光刻機與刻蝕機達世界先進水平 為何還說中國晶片業依舊前路艱辛

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2018年底,中國集成電路行業有兩條好消息:一則是中微半導體設備(上海)有限公司自主研製的5納米等離子體刻蝕機經台積電驗證,性能優良,將用於全球首條5納米製程生產線。另一則是中科院國家重大科研裝備研製項目「超分辨光刻裝備研製」通過驗收,這是我國成功研製出的世界首台分辨力最高紫外超分辨光刻裝備。

這兩則消息出來了以後,讓整個媒體界瘋狂,類似「中國光刻機終於突破了歐美限制」、「中國集成電路最關鍵領域終於突破」、「重磅:晶片5納米刻蝕機重大突破 川普暈馬桶」、「國產光刻機 偉大突破,國產晶片白菜化在即」、「突破荷蘭技術封鎖,彎道超車」、「厲害了我的國,新式光刻機將打破「晶片荒」之類吸睛報導也頻見網絡。然而事實的真相是什麼,中國集成電路行業真的突然就前程似錦了嗎?

光刻機與刻蝕機是晶片製造最重要的設備

設備製造業是半導體產業的基礎,是完成晶圓製造、封裝測試環節和實現集成電路技術進步的關鍵。所需專用設備主要包括晶圓製造環節所需的光刻機、化學汽相澱積(CVD)設備、刻蝕機、離子注入機、表面處理設備等;封裝環節所需的切割減薄設備、度量缺陷檢測設備、鍵合封裝設備等;測試環節所需的測試機、分選機、探針台等;以及其他前端工序所需的擴散、氧化及清洗設備等。這些設備的製造需要綜合運用光學、物理、化學等科學技術,具有技術壁壘高、製造難度大、設備價值及研發投入高等特點。

光刻機與刻蝕機是晶片製造最重要的設備。光刻機的光源有:雷射,紫外光、深紫外光、極紫外光。現在最先進技術是極紫外光。在製造晶片時,首先在晶圓(矽晶片)表面塗光感膠,再用光線透過掩模版(相當於晶片電路圖紙的底片)照射矽片表面,被光線照射到的光感膠會發生反應。此後用特定溶劑洗去被照射或者未被照射的膠,電路圖就印到矽片上。此過程相當於木匠施工用墨斗放樣、劃線。

刻蝕機工藝操作圖

矽片上有了電路圖的圖樣後,就輪到刻蝕機登場,刻蝕機相當於木匠的鋸子、斧頭、鑿子、刨子。刻蝕機按圖施工,在矽片表面雕刻出電晶體和電路。這樣看起來似乎沒什麼難的,但是有一個形象的比喻,每一塊晶片上面的電路結構放大無數倍來看比整個北京都複雜,這就是這光刻和蝕刻的難度。

國產刻蝕機企業已進入國際第一梯隊

在半導體產業價值鏈中,光刻機作為產業的核心,占了半導體設備投資較大的份額,其中荷蘭ASML公司憑藉領先的技術和優秀的產品,在45納米以下製程的高端光刻機市場中占據大部分以上的市場份額,而在EUV光刻機領域目前處於壟斷地位,市占率為100%(業內獨家)。刻蝕設備行業集中度較高,拉姆研究占據刻蝕機市場份額半壁江山。

目前我國光刻機和刻蝕機的發展很尷尬,屬於嚴重偏科的情況。在刻蝕機方面,中微半導體、北方華創等一批優秀的本土設備製造商正在奮起直追,有望逐步實現進口替代。據中國電子專用設備工業協會資料,本土刻蝕設備企業中,上海中微半導體及北方華創等業內少數專用設備製造商通過多年的研發和積累,已掌握了相關核心技術,擁有自主智慧財產權,具備一定規模和品牌知名度,占據了一定市場份額。在02專項和大基金的扶持下已在技術上取得了一系列突破,多種設備研製成功。國產刻蝕設備製造企業憑藉著地理、服務、價格等優勢有望速度崛起,或將實現對國外領先公司的技術和業務的彎道追趕。

2017年中微半導體研製的7nm等離子刻蝕機已在國際一流的集成電路生產線上量產使用,達到了國際先進水平,目前介質刻蝕機已得到了國內外一流晶片製造企業的認可。2018年底,台積電對外宣布,將在2019年第二季度進行5nm製程風險試產,預計2020年量產。中微半導體自主研發的5nm等離子體刻蝕機經台積電驗證,性能優良,將用於全球首條5nm製程生產線。值得一提的是,中微半導體也是唯一進入台積電7nm製程蝕刻設備的大陸本土設備商。中微與泛林、應用材料、東京電子、日立4家美日企業一起,組成了刻蝕機國際第一梯隊。

