中国光刻机距离顶尖水平还有较大差距,那么同样关键的蚀刻机处在什么地位?
光刻机和蚀刻机是什么?
光刻机与蚀刻机是生产芯片的两大重要机子,可以说一个是魂,另外一个是魄。至于说这两个机子的具体功能是什么呢?
最简单的解释就是:光刻机把电路图投影到覆盖有光刻胶的硅片上面,刻蚀机再把刚才画了电路图的硅片上的多余电路图腐蚀掉。这样看起来似乎没什么难的,但是有一个形象的比喻,每一块芯片上面的电路结构放大无数倍来看比整个北京的线路图都复杂,这就是这光刻和蚀刻的难度。这两者的加工精度是头发丝直径的几千分之一到上万分之一。以16nm的CPU来说,加工尺度为普通人头发丝的五千分之一,加工的精度和重复性要达到五万分之一,更不用说更先进的10nm及7nm的CPU了。
我国目前生产光刻机最为先进的企业为上海微电子装备(集团)股份有限公司,这是一家有着国资背景的企业(前两大股东均为国有企业),成立于2002年,至今已有17年的历史,实现了我国光刻机从无到有的地步。
光刻机从出现到现在一共历经了五代的发展,现在世界上最新进的光刻机生产企业为荷兰的ASML(阿斯麦),已经可以做到第五代EVU的7nm制程的量产,上海微电子虽然发展速度很快,但是目前只做到了光刻机第四代ArF的90nm制程,且尚无法量产。按量产能力来说差了近两个年代,按照研发能力来说,差了一个年代。所以我国的光刻机水平距离世界领先水平还是有较大的差距的。
国内生产刻蚀机水平最高的企业为中微半导体设备(上海)有限公司(这家同样是有国资背景的企业,前两大股东也是国有企业,所以有人说我国光刻机没发展起来是因为国企的原因,这是不对的,中微半导体也可以说是国企,但是刻蚀机的技术水平是世界领先水平的)。
中微的发展离不开尹志尧为代表的几十位海归技术专家。根据央视财经2017年的报导,尹志尧曾经担任应用材料的公司副总裁(应用材料是半导体设备厂商龙头老大),参与领导几代等离子体刻蚀设备的开发,在美国工作时就持有86项专利。
2004年的时候尹志尧和他的团队决定回国,不再给外国人做嫁衣,在回国之际,所有技术专家承诺不会把美国公司的技术,包括设计图纸、工艺过程带回国内,美国方面也对归国人员持有的600多万个文件和所有个人电脑做了彻底清查。
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在光刻机上,国外的技术掐住了我们的咽喉;美国更是联合一部分国家制定了《瓦森纳协定》,严禁向中国出售最新的几代设备。而目前在光刻机市场,占据80%的ASML,自然也遵守着《瓦森纳协定》,特别是ASML已经成为全球唯一一家能向客户供应最先进EUV光刻机的设备商,让我们在光刻机上备受掣肘!
如果说光刻机严重的制约了我国半导体的发展的话,那么蚀刻机方面,我们的压力可能就没有那么大了。我们知道,光刻机是把电路图投影到覆盖有光刻胶的硅片上面;而刻蚀机再把刚才画了电路图的硅片上的多余电路图腐蚀掉。所以,两样设备是相辅相成的,缺一不可。
如果说,光刻的过程是硅圆表面涂上一层光刻胶,通过紫外光透过掩膜照射到硅圆表面,我们发现,在被照射的部分腐蚀之后,形成了我们需要的电路。而
而蚀刻就需要通过将已经光刻好的晶圆,切除掉多余的部分,剩下电路结构。其实,我国在光刻机上虽然表现不佳,但是在蚀刻机上,却表现相对优异了。比如,我们知道的中微半导体。在央视的《大国重器》中,就对它进行了介绍。
中微半导体于2004年由尹志尧博士代领的海归人才创办,它推出的7nm、10nm芯片介质刻蚀设备已经打入台积电的量产线,占据中芯国际50%以上的新增***购额。
2018年12月份,中微半导体成功攻克下5nm蚀刻机,并且通过了台积电的技术认证,可用于实际生产,可以说我们在蚀刻机上,又再一次获得了成功。
我们也要看到,虽然我们在蚀刻机上的成绩突破了国际的技术封锁,在光刻机上这个问题没有那么简单。因为目前仅仅是完成了5nm蚀刻机的自主研发,但是还差一个很重的设备,也就是光刻机上,目前的上海微电子等企业和ASML还是有很大的距离,ASML已实现7 nm EUV光刻先进工艺,而上海微电子由于起步较晚且技术积累薄弱,目前技术节点为90 nm,且多以激光成像技术为主。
因此,我们在看到蚀刻机的优势情况下,也应该提升光刻机的水平,在未来这种局势也会被改变,我们相信在我国的坚持下,和蚀刻机一样,一定会带来不一样的成绩!
