全球顶尖的光刻机几乎都来自荷兰,为什么不是美国或者日本?

嵌入式资讯精选 2020-04-25

现在微电子集成电路技术对世界的各种科技电子产品越来越应用广泛了,一个国家的发展越来越离不开高端芯片了,一个国家越是发展得越快对高端芯片需求量越大,比如我国的芯片需求占世界的50%以上,到现在我们的比较有名芯片设计商就是华为的麒麟了,但是依然跟国际水平还是有一定差距,在芯片制造流程中的高端光刻机更差得远一点。




说到芯片,估计大家都知道是什么玩意,但说到光刻机很多人可能就不知道是什么东西了,光刻机就是制造芯片的机器设备,没有光刻机芯片是没法生产出来的,所以光刻机对于芯片制造业到底有多重要大家都知道。

上海微电子装备公司总经理贺荣明去德国考察时,有工程师告诉他:“给你们全套图纸,也做不出来”贺荣明几年后理解了这句话。


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。


在能够制造机器的这几家公司中,尤其以荷兰(ASML)技术最为先进。价格也最为高昂。光刻机的技术门槛极高,堪称人类智慧集大成的产物


“十二五”科技成就展览上,上海微电子装备公司(SMEE)生产的中国最好的光刻机,与中国的大飞机、登月车并列。它的加工精度是90纳米,相当于2004年上市的奔腾四CPU的水准。国外已经做到了十几纳米。




光刻机技术哪家强?



光刻机是生产大规模集成电路的核心设备,是制造和维护光学和电子工业的基础。光刻机技术目前是世界上最尖端的技术之一,只有少量国家掌握,所以光刻机的价格是非常昂贵的,一台高端的光刻机甚至可以卖到6亿元左右(目前全球最贵的EUV光刻机单台售价已经超过6.3亿元),即便卖这么贵还供不应求,很多订单都需要排队生产,甚至有部分国家给再多的钱也买不到。


对于这么尖端的技术,按理来说那些芯片强国应该是光刻机的制造强国才对,但让大家感到意外的是,目前世界上最好的光刻机不是来自美国,韩国,英国、日本等这些芯片强国,而是来自荷兰。



目前在全球45纳米以下高端光刻机市场当中,荷兰ASML市场占有率达到80%以上,而且目前ASML是全球唯一能够达到7纳米精度光刻机的提供商,所以ASML才是全球芯片业真正的超级霸主一点都不过分。正因为得益于技术领先,目前ASML的市场份额也是很大的,目前全球知名芯片厂商包括英特尔、三星、台积电、SK海力士、联电、格芯、中芯国际、华虹宏力、华力微等等全球一线公司都是ASML的客户。


比如2018年全球光刻机出货量大概是600台左右,其中荷兰的ASML出货量就达到了224台,出货量占全球的比例达到30%以上。



ASML光刻机的工作原理



ASML光刻机的简易工作原理图


简单介绍一下图中各设备的作用:


测量台、曝光台:承载硅片的工作台,也就是双工作台。一般的光刻机需要先测量,再曝光,只需一个工作台,而ASML有个专利,有两个工作台,实现测量与曝光同时进行。而本次“光刻机双工件台系统样机研发”项目则是在技术上突破ASML对双工件台系统的技术垄断。


激光器:也就是光源,光刻机核心设备之一。


光束矫正器:矫正光束入射方向,让激光束尽量平行。


能量控制器:控制最终照射到硅片上的能量,曝光不足或过足都会严重影响成像质量。


光束形状设置:设置光束为圆型、环型等不同形状,不同的光束状态有不同的光学特性。


遮光器:在不需要曝光的时候,阻止光束照射到硅片。


能量探测器:检测光束最终入射能量是否符合曝光要求,并反馈给能量控制器进行调整。


掩模版:一块在内部刻着线路设计图的玻璃板,贵的要数十万美元。


掩膜台:承载掩模版运动的设备,运动控制精度是nm级的。


物镜:物镜由20多块镜片组成,主要作用是把掩膜版上的电路图按比例缩小,再被激光映射的硅片上,并且物镜还要补偿各种光学误差。技术难度就在于物镜的设计难度大,精度的要求高。


硅片:用硅晶制成的圆片。硅片有多种尺寸,尺寸越大,产率越高。题外话,由于硅片是圆的,所以需要在硅片上剪一个缺口来确认硅片的坐标系,根据缺口的形状不同分为两种,分别叫flat、notch。


内部封闭框架、减振器:将工作台与外部环境隔离,保持水平,减少外界振动干扰,并维持稳定的温度、压力。



为何荷兰能诞生全球最顶尖的光刻机厂商?



荷兰的光刻机技术强大主要靠ASML,ASML成立于1984年,由飞利浦与先进半导体材料国际(ASML)合资成立,总部位于荷兰的费尔德霍芬。1995年,ASML收购了菲利普持有的股份,称为完全独立的公司


目前全球只有一家企业在光刻机市场上占据了80%的份额,就是处于荷兰的ASML,旗下所研发的EUV光刻机曾售价高达1亿美元一台,而且还不一定有货。皆因每台光刻机的装配大约需要50000个零件左右。国际上著名的芯片制造商如Intel、台积电、三星都是它名下的股东。


阿斯麦公司ASML Holding NV创立于1984年,是从飞利浦独立出来的一个半导体设备制造商。前称ASM Lithography Holding N.V.,于2001年改为现用名,总部位于荷兰费尔德霍芬,全职雇员12,168人,是一家半导体设备设计、制造及销售公司。


接下来我们,走进ASML光刻机工厂

看看世界上最贵精密仪器出厂地

光刻机制造难度有多大?



