光刻机，你需要了解哪些？

leetow2006

AI芯片、5G芯片、汽车电子、物联网等下游的兴起，全球半导体行业重回景气周期。SEMI预计全球将于2020年前投产62座半导体晶圆厂,其中26座设于中国大陆（其中10座是12寸厂）,中国大陆预计于2019年成为全球设备支出最高地区，为国产半导体设备的崛起提供了发展机会。. {8 z# {# p8 T! h' z# P2 |+ G
+ w# }" S4 M5 ~' g6 D: @. V- i3 G   
从设备需求端测算，2018-2020年国产晶圆制造设备市场空间增速分别为54%，78%和97%，2018-2020年累计市场空间达250亿元，CAGR 为87%。
4 F8 M0 J0 a% O4 u! R0 |3 @   
从兴建晶圆厂投资端测算，2018-2020年国产晶圆制造设备市场空间增速分别为157%， 94%和31%， 2018-2020年累计市场空间387亿元，CAGR 为59%。平均每年超百亿的市场空间在机械行业中难得一见。" l7 ?; _: r8 b8 A# |
2 @4 |5 B/ y, y0 @" Y- V$ _

2016年全球半导体专用设备前十名制造商（美国应用材料，荷兰ASML等）的销售规模达到了379亿美元，市占率高达92%。而中国半导体设备前十名制造商的销售额约7.3亿美元，在收入规模上差距大。其根本原因还是来自技术上的差距。目前我国半导体设备自制率不足15%，且集中于晶圆制造的后道封测，前道工艺制程环节的关键设备如光刻机、刻蚀机、薄膜沉积等仍有待突破；且晶圆制造等设备在采购中面临国外企业的技术封锁，全面国产化是必然选择。
6 k# D1 C  n- I* c

# x% z$ }6 _+ J/ D' H2 C光刻决定了半导体线路的精度，以及芯片功耗与性能，相关设备需要集成材料、光学、机电等领域最尖端的技术，被誉为是半导体产业皇冠上的明珠。单台设备价格在2000万美金以上，是中国半导体设备最需突破的环节之一。
2 p1 i+ ^5 ~1 K* r6 M) T4 I% j8 B   
) J$ a/ q$ _3 d! c5 c上海微电子是目前国内唯一能做光刻机的企业。ASML新出的EUV光刻机可用于试产7nm制程，价格超过1亿欧元。而上海微电子已量产的光刻机中，性能最好的是能用来加工90nm芯片的SSA600/20光刻机。由此可见，国产光刻机要突破垄断还有很长的路需要走。要充分了解光刻机，你需要先看一下以下十个问题：

4 g- H; p! C8 A' P6 Z) _
1.光刻机的运作机制。/ Q6 Q% j9 d# K0 a/ w
0 z5 O* G1 g& w$ m    9 o2 A+ E3 N2 w/ C5 v
! r  G8 q/ Z+ a" H光刻设备是一种投影曝光系统。在半导体制作过程中，光刻设备会投射光束，穿过印着图案的掩模及光学镜片，将线路图曝光在带有光刻胶的硅晶圆上；通过光刻胶与光的反应来形成沟槽，然后再进行沉积、蚀刻、掺杂，架构出不同材质的线路。
% R9 J( v- ^, R, g! r4 i# u+ _" w: n    : G& `+ P0 @; U; h
其中掩膜版上面会有很多的布线，形成沟槽以后在里面会布很多的二极管、三极管等，来形成不同的功能。单位面积上布的线越多，能够实现的功能就越多，效能也越高，耗能越少。! X6 z4 ]" V: g+ Y2 D/ J  }
6 u2 u$ l' S0 D. I% n
1 [% |6 C3 x/ Z: E2 a' N# C
  n2 D7 u( X8 G3 r2 H# k5 J4 x& [2.一般一个晶圆厂需要几台光刻机？
- v* h, H# g4 s: c- @& O    8 F- Q) e) W* d7 q/ S8 ?& @) g
并不是每个晶圆厂都必须配置光刻机，当自身产能不是很大或者生产中耗能太高、产生环境污染的时候，这部分的需求可以转移到晶圆代工厂去。美国现在的发展趋势是，由于高耗能、有污染所以自己不生产，把先前很多工厂转移到了台湾。台湾由于地域限制，工厂主要集中在新竹，污染、能耗都很大，所以也想把设备转移到大陆厂商，如中芯国际、台积电南京等。' E  d$ d; J, i2 I- F4 ~+ d
   