***院发布的相关数据显示2019年我国芯片自给率仅为30%,高端芯片严重依赖进口,芯片进口金额为3040亿美元,远超排名第二的原油进口额,在2025年我国芯片自给率要达到70%。
随着中美贸易战的加剧,美对华为芯片实施的制裁和打压,不仅仅是华为急需解决“卡脖子”的问题,更充分的突显了高端芯片的制造是我国非常破解需要突破的关口。
全球能够生产高端芯片的EUV极紫外光刻机只有荷兰的阿斯麦(ASML)能够生产,ASML从19***年至今就被美国从资本和技术方面循序渐进地进行渗透,并逐步地掌握了阿斯麦的EUV光刻机的产能和发展方向,这就是我国无法买到EUV光刻机的原因。
这就造成了已经进入全球芯片设计也前10位的华为海思、紫光展锐直面芯片产业最为薄弱的领域,高端芯片制造缺失。目前我国量产的仍然是90nm以下的中低端光刻机,14nm仍然不能进行大规模的量产,而台积电、三星已经演化到了最新一代的5nm工艺制程,稳步推进4nm、3nm。
芯片前道工艺包括了光刻机、刻蚀机、镀膜设备、量测设备、清洗机、离子注入机以及其他设备,光刻机的作用主要是将掩膜版上的芯片电路转移到硅片上,而刻蚀机要在光刻之后才闪亮登场,主要就是按照光刻机标注好的线去做基础性的建设,把不需要的地方给清理掉,只留下光刻过程中标注好的线路。
这么多答案里面,真正比较专业和客观的答案几乎没有,芯片科普之路还有很长。
先讲我的看法,那就是蚀刻设备方面已经是我们国家在半导体生产设备方面和国外差距最小的领域了,但是想要进入全球前3还有比较大的挑战,而蚀刻设备前3的公司垄断超过全球90%的市场份额!
作为半导体生产的核心设备之一,蚀刻设备在芯片生产中用到的地方极多,在整个半导体生产设备中份额处于第三名(前两名是淀积和光刻)。
这个领域也是目前中国唯一有接近世界先进水平的设备公司,那就是中微半导体(AMEC)。
但是,这仅仅说明中微半导体可以有机会和世界领先的半导体蚀刻设备供应商可以同台竞技,要超越这些前辈,中微需要走的路还很长。
下面我们来看看中微在蚀刻设备领域的竞争对手有多强:
1. 拉姆研究(Lam Research)是蚀刻设备领域的绝对王者,拥有超过50%的市场份额,以目前Lam的发展状况和技术水平,在接下来的10年内,无人可以撼动其领导地位。
2. 东京电子 (Tokyo Electron) 在蚀刻设备方面拥有超过25%的市场份额,而且正在朝30%的目标奋进。
3. 应用材料 (Applied Materials) 目前大概占据了15%以上的市场份额,不过应用材料的份额还在不断被前两家所侵占
中微半导体想要在接下来10年内杀进蚀刻设备领域的全球前三名,只有一条路---干掉老东家应用材料。
青出于蓝而胜于蓝,中微半导体是不是可以在10年内把应用材料拉下马,我们可以拭目以待。
另外蚀刻设备技术指标不是用5nm,7nm工艺来评价的,而是宽高比(aspect ratio),一致性(一个晶圆有万亿级的蚀刻目标)和效率,当然新一代的工艺技术指标会有一些相关性。
大家不要被国内一些媒体忽悠说中微半导体拥有的5nm蚀刻技术让对手胆寒什么的,和实际真相差别太大了。
希望能让更多人了解芯片方面的一些基础常识,欢迎大家关注。
我国的光刻机处于低端水平,刻蚀机水平位于世界前沿,下文具体说一说。
我国光刻机的最高水平是上海微电子的90nm制程,世界顶尖的光刻机是ASML的7nm EUV光刻机,ASM已经开始研制5nm制程的光刻机。相对来说,我国在光刻机制造领域与国际先进水平有很大的差距,高端光刻机全部依赖进口,我国的中芯国际今年将会引进ASML最新的7nm制程的EUV光刻机,一定程度上减小了与台积电、三星的差距。
我国的刻蚀机技术领先,中微半导体的介质刻蚀机、硅通孔刻蚀机位于全球前三,中微半导体的介质刻蚀机赢进入台积电7nm、10nm的生产线,中微半导体的刻蚀机制造工艺达到了5nm,已经通过了台积电的验证。,我国大陆晶圆代工厂中芯国际50%以上的刻蚀机***用了中微半导体。
提到中微半导体,不得不说尹志尧博士,尹志尧在美国硅谷从事半导体行业20多年,在世界最大的半导体企业担任副总裁。2004年时,60岁的尹志尧放弃美国百万年薪,带领三十人的团队,回国创办了中微半导体,在芯片制造设备领域与巨头直接竞争。
刻蚀机是芯片制造设备中重要性仅次于光刻机的第二重要设备,光刻机相当于画匠,刻蚀机相当于雕工。