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光刻機是怎么運用在微流控領(lǐng)域的
2021-01-19
隨著AI芯片、5G芯片、汽車電子、物聯(lián)網(wǎng)等下游的興起,全球半導(dǎo)體行業(yè)重回景氣周期.SEMI預(yù)計全球?qū)⒂?020年前投產(chǎn)62座半導(dǎo)體晶圓廠,其中26座設(shè)于中國大陸(其中10座是12寸廠),中國大陸預(yù)計于2019年成為全球設(shè)備支出最高地區(qū),為國產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備的崛起提供了發(fā)展機會.
從設(shè)備需求端測算,2018-2020年國產(chǎn)晶圓制造設(shè)備市場空間增速分別為54%,78%和97%,2018-2020年累計市場空間達250億元,CAGR 為87%.
從興建晶圓廠投資端測算,2018-2020年國產(chǎn)晶圓制造設(shè)備市場空間增速分別為157%, 94%和31%, 2018-2020年累計市場空間387億元,CAGR 為59%.平均每年超百億的市場空間在機械行業(yè)中難得一見.
2016年全球半導(dǎo)體專用設(shè)備前十名制造商(美國應(yīng)用材料,荷蘭ASML等)的銷售規(guī)模達到了379億美元,市占率高達92%.而中國半導(dǎo)體設(shè)備前十名制造商的銷售額約7.3億美元,在收入規(guī)模上差距大.其根本原因還是來自技術(shù)上的差距.目前我國半導(dǎo)體設(shè)備自制率不足15%,且集中于晶圓制造的后道封測,前道工藝制程環(huán)節(jié)的關(guān)鍵設(shè)備如光刻機、刻蝕機、薄膜沉積等仍有待突破;且晶圓制造等設(shè)備在采購中面臨國外企業(yè)的技術(shù)封鎖,全面國產(chǎn)化是必然選擇.
光刻決定了半導(dǎo)體線路的精度,以及芯片功耗與性能,相關(guān)設(shè)備需要集成材料、光學(xué)、機電等領(lǐng)域最尖端的技術(shù),被譽為是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)皇冠上的明珠.單臺設(shè)備價格在2000萬美金以上,是中國半導(dǎo)體設(shè)備最需突破的環(huán)節(jié)之一.
是目前國內(nèi)唯一能做光刻機的企業(yè).ASML新出的EUV光刻機可用于試產(chǎn)7nm制程,價格超過1億歐元.而已量產(chǎn)的光刻機中,性能最好的是能用來加工90nm芯片的SSA600/20光刻機.由此可見,國產(chǎn)光刻機要突破壟斷還有很長的路需要走.要充分了解光刻機,你需要先看一下以下十個問題:
1.光刻機的運作機制
光刻設(shè)備是一種投影曝光系統(tǒng).在半導(dǎo)體制作過程中,光刻設(shè)備會投射光束,穿過印著圖案的掩模及光學(xué)鏡片,將線路圖曝光在帶有光刻膠的硅晶圓上;通過光刻膠與光的反應(yīng)來形成溝槽,然后再進行沉積、蝕刻、摻雜,架構(gòu)出不同材質(zhì)的線路.
其中掩膜版上面會有很多的布線,形成溝槽以后在里面會布很多的二極管、三極管等,來形成不同的功能.單位面積上布的線越多,能夠?qū)崿F(xiàn)的功能就越多,效能也越高,耗能越少.
2.一般一個晶圓廠需要幾臺光刻機?
并不是每個晶圓廠都必須配置光刻機,當(dāng)自身產(chǎn)能不是很大或者生產(chǎn)中耗能太高、產(chǎn)生環(huán)境污染的時候,這部分的需求可以轉(zhuǎn)移到晶圓代工廠去.美國現(xiàn)在的發(fā)展趨勢是,由于高耗能、有污染所以自己不生產(chǎn),把先前很多工廠轉(zhuǎn)移到了臺灣.臺灣由于地域限制,工廠主要集中在新竹,污染、能耗都很大,所以也想把設(shè)備轉(zhuǎn)移到大陸廠商,如中芯國際、臺積電南京等.
一個12寸廠每月的產(chǎn)能大約是8-9萬片,這已經(jīng)是很高的水平了,換算到光刻機的產(chǎn)能大約是每天3000片,實際中效率可能每小時110-120片.涂膠的速度是制約光刻機生產(chǎn)效率的核心因素,涂膠機目前主要被日本的DNS和TEL壟斷.
除了生產(chǎn)線以外,晶圓廠的研發(fā)部門也需要光刻機.
3.EUV和DUV的區(qū)別?
DUV是深紫外線(Deep Ultraviolet Lithography),EUV是極深紫外線(Extreme Ultraviolet Lithography).從制程范圍來看,DUV基本上只能做到25nm,Intel憑借雙工作臺的模式做到了10nm,但是卻無法達到10nm以下.只有EUV能滿足10nm以下的晶圓制造,并且還可以向5nm、3nm繼續(xù)延伸.
EUV的價格是1-3億美金/臺,DUV的價格為2000萬-5000萬美金/臺不等.
