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【材料/设备】国内光刻机设备现状

来源:全球半导体观察    原作者:张明花    

近期,光刻机的相关消息铺天盖地,在国际贸易摩擦反复无常的环境背景下,业界对于仍处处受制于他国的光刻机设备格外关注。

据了解,光刻机是通过光学系统将光掩模版上设计好的集成电路图形印制到硅衬底的感光材料上,实现图形转移,根据应用工序不同,光刻机可以用于集成电路的制造环节和封装环节,其中用于封装环节的光刻机在技术门槛上低于用于制造环节的光刻机。

在制造环节中,光刻工艺流程决定了芯片的工艺精度及性能水平,对光刻机的技术要求十分苛刻,因此光刻机也是集成电路制造中技术门槛最高、价格最昂贵的核心设备,被誉为集成电路产业皇冠上的明珠。

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美日荷光刻机竞逐赛

在过去数十年间,光刻机不断发展演进同时推动了集成电路制造工艺不断发展演进,集成电路的飞速发展,光刻技术起到了极为关键的作用,两者相辅相成,因而自1947年贝尔实验室发明点触式晶体管,光刻机技术亦已具备发展土壤。

光刻机最初从美国发展起来。1959年,仙童半导体研制出全球首台“步进重复”相机,使用光刻技术在单个晶圆片上制造了许多相同的硅晶体管。20世纪60年代末,日本企业尼康和佳能开始进入光刻机领域并逐步崛起,但70年代主要是美国公司的竞逐赛。

70年代初,美国Kasper公司推出接触式光刻设备;1973年,Perkin Elmer公司推出了投影式光刻系统并迅速占领市场,在一段时间里处于主导地位;1978年,GCA公司推出了真正现代意义的自动化步进式光刻机(Stepper),但产量效率相对较低。

80年代日本企业开始发力,尼康推出首台商用Stepper NSR-1010G,随后尼康一度占据光刻机过半市场份额,佳能亦在市场上占有一席之地。值得一提的是,1984年4月,飞利浦与荷兰公司ASMI正式合资成立ASML,ASML脱胎于飞利浦光刻设备研发小组,该小组于1973年已推出其新型光刻设备。

80年代末到90年代,美国初代光刻机公司走向衰落,GCA被收购后关闭、Perkin Elmer光刻部也被出售,日企尼康处于市场主导地位。同时,ASML亦在逐步发展,1991年推出了PAS 5000光刻机;1995年,ASML在阿姆斯特丹和纳斯达克交易所上市。

进入21世纪,ASML强势崛起。2000年,ASML推出其首台Twinscan系统光刻机;随后,ASML相继发布首台量产浸入式设备TWINSCAN XT:1700i、首台193nm浸入式设备TWINSCAN XT:1900i,一举力压尼康、佳能成为全球光刻机市场新霸主。

如今,ASML已成为全球光刻机领域的绝对龙头企业,垄断高端EUV(极紫外)光刻机市场,是全球唯一一家可提供EUV光刻机的企业。

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国产光刻机攻关历程

在欧美日光刻机市场风云变幻的数十年间,我国也在通过各种努力研制国产光刻机设备。据了解,20世纪70年代我国就开始有清华大学精密仪器系、中科院光电技术研究所、中电科四十五所等机构投入光刻机设备研制。

除了上述提及的高校/科研单位,国内从事光刻机及相关研究生产的企业/单位还有上海微电子装备、中科院长春光机所、合肥芯硕半导体、江苏影速集成电路装备,以及光刻机双工件台系统企业北京华卓精科等。

2001年,国务院正式批准在“十五”期间继续实施国家高技术研究发展计划(863计划),国家科技部和上海市于2002年共同推动成立上海微电子装备公司,承担国家“863计划”项目研发100nm高端光刻机。据悉,中电科四十五所当时将其从事分步投影光刻机团队整体迁至上海参与其中。

2006年,国务院发布《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》确定发展16个重大专项,其中包括“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”国家科技重大专项(02专项)。2008年,国务院批准实施02专项,200多家企事业单位和2万多名科研人员参与攻关,其中EUV光刻技术列被为“32-22nm装备技术前瞻性研究”重要攻关任务。

当时,中科院长春光机所作为牵头单位,联合中科院光电技术研究所、中科院上海光学精密机械研究所、中科院微电子研究所、北京理工大学、哈尔滨工业大学、华中科技大学,承担“极紫外光刻关键技术研究”项目研究工作。

随后,清华大学牵头,联合华中科技大学、上海微电子装备和成都工具所承担02专项“光刻机双工件台系统样机研发”,以研制光刻机双工件台系统样机为目标,力争为研发65-28nm双工件台干式及浸没式光刻机提供具有自主知识产权的产品级技术。

可见,在国产光刻机研发历程上,国家在政策上予以支持,并动员了高校、科研机构、企业等科技力量共同进行技术攻关。

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阶段性突破与差距

历经多年努力过,那么国产光刻机研发方面有何成果?与国际先进水平还有多大差距?

2016年4月,清华大学牵头的02专项“光刻机双工件台系统样机研发”项目成功通过验收,标志中国在双工件台系统上取得技术突破。

光刻机双工件台样机,图片来源:清华大学新闻网

2017年6月,中科院长春光机所牵头的02专项“极紫外光刻关键技术研究”项目通过验收,该项目成功研制了波像差优于0.75 nm RMS的两镜EUV光刻物镜系统,构建了EUV光刻曝光装置,国内首次获得EUV投影光刻32 nm线宽的光刻胶曝光图形。

2018年11月,中科院光电技术研究所承担的“超分辨光刻装备研制”项目通过验收,该装备在365nm光源波长下,单次曝光最高线宽分辨力达到22nm,项目在原理上突破分辨力衍射极限,建立了一条高分辨、大面积的纳米光刻装备研发新路线......

