光刻機中國落後20年?中國芯片的命脈,何時才能掌握在自己手中?

大部分人只是覺的中國不掌握光刻機的技術,或者是物鏡,激光,掩膜,光刻膠等零部件不行,從而無法實現7nm,5nm光刻機制造。

EUV極紫外線高達100000個零部件,十多個子系統,以及各種精密的零部件設備。

光刻機中國落後20年?中國芯片的命脈,何時才能掌握在自己手中?

DUV光刻機結構

想製造一臺這個設備,並不容易!

儘管光刻機的零部件現在都已經有國產化解決方案。上海微電子已經實現了22nm的技術攻關,預計在2021年可以交付28nm光刻機的應用。但是28nm光刻技術,尼康,佳能,ASML在2004年左右就實現了193nm激光在28nm製程工藝上面的突破。

如果按照光刻機光源不同來分類的話,上海微電子現在生產還是上一代的DUV光刻機使用的193nm ArF通過浸入式和多層套模實現的光刻技術。

這個跟下一代的EUV有比較大的不同,這相當於原理不一樣的兩樣東西。類似於燃油車和電動車,原理類似,但實現方式差距較大。


光刻機中國落後20年?中國芯片的命脈,何時才能掌握在自己手中?

光刻機發展史(1978-1999)

光刻機中國落後20年?中國芯片的命脈,何時才能掌握在自己手中?

光刻機發展史(2000-2016)

從宏觀上面來講,國內在使用13.5nm紫外線進行光刻的光刻機研發上面,或許才剛剛起步。因此國內所有在用產品,也都是上一代的DUV產品。

這個情況或將在舉國之力攻克芯片困境中,在5-10年得到較大改善。

這並非不樂觀,而是精密領域,是一個不斷積累經驗,每一次故障都是進步的過程。

試想一下,作為完全非標的EUV光刻機,到目前累計就生產了不到100臺。他怎麼可能沒有大量的問題?

ASML在香港,臺灣,無錫都有專門售後服務公司,就是專門用來處理應用故障。

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ASML無錫售後服務公司

光刻機的性能評估在四個點上面:

1、CD Line width(線寬)

所謂的線寬,就是我們所說的14nm,7nm,5nm,3nm這個線寬的加工工藝。線寬約小,單位面積可以承載的電路就更多,運算能力就能夠倍增。

目前國內中芯國際實現的是7nm製程工藝的初步量產。預計大規模量產,且工藝熟練需要到2020年下半年。

但是在臺積電,三星在7nm,5nm製程工藝上面,已經較為成熟。

目前來看,大部分都在聚焦線寬,這個可以用數量級表示出光刻機優秀與否的參數。

實時上線寬屬於光刻機的第一道門檻,下面的幾個門檻或許才是真正在使用中出現故障,甚至能夠穩定生產的主要原因。

目前臺積電已經接收了華為7億美元的5nm製程的芯片訂單,開足馬力希望滿足華為的需求。


2、Overlay(套刻精度)

一個芯片,需要經過多次重複套刻才能完成。形成的電路,是多層的電路,不是單獨的一層電路。因此,套刻精度直接影響的良品率。

這個參數以及對應工藝,說起來過於複雜了,如果真的要滿足你可以看得懂的話。

那就是:刻第一層,和刻第二層要穩穩的沒有任何偏差。

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硅晶圓表面

3、Field size(場尺寸)

所謂的場尺寸是,光刻機一次成像(shot)所覆蓋的區域。例如掃描式光刻機的最大曝光場的尺寸為26X32mm2、步進式光刻機的最大曝光場的尺寸為22 X 22mm2 或 18.5 X 25mm2。這個場尺寸的大小,直接晶圓加工的速度。


光刻機中國落後20年?中國芯片的命脈,何時才能掌握在自己手中?

簡易光刻演示

最後所有參數歸總到一起,就是光刻機的生產率。

光刻機自開動那一刻起,只要不壞,最好是一直生產,因為按照產出的經濟量計算,光刻機比印鈔機要更賺錢,並且他生產的全球硬通貨幣。

我們以EVU級紫外線光刻機,達到每小時量產125片12寸晶圓。這數量換算出來就是28.8秒就可以完成一個12寸晶圓的加工。越是精密的產品,良品率要求越高。

晶圓的應用有多廣泛?

每年各類芯片都要用到晶圓,大到超級計算機,小到一個藍牙耳機,身邊的各類產品都在用。每年中國進口芯片的金額達到2000億美元以上。這不是電腦,手機的使用。是身邊所有電子產品的使用都需要芯片。

光刻機中國落後20年?中國芯片的命脈,何時才能掌握在自己手中?

2008-2016年,中國芯片進口金額

從2008年開始到2016年,中國芯片進口額已經超過了1000億美元。整個集成電路進口額達到2270億美元。

每年有約千億片芯片應用於各個行業,不同產品中,傳感器,攝像頭,電動機,汽車,溫度計等等。

可說只要是電子產品,除非是上世紀的晶體管控制的產品,基本上都有芯片。只是有的是低端的模擬芯片,有的是存儲芯片,有的是邏輯電路,還有FPGA等等。

美國如果完全掐斷了中國芯片供應,對我們會有什麼影響?

相當於在奔跑中一個踉蹌,還不至於摔倒。畢竟國內芯片及半導體這些年發展起來,基本上還是有一定的抗擊打能力的。

以中國當前的產業結構來說,光刻機市場10年左右的差距還是有的,畢竟從原理上面將,ASML已經為我們驗證了13.5nm是可行的。這個可行足以縮短10年的驗證和迷茫期。


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