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EUV 光刻机是中国半导体行业的唯一症结吗

原标题:EUV 光刻机是中国半导体行业的唯一症结吗

在一颗芯片诞生的过程中,光刻是最关键又最复杂的一步。

说最关键,是因为光刻的实质将掩膜版上的芯片电路图转移至硅片,化虚为实。说最复杂,是因为光刻工艺需要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀、检测等数十道工序才得以最终完成。

正因如此,集数学、光学、物理、化学等众多学科技术于一身的光刻机,被称之为半导体工业皇冠上的明珠,占据晶圆厂设备投资总额的约 25%。

在中美关系紧张的大背景下,这颗 “明珠”备受关注,其光环似乎已经盖过了其他半导体设备,更是有声音认为只要拥有一台 EUV 光刻机,中国半导体产业的问题基本就能解决。

但事实并非如此。

以光刻技术为中心的行业壁垒

尽管将整个半导体产业的难题归结到一台 EUV 光刻机有失偏颇,但是以光刻技术为中心衍生出的众多难题确实是全世界范围内业界研究的重点,也构建起比较高的行业壁垒。

在本月初举行的第四届国际先进光刻技术研讨会上,来自中国、美国、德国、日本、荷兰等世界各地众多名企、厂商、科研机构、高校的技术专家和学者,共同探讨了光刻领域先进节点的最新技术手段和解决方案,解决方案涵盖范围之广,包括材料、设备、工艺、测量、计算光刻和设计优化等。

先进光刻技术解决方案涵盖范围之广泛与光刻机自身属性密切相关。如果将一台光刻机的系统进行拆分,可以分为光源系统、掩模态系统、自动校准系统、调平调焦测量系统、框架减震系统、环境控制系统、掩模传输系统、投影物镜系统、硅片传输系统、工作台系统、整机控制系统、整机软件系统等,这意味着如果想要让一台光刻机发挥出最大潜能,就需要各个系统保持高性能运转。

而为光刻机提供各个系统组件,本身就存在一定的壁垒。

以光源系统为例,光源公司发展到现在,世界上真正卖光源系统的公司只剩 Cymer 和 Gigaphoton 两家,且前者已被光刻机巨头公司 AMSL 收购。在第四届国际光刻技术研讨会会议上,来自 Gigaphoton 的 Toshihiro Oga 在同媒体交流时表示:“光源制造面临的挑战众多,光刻机要求光源有很高的性能,例如高对比度和纯净无缺陷的成像质量,同时也要控制成本和可靠性,这些东西往往很难互相匹配。另外从客户的角度而言,通常光源系统不具有通用性,专业性强。”

Toshihiro Oga 还透露,光源系统市场窄,但需要的投资却很大

Gigaphoton 每年出货的 200 个单元光源,其中 80 个用于浸没式 Arf 光刻机,20 个用于普通的 Arf 光刻机,剩余的 100 个用于 Krf 光刻机。

在光源系统领域,技术壁垒之外还面临资金和市场的难题,因此也就不难理解为何 20 年前美国日本一众的激光光源公司发展到今天仅剩两家了。

厦门大学嘉庚创新实验室科技总监Mark Neisser

在材料方面,厦门大学嘉庚创新实验室科技总监 Mark Neisser 表示,越顶尖的光刻机对材料的精度越高,但评价光刻材料没有统一的标准,因为每个代工厂在制造工艺上都有自己的喜好。一款光刻材料的诞生往往经历客户定义需求和标准,实验室或材料公司选择化学材料制作溶液进行测试,同时需要避免一些专利问题。这意味着,从某种程度而言,光刻材料不具备通用性,这又是光刻技术在发展过程中的一大难点。

被忽略的半导体设备

在全球的光刻机公司中,ASML、Nikon 和 Canon 长期位列前三,其中 ASML 凭借上游供应商的顶尖技术和下游厂商的巨额投资,出货量位居世界第一,同时以 “全球唯一能生产 EUV 光刻机”被大众熟知。

