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中国“芯”病:绕不开的光刻机

时间:2019-08-30来源:康尔信电力系统

导语:​光刻机,被称为现代光学工业之花,制造难度非常大,全世界只有少数几家公司能够制造。其售价高达7000万美金。用于生产芯片的光刻机是中国在半导体设备制造上最大的短板,国内晶圆厂所需的高端光刻机完全依赖进口。

光刻机,被称为现代光学工业之花,制造难度非常大,全世界只有少数几家公司能够制造。其售价高达7000万美金。用于生产芯片的光刻机是中国在半导体设备制造上最大的短板,国内晶圆厂所需的高端光刻机完全依赖进口。

光刻机制造难度有多大?

光刻机跟照相机差不多,它的底片,是涂满光敏胶的硅片。电路图案经光刻机,缩微投射到底片,蚀刻掉一部分胶,露出硅面做化学处理。制造芯片,要重复几十遍这个过程。

位于光刻机中心的镜头,由20多块锅底大的镜片串联组成。镜片得高纯度透光材料+高质量抛光。SMEE光刻机使用的镜片,得数万美元一块。

ASML的镜片是蔡司技术打底。镜片材质做到均匀,需几十年到上百年技术积淀。

“同样一个镜片,不同工人去磨,光洁度相差十倍。”SMEE总经理贺荣明说,他在德国看到,抛光镜片的工人,祖孙三代在同一家公司的同一个职位。

另外,光刻机需要体积小,但功率高而稳定的光源。ASML的顶尖光刻机,使用波长短的极紫外光,光学系统极复杂。有顶级的镜头和光源,没极致的机械精度,也是白搭。光刻机里有两个同步运动的工件台,一个载底片,一个载胶片。两者需始终同步,误差在2纳米以下。两个工作台由静到动,加速度跟导弹发射差不多。贺荣明说:“相当于两架大飞机从起飞到降落,始终齐头并进。一架飞机上伸出一把刀,在另一架飞机的米粒上刻字,不能刻坏了。”而且,温湿度和空气压力变化会影响对焦。“机器内部温度的变化要控制在千分之五度,得有合适的冷却方法,精准的测温传感器。”贺荣明说。SMEE最好的光刻机,包含13个分系统,3万个机械件,200多个传感器,每一个都要稳定。像欧洲冠军杯决赛,任何一个人发挥失常就要输球。

为什么全球只有荷兰的ASML能制造顶级的光刻机?

首先我们应该知道目前世界上最大的光刻机制造商是荷兰ASML;1984年ASML从飞利浦独立出来,专门致力于研发光刻技术,得益于近乎完美的德国机械工艺以及世界顶级光学厂商德国蔡司镜头,再加上美国提供的光源,ASML迅速发展,到如今占到了全球光刻机总销售收入的78%;

而随着ASML的壮大,高端光刻机市场基本被垄断,Intel的晶圆工厂生产成本也日益增加,所以Intel大力扶持日本尼康以平衡ASML,而ASML独步全球的工艺水平和稳定性能最终击败尼康成为高端光刻机的王者,尼康则开始面向低端领域;如今全球最大的晶圆代工厂台积电是ASML最大的股东,三星,Intel也占有ASML的股份,垄断地位已经形成。

光刻机这种高精度光机一体化设备,研发过程是没有什么捷径可走的,精度只能一步步提升。没有一微米的基础,就不可能造90纳米的设备,没有90纳米的基础,就不可能造45纳米的设备。现在ASML可以造10纳米以内精度的设备,这个水平不是天上掉下来的,而是别人几十年一步一步逐渐积累出来的。所以才能打败美日竞争对手,占领市场。

市场化资源配置和市场化竞争,从理论上来说是不错,可惜的是这个世界上市场无法决定的东西太多了,比如说禁运或技术封锁。

而且ASML有一个非常奇特的规定,那就是只有投资ASML,才能够获得优先供货权,意思就是要求他自己的客户要先投资自己才行。这样奇特的合作模式使得ASML获得了大量的资金,包括英特尔、三星、台积电、海力士都在ASML中有相当可观的股份,可以说大半个半导体行业都是ASML一家的合作伙伴,形成了庞大的利益共同体——就算是技术研发出现了失误,英特尔挤挤牙膏就好了,并不会威胁到ASML的市场占有率。

而且不仅仅是来自合作伙伴的资金支持,更多的还有技术支持。比如说刚刚提到了ASML在EUV光刻技术上拥有世界第二的专利申请量,而世界第一是德国的蔡司公司,第三是韩国的海力士公司,而这两家公司都是ASML的合作伙伴。


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