高涨,伴随着国内厂商不断加快自主研发的步伐,光刻机国产替代长期发展趋势有望继续保持。