通过上文的剖析,已经足以理解光刻技术行业壁垒之高,而一台光刻机尤其是顶尖光刻机的诞生,需要的是全球产业链的协作,仅凭一国之力难以造出。

事实上,目前需要用到 EUV 光刻机这样顶尖工艺的地方只占据芯片制造的一小部分,例如消费电子所需要的 7nm、5nm 工艺芯片。光刻机是芯片制造的关键,但从整个产业链的角度来说,并非是非 EUV 光刻机不可。

或许除了 EUV 光刻机,包括刻蚀机、薄膜设备、测试设备、清洗设备在内的这些在常用制程中都会用到的半导体设备同样值得关注。

尤其是随着晶体管工艺制程的推进,经曝光后的晶体管结构尺寸较大,沉积和刻蚀在制造 FinFET 鳍式场效应管中愈发重要。2017 年,刻蚀机就取代光刻机的位置成为了晶圆加工厂投资最多的设备。

那么在其他半导体设备上,我国表现如何呢?

2016 年 9 月主要制造涂胶显影设备和清洗机的半导体设备制造商沈阳芯源微电子成功出厂第 500 台设备,成为国内新兴半导体设备制造厂家中首家迈过 500 台设备出厂门槛的企业,创下里程碑式的发展。此后,沈阳芯源作为国产半导体设备的代表也一直备受关注。

2019 年 12 月,沈阳芯源成为第一批上市科创板的公司之一,且在该公司的最新官方报道中,第 900 台设备于 10 月 30 日成功出厂,2020 年 3 季度公司净利润 2268.61 万元,同比增长 4761%。

芯源微前道事业部总经理谢永刚

在第四届国际光刻技术研讨会期间,芯源微前道事业部总经理谢永刚给出了可供国内其他半导体设备厂商参考的经验,他表示:“国内半导体设备普遍起步晚、发展晚,因此需要经历相对漫长的探索过程,在探索的过程首先需要定位清晰,然后需要抓住合适的时机切入,最重要的是获得客户的认同感,这需要良好的工艺能力、设备的稳定性、品质控管体系以及值得信任的售后服务。”

同时,芯源公司也表示,芯源的竞争对手是世界级厂商,目前在顶尖技术的发展上已经引入了一些技术专家,正在努力追赶当中。

设备之外,还有对基本原理和极限的理解不足

不过,无论是光刻机设备,还是其他半导体设备,都只不过是半导体产业链的其中一环,解决了设备问题,可能还需要解决设备维护、材料、人才等方面的问题。

中国光学学会秘书长、浙江大学教授、现代光学仪器国家重点实验室主任刘旭

中国光学学会秘书长、浙江大学教授、现代光学仪器国家重点实验室主任刘旭在第四届国际光刻技术研讨会上就表示:“中国半导体的发展不是一个简单的问题,不要把一个很复杂的全行业问题变成只有一个局部点上的问题,重要的问题不等于唯一的问题。”

此外,对于中国半导体行业与其他先进国家的差距,刘旭教授还认为:“一些器件的设计和制造,非常考验基础工业实力,很多时候基于同样的原理,别人能做好,我们做不好,实质上是我们缺乏对基础的理解和对材料极限特性的理解。”

同时,对于是否应该建立中国自己的半导体行业体系,刘旭教授表示,半导体产业建设不应该一拥而上,而应该找到合适的技术、合适的人在合适的时间去做这件事,之后国家才有可能将其凑成一条线,目前半导体行业的热不一定是一件是好事,很可能造成资源的浪费,需要警惕一些利益团队借此机会掠夺社会资源。

小结

近一两年来,半导体行业火热,以 EUV 光刻机为代表的关键技术备受社会关注,有声音认为只要我们能够自己制造出一台 EUV 光刻机,国内半导体产业发展问题就基本解决,但事实并非如此。EUV 光刻机只不过是中国半导体产业发展路上需要解决的问题的一个缩影,重要的,但绝非唯一的问题。

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