由国内三台光刻机开始的一些思考

由国内三台光刻机开始的一些思考
2018年05月23日 12:07 TrendForce集邦

近日,三台ASML光刻机备受关注。

5月16日,日经亚洲评论报道称,中芯国际向国际半导体设备大厂ASML下单了一台价值1.2亿美元的EUV(极紫外线)光刻机,预计将于2019年初交货。中芯国际去年就已宣布预研7nm工艺制程,若报道所称的EUV光刻机订单实现,也意味着国产7nm工艺制程有望早日到来。

ASML中国区总裁金泳璇今年年初曾透露,已有大陆晶圆厂巨头与 ASML展开7nm工艺制程的 EUV订单洽谈,2019年大陆首台EUV可望落地,并表示对在中国客户装入中国第一台EUV光刻机,抱持乐观的期待。如今看来,当时所提及的晶圆厂应该就是中芯国际。

在中芯国际订购EUV消息后,紧接着又出现一则关于光刻机的新闻。5月19日,国内多家媒体报道称,长江存储迎来其第一台光刻机,如今该光刻机已运抵武汉天河机场,待相关手续办理完成后运至工厂。

据悉,这台光刻机同样来自ASML,为193nm浸润式光刻机,售价7200万美元,用于14nm~20nm工艺,这侧面透露了长江存储3D NAND闪存芯片的工艺制程,也意味着长江存储闪存芯片量产在即。据报道,4月11日长江存储的芯片生产机台已正式进场安装,按照规划将于今年底进行试产。

5月21日,由华虹集团旗下上海华力集成电路制造有限公司建设和营运的12英寸先进生产线建设项目(华虹六厂)实现首台工艺设备光刻机搬入,该设备是来自ASML的NXT 1980Di光刻机,为目前中国大陆集成电路生产线上最先进的浸没式光刻机。

华力12英寸先进生产线建设项目是上海市最大的集成电路产业投资项目,如今较原计划进度提前1个月实现首台光刻机搬入,意味着该项目提前取得了阶段性成果,未来五个月内该厂工艺设备将集中搬入并完成安装调试,计划年底前完成生产线串线并实现试流片。

无论是中芯国际的EUV订单、长江存储首台光刻机运抵或是华虹六厂首台光刻机搬入,都代表着三家半导体企业在芯片领域取得进展。

国内光刻机的发展现状

然而,我们可以看到,这三台光刻机无一例外都是从国外进口,在国内半导体产业快速发展的当下,国产光刻机的情况不容乐观。

光刻机是集成电路制造业最核心、技术门槛最高的设备,光刻环节是芯片生产流程中的最关键步骤,直接决定芯片的制程水平和性能水平,芯片在生产过程中需要进行20-30次的光刻,耗时占到制造环节的50%左右,占芯片生产成本的1/3。

目前全球仅有少数几家设备厂商掌握光刻机技术,如ASML、佳能、尼康、SUSS、ABM、Inc等,其中ASML在全球晶圆厂光刻机设备的市场份额高达8成,高端光刻机领域几乎被其垄断。

国内研发光刻机相关的企业有上海微电子装备有限公司(以下简称“上海微装”)、中国电子科技集团公司第四十五研究所、合肥芯硕半导体有限公司、先腾光电科技有限公司、无锡影速半导体科技有限公司,其中上海微装发展最为领先,是中国唯一一家生产高端前道光刻机整机的公司,从某种意义上可以说其代表着国产光刻机技术水平。

上海微装成立于2002年,其生产的光刻机包括晶圆制造、IC封装、面板、LED等,其中封装光刻机在国内市场已占据不小的份额,这是国产光刻机取得的进步。

然而在代表着光刻机技术水平的晶圆制造光刻机方面,上海微装目前可生产加工90nm工艺制程的光刻机,这是目前国产光刻机最高水平,而ASML如今已量产7nm工艺制程 EUV光刻机,两者差距不得不说非常大。

事实上,12年前国家就已意识到发展光刻机的必要性。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“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”被列为“02专项”,该专项于2008年国务院批准实施,并将EUV光刻技术列为“32-22nm装备技术前瞻性研究”重要攻关任务。

在这之后,国内光刻机的研究发展大多由“02专项”资金支持,目前除了上海微装已生产出90nm光刻机外,2016年初光刻机核心子系统双工件台系统样机研发项目通过内部验收,为我国自主研发65nm至28nm双工件干台式及浸没式光刻机奠定了基础。

此外,由长春光机所作为牵头单位承担起了“极紫外光刻关键技术研究”项目研究工作也取得了一些成绩,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,上述成果于2017年6月21日通过项目验收。

但上述研发项目成果也仅是通过内部验收,代表国产光刻机技术水平的仍是上海微装生产的90nm工艺制程芯片光刻机,且尚未经过晶圆厂的产线验证,总体而言远远落后于国际一流水平。

国产设备的困境与出路

事实上,不仅仅是光刻机,国产设备整体落后于国际水平。

这里所说的“落后”或不能简单称之为技术落后,一方面从技术水平上看的确整体落后,但另一方面,部分国产设备在某些领域的技术水平或已达国际平均水平,但仍会面临国产设备基本都会遇到的“拦路虎”——产线验证,因为很多本土设备生产出来后是难以进入晶圆厂的产线进行试跑验证。

一位业内人士向笔者表示,目前国产设备厂商可通过在上海集成电路研究中心(ICRD)这种平台承接一些很小的订单以对设备进行验证,但这也只能是一个缓慢切入的辅助过程,要进入市场还是需要通过实际生产产线验证。

上述人士认为,近两年国内掀起的晶圆厂新建落地潮或为国产设备厂商提供了一个窗口。新建产线前期量产为了把能控制的风险降到最低,一般情况下不考虑国产设备,但在新建产线稳定后,在国家大力发展半导体产业的大环境下,或会考虑给国产设备切入的机会。

上述业内人士认为,影响国产设备发展进程有两大主要原因:前期研发资金和人才配备不足。资金方面,在国家大基金出现后,近两年国产设备已逐渐现身各领域的产线上,而在这之前鲜有听闻;人才是发展半导体最重要的因素之一,国内在设备领域也极为缺乏,ASML今年年初透露目前中国大陆Fab的ArF-Immersion 1970Di光刻机出现疑难杂症问题时,需要从荷兰ASML总部请工程师过来。

对于国产设备如何进一步发展,上述人士提出了三点:一是内部整合,事实上国内半导体设备领域已有厂商取得良好发展,如中微半导体,可将具有产品组合互补性的企业整合到一起;二是继续加大资金支持,如国家大基金、02专项资金等还需继续加大投入;三是人才方面,可通过与国外企业合作以引进技术或培养人才。

值得一提的是,2017年6月21日上海集成电路研发中心(ICRD)与ASML签署合作备忘录,宣布将于在上海合作共建一个半导体光刻人才培训中心,就在昨日(5月21日),该全球光刻人才培训中心正式揭牌,这是国内第一个世界级光刻人才培训基地。

来源:全球半导体观察

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