一个12寸厂每月的产能大约是8-9万片，这已经是很高的水平了，换算到光刻机的产能大约是每天3000片，实际中效率可能每小时110-120片。涂胶的速度是制约光刻机生产效率的核心因素，涂胶机目前主要被日本的DNS和TEL垄断。
; X/ b: n5 r. b& R2 Q7 ~( V; P( i, |9 o' S
0 H. M9 `5 k* C' K2 f! A) `- }& Z7 |- p6 {7 G5 |0 V4 [
$ Z* \2 r6 p2 s, i& |$ R% \7 t除了生产线以外，晶圆厂的研发部门也需要光刻机。
: o! g: o1 U4 p" U- d9 w
( x( b& Q+ m( y1 a
# N, E8 _5 I$ C% L# ~: A2 O. w3.EUV和DUV的区别？
    % k7 v; G& d, P
DUV是深紫外线（Deep Ultraviolet Lithography），EUV是极深紫外线（Extreme Ultraviolet Lithography）。从制程范围来看，DUV基本上只能做到25nm，Intel凭借双工作台的模式做到了10nm，但是却无法达到10nm以下。只有EUV能满足10nm以下的晶圆制造，并且还可以向5nm、3nm继续延伸。, N4 E% G4 x: v
9 n; Q# l2 q- e4 P  Y# k6 i    " F+ K) X7 ?2 M( f* C# }& T
EUV的价格是1-3亿美金/台，DUV的价格为2000万-5000万美金/台不等。; F& Z( L0 |9 G0 k: o( l
5 y/ v8 G! {+ A5 p% a& S2 |$ Z

4.ASML如何一步步做到EUV？
   
$ C5 ^( E; E: X- l在2002年，整个半导体行业需要193nm波长的光刻设备，而当时ASML的制程可以达到90nm，这是采用了一种新型的、区别于Nikon、佳能的干式刻蚀镀件的一种浸没式镀件，当时这个技术使ASML优于Nikon和佳能，同时也把90nm的市场提高到了65nm。. b5 A. ~% U% ]4 f2 X1 E
: _. c/ [: J% T' C  P$ u& g   
到了2010年以后，工艺进化到22nm，工艺要求越高越突出浸没式的优势，这成为ASML在工艺上比竞争对手优越的一个先决条件。根据摩尔定律，电子设备的性能每隔两年会翻一番，2017年EUV的出现突破了10nm的瓶颈，使摩尔定律能够延续下去。
$ o6 L) v9 n& S) q( M! K    ( [6 B0 @1 u$ H8 G/ ^
EUV的研发耗人力、耗资源、耗资金、耗技术，这些都离不开大客户的支持，比如三星、台积电、Intel都是ASML的大股东，ASML采取与客户同进退的模式。这样通过多年的研发，目前EUV可以做到7nm，甚至是5nm。EUV的使用可以使线更窄，也就是晶圆上单位面积布的线会更多，实现的功能也就更多，单位产生的效能更多，能耗也会降低。9 o- |# Z. x: D4 {

  i" E5 \/ V8 v2 Z5 A- N  P
5.目前EUV技术是否完全成熟？
   
EUV从2012年开始研究，到现在已基本成熟。2017年在光源上遇到了困难，设备需要又快又精准地打进金属粒子，并且粒子要均匀地溅射出去，速度达到每秒6000下是非常困难的，普通的DUV光源无法实现。目前这个技术已经完全攻克了。

6.ASML产能受限的原因？
) W0 K) t! k8 `6 J( U6 C! j2 V    1 b7 b4 {# u7 Q: U# e& {
主要是人力受限：光刻机的研发和生产非常消耗人力，尤其是EUV刚刚研发出来，对人力的消耗更大，目前都是调用的DUV的人员。
    7 h" ?# w* t2 X) U: B' O
个性化定制并不会太影响产能：公司会提供各种options供客户选择，在签订订单的时候就已经谈好客户的设备里面需要加怎样的option。并不是所有的option都非常复杂，只是在原有工艺的基础上稍作修改，这不是影响产能释放的决定性因素。6 h. [! a& {4 K- F5 ]6 r( z
  