4.ASML如何一步步做到EUV?
在2002年,整個半導(dǎo)體行業(yè)需要193nm波長的光刻設(shè)備,而當(dāng)時ASML的制程可以達到90nm,這是采用了一種新型的、區(qū)別于Nikon、佳能的干式刻蝕鍍件的一種浸沒式鍍件,當(dāng)時這個技術(shù)使ASML優(yōu)于Nikon和佳能,同時也把90nm的市場提高到了65nm.
到了2010年以后,工藝進化到22nm,工藝要求越高越突出浸沒式的優(yōu)勢,這成為ASML在工藝上比競爭對手優(yōu)越的一個先決條件.根據(jù)摩爾定律,電子設(shè)備的性能每隔兩年會翻一番,2017年EUV的出現(xiàn)突破了10nm的瓶頸,使摩爾定律能夠延續(xù)下去.
EUV的研發(fā)耗人力、耗資源、耗資金、耗技術(shù),這些都離不開大客戶的支持,比如三星、臺積電、Intel都是ASML的大股東,ASML采取與客戶同進退的模式.這樣通過多年的研發(fā),目前EUV可以做到7nm,甚至是5nm.EUV的使用可以使線更窄,也就是晶圓上單位面積布的線會更多,實現(xiàn)的功能也就更多,單位產(chǎn)生的效能更多,能耗也會降低.
5.目前EUV技術(shù)是否完全成熟?
EUV從2012年開始研究,到現(xiàn)在已基本成熟.2017年在光源上遇到了困難,設(shè)備需要又快又精準(zhǔn)地打進金屬粒子,并且粒子要均勻地濺射出去,速度達到每秒6000下是非常困難的,普通的DUV光源無法實現(xiàn).目前這個技術(shù)已經(jīng)完全攻克了.
6.ASML產(chǎn)能受限的原因?
主要是人力受限:光刻機的研發(fā)和生產(chǎn)非常消耗人力,尤其是EUV剛剛研發(fā)出來,對人力的消耗更大,目前都是調(diào)用的DUV的人員.
個性化定制并不會太影響產(chǎn)能:公司會提供各種options供客戶選擇,在簽訂訂單的時候就已經(jīng)談好客戶的設(shè)備里面需要加怎樣的option.并不是所有的option都非常復(fù)雜,只是在原有工藝的基礎(chǔ)上稍作修改,這不是影響產(chǎn)能釋放的決定性因素.
7.其他廠商在EUV方面有無進展突破,他們的設(shè)備能達到多少制程?
尼康和佳能一開始有先發(fā)優(yōu)勢,現(xiàn)在基本上只能達到42納米,尼康在日本本土能達到28納米.
兩三個月前剛剛有一臺中低端的光刻機在客戶公司進場,但技術(shù)上來說只能做到8寸廠的工藝,并且在工藝的重復(fù)性以及光源上還相差甚遠,暫時無法達標(biāo).
8.目前中國客戶購買的光刻機是什么樣的制程工藝,客戶類型什么?最近采購有沒有明顯的增加?
國家大力支持半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展,客戶以國企扶持或地方政府扶持居多.最近整體上看,福建晉華和合肥長鑫這兩家的推進速度較快,但是紫光投資的長江存儲速度偏慢.ASML光刻機的交付進入加速期,已經(jīng)開建和計劃開建的半導(dǎo)體廠很多都是比較先進的12寸廠,有很大需求量,而ASML在12英寸高端工藝上擁有絕對的壟斷,所以裝機量是在飛速發(fā)展的.
9.目前12寸和8寸廠的熱度如何,未來拉動12寸晶圓和8寸晶圓的主要驅(qū)動力?
目前中國在8寸設(shè)備上取得了一些進步,正在向12寸發(fā)展,但這條路還很長.發(fā)展的腳步受到區(qū)塊鏈、AI、無人駕駛、消費電子等需求的拉動.比如說在手機芯片中加入AI的功能,芯片中布的線越多,能夠?qū)崿F(xiàn)的功能就越強大,人機互交的體驗度就更好.這些都是下游需求拉動對晶圓的技術(shù)要求.
8寸晶圓和12寸晶圓的區(qū)別:8寸晶圓一般是65nm級別的技術(shù),主要應(yīng)用于較為低端的芯片裝置,比如物聯(lián)網(wǎng)、汽車電子、部分顯卡等.對顯卡消耗較大的區(qū)塊鏈也一定程度上拉動了對8寸晶圓的需求.
12寸晶圓一般用于高端的邏輯芯片(CPU\GPU等)和存儲芯片(DRAM\NAND等),終端下游為個人電腦、智能手機等.
10.在光刻環(huán)節(jié)有沒有國內(nèi)目前能做的產(chǎn)品,比如耗材等?
目前暫時沒有.在晶圓上涂的最簡單的材料——光刻膠現(xiàn)在也是臺灣、日本等地區(qū)控制,首先他們資金量較大,能夠在新建的晶圓廠周邊配合建設(shè)光刻膠廠;其次在工藝上國內(nèi)也無法做到.
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