高端光刻機國產化之路依舊任重道遠

而在光刻機方面,不管是上海微電子的90納米光刻機,還是無錫影速200納米光刻機,與世界最先進ASML的7 納米製程都相去甚遠。下一步,隨著長春光機所的極紫外光技術的突破,有望衝擊22-32納米的技術。雖然和7納米還有很大差距,但如果能實現,進步也是驚人的。如果能做出量產型,就是世界第二的水平了。

看到這可能大家會有疑問,文章開頭不是提到「中科院國家重大科研裝備研製項目「超分辨光刻裝備研製」通過驗收,這是我國成功研製出的世界首台分辨力最高紫外超分辨光刻裝備。」這不就說明國產光刻機達到世界先進水平了嗎?

其實中科院研製的這種光刻機不能(像一些網媒說的)用來光刻CPU。它的意義是用便宜光源實現較高的解析度,用於一些特殊製造場景,很經濟。

光刻機不僅可以用來製造晶片。一張平面(不論矽片還是什麼材料)想刻出繁複的圖案,都可以用光刻——就像照相,圖像投在感光底片上,蝕掉一部分。半個多世紀前,美國人用這個原理「印刷」電路,從而有了大規模集成電路——晶片。

為了節能和省矽料,晶片越做越小,逼得光刻機越做越極端。線條細到一定程度,投影就模糊了。要清晰投影,線條粗細不能低於光波長的一半。頂尖光刻機用波長13.5納米的極紫外光源,好刻10納米以下的線條。

但穩定的、大功率的極紫外光源很難造,一個得3000萬元人民幣。要求工作環境嚴苛,配合的光學和機械部件又極端精密,所以荷蘭的ASML公司獨家壟斷極紫外光刻機,創造了「一台賣一億美金」的神話。

十幾年前,國際上開始對表面等離子體(Surface plasma,SP)光刻法感興趣。中科院光電所從2003年開始研究,是較早出成果的一個團隊。所謂SP,光電所的科學家楊勇是這樣解釋:拿一塊金屬片和非金屬片親密接觸,介面上有一些亂蹦的電子;光投影在金屬上,這些電子就有序地震盪,產生波長几十納米的電磁波,可用來光刻。但這種電磁波很弱,所以光刻膠得湊近了,才能刻出來。且加工精度與ASML的光刻機沒法比。刻幾十納米級的晶片是沒法用SP光刻機的,至少以現在的技術不能

SP光刻的主要缺點就是聚焦的面積非常小,屬於接觸式光刻,一點點的defect缺陷就會造成成像品質的問題,因為是直寫式光刻,所以生產效率很低,只能作為E beam光刻的競爭對手,適用於特殊應用,類似的應用範圍是光纖領域,5G天線,或者是用於科研領域的單光子探測器。這對於實驗室科研,軍工,有一定的意義,可以一定程度上替代現在的e beam光刻。

總之,中科院的22納米解析度光刻機跟ASML壟斷的光刻機不是一回事,說前者彎道超車,就好像說中國出了個競走名將要超越短跑飛人博爾特一樣。

一篇正常的科技報導經過一些網媒添枝加葉,搞到離譜。有些傳播者為吸引眼球、賺錢,最愛製造「自嗨文」和「嚇尿體」「川普哭暈體」。聽到國產科技成就先往大里吹,驢吹成馬,馬吹成駱駝,好賣個駱駝價。這種「科技報導」是滿足虛榮心的偽新聞,行家一看就會眉頭一緊,避之大吉,練就火眼金睛的網友也會對此嗤之以鼻。

拋開科技偽新聞的話題回到晶片本身。當前中國集成電路產業處於「前有追趕目標,後無潛在對手」的國際格局中,「全球最大半導體消費市場」的地位是中國「後發優勢」的重要基礎之一。國內設備企業機遇與挑戰並存,最「壞」的時代亦是最好的時代。國產化須符合最樸素商業邏輯,即技術或配套實力優於進口,這樣才會有持續需求,光靠補貼和支持難以誕生優質企業。因此,本土設備企業也面臨最「壞」的時代,因為唯有技術準備充分的企業才能勝出。然而在晶片需求持續上升、國產化投資加快、國家戰略支持的大背景下,中國大陸本土半導體製造企業的崛起有望帶動一批本土優秀企業共同成長,國產設備有望藉助大陸晶圓產線的密集投資而實現滲透率提升,迎來最好的時代。



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