而ASML之所以能够做到全球光刻机的霸主地位,我觉得主要有几下几个原因。

强大的研发投入


光刻机是一个高精尖的技术,其技术难度是全球公认的,如果没有持续强大的研发投入根本不可能到技术领先。ASML从成立至今,对于研发的投入都非常大,比如2019年ASML的销售额大概是21亿欧元,而研发费用支出就达到了4.8亿欧元,研发费用占营收的比例达到22.8%,这个比例是非常高的,正因为有大量资金的投入,所以ASML在关键技术领域一直处于领先地位。


从1991年PAS 5000光刻机面市取得巨大成功开始,再到2000-2001年具有双工作台、浸没式光刻技术的Twinscan XT、Twinscan NXT系列研制成功,到强大的研发投入让ASML的技术一直处于全球领先。





美国以及欧盟的支持

虽然ASML是一家荷兰公司,但他背后却有着欧盟以及美国的力量,多关键技术都由美国以及欧盟国家提供。比如德国先进的机械工艺以及世界级的蔡司镜头,再加上美国提供的光源,这就使得ASML公司在光科技术方面飞速发展,几乎到达了无人能敌的境地。


因为背后有美国的力量,所以ASML一直以来都禁止向中国出口高端光刻机,直到2018年这一情况才有所转机,2018年ASML同意向中国出口两台7纳米的高端光刻机,预计2019年交货。而ASML之所以一反常态同意向中国出口高端光刻机,一方面是因为中国在光刻机的一些关键技术上已经取得了突破,另一方面是中国访问团访问荷兰的时候,给荷兰带去了巨大的订单。

准确抓住了技术转折点

目前世界最顶尖的光刻机有三个厂家,分别是ASML,尼康和佳能。2007年之前这三大厂家其实并没有太大的差距,竞争的转折点是出现在2007年。2007年ASML配合台积电的技术方向,推出了193纳米的光源浸没式系统,在光学镜头和硅晶圆片导入液体作为介质,在原有光源与镜头的条件下,能显著提升蚀刻精度,并成为高端科技的主流技术方案。而当时日本的尼康与佳能却主推157纳米光源的干式光刻,这个路线后来被市场所放弃,也成为尼康跟佳能迈入衰退的一个转折点,后来才有了ASML的垄断。




技术分工与合作

虽然ASML的研发人员占员工总数的比例达到4成左右,但是ASML很多技术都是外包,这样可以让ASML专注于核心技术与客户需求,大大提高研发的效率。

对细分技术领域企业的控制

生产光刻机对技术的综合要求非常高,这里面涉及很多技术领域,为了获得全球最顶尖的技术,ASML先后投资了很多企业。比如2007年收购了美国的Bion,强化了专业光刻检测与解决方案能力;2013年完成对紫外光源龙头 Cymene的收购,2016年获得光学镜片龙头德国蔡司24.9%的股份,这两项投资进一步加强了ASML在极紫外光领域的领先优势。

PS:

EUV(极紫外光源)光刻机,是生产7nm制程芯片必不可少的设备,我们熟知的华为麒麟芯片、高通骁龙芯片,三星Exynos芯片的制造都离不开该设备。可以说没有EUV光刻机就生产不出顶级的处理器,如果台积电不给华为代工,华为就得退出中高端手机市场!


目前仅有由荷兰飞利浦公司发展而来的ASML(阿斯麦)一家可提供可供量产用的EUV光刻机,在全球市场处于绝对垄断地位。因此ASML对于EUV光刻机的供货重要性不言而喻,同时一台光刻机的价值不菲,超过一亿美元!



EUV光刻机制造难度极高,基本代表着人类科学技术,工业制造各领域最高成果。需要多个国家、多个领域顶级公司同力合作,才能制造出来,基本代表着人类科学技术的顶峰!EUV光刻机在研发初期耗费了大量的资源,三星、台积电、英特尔共同向ASML注资52.59亿欧元,用于支持EUV光刻机的研发。


随后ASML收购了全球领先的准分子激光器供应商Cymer,并以10亿欧元现金入股德国著名光学系统生产商卡尔蔡司,加速EUV光源和光学系统的研发进程,这两次并购也是EUV光刻机能研发成功的重要原因。EUV光学透镜、反射镜系统需要极高的精度。


举例来说,一台EUV机台得经过十几面反射镜,将光从光源一路导到晶圆,最后大概只剩下不到2%的光线。反射镜的制造难度非常大,精度以皮米计(万亿分之一米)。ASML的总裁曾说过,如果反射镜面积有德国那么大,最高的凸起不能超过1公分。



光刻机光刻过程必须在真空中实现,原因是极紫外光很娇贵,在空气中容易损耗。同时,在光刻过程中,设备的动作时间误差以皮秒计。(备注:皮秒=兆分之一秒)EUV除了售价高昂,技术复杂之外,耗电能力也十分恐怖。驱动一台能输出 250 瓦功率的 EUV的机台,需要输入0.125万千瓦的电力才能达到。


换句话来说,就是一台输出功率250W的EUV机器工作一天,将会消耗3万度电,这个数字确实吓人。由于极紫外光的固有特性,产生极紫外光的方式十分低效,世界第二大内存制造商、韩国的 SK 海力士代表曾表示,“EUV 的能源转换效率(wall plug efficiency)只有 0.02% 左右。”


来源: 机械教授


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