然而,尽管多个光刻机项目取得成果并通过验收,这些技术在助力国产光刻机发展突破上也起到重要作用,但真正实现量产并应用于生产线上却又是另一回事,如上述超分辨光刻装备要想应用于芯片生产还需要攻克一系列技术难关,距离国际先进水平还相当遥远。目前,上海微电子装备的90nm光刻机仍代表着国产光刻机最高水平。

据了解,随着光源的改进和工艺的创新,光刻机已经历了五代产品的更新替代。第一代为光源g-Line,波长436nm,最小工艺节点0.8-0.25微米;第二代为光源i-Line、波长365nm,最小工艺节点0.8-0.25微米;第三代为光源KrF、波长248nm,最小工艺节点180-130nm;第四代为光源ArF、波长193nm,最小工艺节点45-22nm;第五代为光源EUV、波长13.5nm,最小工艺节点22-7nm。

第五代EUV光刻机是目前全球光刻机最先进水平,ASML是唯一一家可量产EUV光刻机的厂商。财报资料显示,2019年ASML出售了26台EUV光刻机,主要用于台积电、三星的7nm及今年开始量产的5nm工艺。近期媒体报道称,目前ASML正在研发新一代EUV光刻机,主要面向3nm制程,最快将于2021年问世。

日本企业尼康方面,官网显示其最新的光刻机产品为ArF液浸式扫描光刻机NSR-S635E,搭载高性能对准站inline Alignment Station(iAS),曝光光源ArF excimer laser、波长193nm,分辨率≦38nm,官方介绍称这款光刻机“专为5nm工艺制程量产而开发”。

图片来源:截图于尼康官网产品资料

而上海微电子装备方面,官网显示其目前量产的光刻机包括200系列光刻机(TFT曝光)、300系列光刻机(LED、MEMS、Power Devices制造)、500系列光刻机(IC后道先进封装)、600系列光刻机(IC前道制造)。其中,用于IC前道制造用的600系列光刻机共有3款,性能最好的是SSA600/20,曝光光源ArF excimer laser、分辨率90nm。

图片来源:截图于上海微电子装备官网

相较于ASML的EUV光刻机,上海微电子装备的90nm光刻机无疑落后了多个世代,与尼康相比亦有所落后;再者,目前国内晶圆代工厂龙头企业中芯国际已可量产14nm制程工艺,根据半导体设备要超前半导体产品制造开发新一代产品的规律,90nm光刻机已远不能满足国内晶圆制造的需求。

不过值得一提的是,近期有媒体报道称,上海微电子装备披露将于年底量产28nm的immersion式光刻机,在2021年至2022年交付国产第一台SSA/800-10W光刻机设备。虽然业界对此消息颇有争议,但若该消息属实,那对于国产光刻机而言不得不说是一重大突破。

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迎来发展好时代?

由于技术严重落后于国际先进水平,国内光刻机市场长期被ASML、尼康、佳能等企业所占据,但随着国内集成电路产业加速发展,国产光刻机迎来发展机遇。

近年来,全球半导体产能向国内转移,国内晶圆生产线不断扩产或新增,成为全球新建晶圆厂最积极的地区,为国产设备提供了巨大的市场空间。根据中国国际招标网信息,长江存储、华虹无锡等近年新建晶圆厂招标设备国产化率已显著提升,包括北方华创、中微公司、屹唐半导体等企业均有中标。

再者,过去两年国际贸易摩擦态势反复,美国对国内半导体产业的技术限制愈加严格。

在此环境背景下,半导体设备国产替代迫在眉睫,国家高度重视和大力支持行业发展,相继出台了多项政策,推动中国半导体产业的发展和加速国产化进程,国产光刻机的发展情况更是受到了业界重点关注。国家的重视与支持以及产业与市场的迫切需求,将有望促使国产光刻机加快发展步伐。

还有一个较好的发展势头是在资金方面。半导体设备投资周期长、研发投入大,是典型的资本密集型行业,尤其是光刻机领域。此前,国内半导体设备企业的主要资金来源于股东投入与政府支持,融资渠道单一,近年来国家大基金、地方性投资基金及民间资本以市场化的投资方式进入半导体产业,丰富了半导体设备企业的资金来源,不少企业也正在寻求上市。

目前,北方华创、晶盛机电、长川科技等企业早已登陆资本市场,中微公司、华峰测控、芯源微等半导体设备企业亦集中在去年以及今年于科创板上市。光刻机企业方面,上海微电子装备于2017年12月已进行辅导备案,光刻机双工件台企业华卓精科亦拟闯关科创板,近日江苏影速亦宣布已进入上市辅导阶段。

此外,随着市场资本进入半导体设备领域,近两年来亦新增了一些光刻机相关项目。如今年6月5日,上海博康光刻设备及光刻材料项目签约落户西安高陵,据西安晚报报道,该项目总占地200亩,总投资13亿元;今年4月,埃眸科技纳米光刻机项目落户常熟高新区,计划总投资10亿元,主要方向为纳米压印光刻机的研发、生产、销售及运营。

有人说,对于半导体设备产业而言,这是最好的时代、也是最坏的时代。面对与国际先进水平的差距以及技术封锁,国产光刻机仍有很长的路要走。除去外部因素,自身人才匮乏、技术欠缺亦是发展难题,光刻机研制出来后产线验证难更是制约国产光刻机进入生产线的主要瓶颈之一,种种问题亟待解决。

不过,国内越来越多的新增晶圆生产线走向稳定,将有望给予国产光刻机等更多“试错”机会。对于国产光刻机,我们需要承认差距,亦要寄予希望,上海微电子装备等已燃起了星星之火,我们期待其早日燎原。

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封面图片来源:拍信网