7.其他厂商在EUV方面有无进展突破，他们的设备能达到多少制程？上海微电子光刻机的研发进展如何？
   
" `: [+ x0 }! L* e* R尼康和佳能一开始有先发优势，现在基本上只能达到42纳米，尼康在日本本土能达到28纳米。
    1 D) e' j" |( a1 s! j$ h. A: _# s) h
6 ^: a+ O$ y8 z3 @( i上海微电子两三个月前刚刚有一台中低端的光刻机在客户公司进场，但技术上来说只能做到8寸厂的工艺，并且在工艺的重复性以及光源上还相差甚远，暂时无法达标。
# H+ r: D" Q: V' a) n" R: \5 k0 J& D& R; e0 |
; O6 c1 x' j6 H" D8 o9 h& x( w( k+ R6 R: j5 K' j* W" k
8.目前中国客户购买的光刻机是什么样的制程工艺，客户类型什么？最近采购有没有明显的增加？
+ }5 n: f# e6 x) v) x8 ?, Y) e   
国家大力支持半导体行业的发展，客户以国企扶持或地方政府扶持居多。最近整体上看，福建晋华和合肥长鑫这两家的推进速度较快，但是紫光投资的长江存储速度偏慢。ASML光刻机的交付进入加速期，已经开建和计划开建的半导体厂很多都是比较先进的12寸厂，有很大需求量，而ＡＳＭＬ在１２英寸高端工艺上拥有绝对的垄断，所以装机量是在飞速发展的。* \$ k& I0 q( C
   
0 ^1 V* |5 M9 Q+ X/ ~; K0 S+ A9.目前12寸和8寸厂的热度如何，未来拉动12寸晶圆和8寸晶圆的主要驱动力？
$ s( |5 G% X; n% [9 F    0 g/ |7 T0 O+ F
" z0 v& Y" a% M# i) e; e目前中国在8寸设备上取得了一些进步，正在向12寸发展，但这条路还很长。发展的脚步受到区块链、AI、无人驾驶、消费电子等需求的拉动。比如说在手机芯片中加入AI的功能，芯片中布的线越多，能够实现的功能就越强大，人机互交的体验度就更好。这些都是下游需求拉动对晶圆的技术要求。
   
8寸晶圆和12寸晶圆的区别：8寸晶圆一般是65nm级别的技术，主要应用于较为低端的芯片装置，比如物联网、汽车电子、部分显卡等。对显卡消耗较大的区块链也一定程度上拉动了对8寸晶圆的需求。
    ( L3 O1 p$ S( C4 y+ |
* V8 [1 F9 V7 {# r; c12寸晶圆一般用于高端的逻辑芯片（CPU\GPU等）和存储芯片（DRAM\NAND等），终端下游为个人电脑、智能手机等。1 R9 S! ^' ^1 ^; e/ [
% }1 U! L" |0 {0 S! _) g3 y: v
% F+ k2 j) u: V( _4 s0 k/ H
0 M( g, o2 ]5 ~6 ~; j' T10.在光刻环节有没有国内目前能做的产品，比如耗材等？  D! Y6 o' }" C: \2 A
   
目前暂时没有。在晶圆上涂的最简单的材料——光刻胶现在也是台湾、日本等地区控制，首先他们资金量较大，能够在新建的晶圆厂周边配合建设光刻胶厂；其次在工艺上国内也无法做到。
  V' R/ c7 ?5 h4 a4 K% c- M- m   
, E0 M. a- F/ q+ D掩膜版像中芯国际等代工厂可以做，但是能够实现的功能比较简单；一般都是INTEL等公司自身产能不够的时候，提供掩膜版让代工厂照着上面设计好的图形进行光刻，这种掩膜版都是有专利版权的。
+ S( _& p7 z9 _8 b8 z  c