本文共分六個(gè)部分:
一、序言
三、光刻機(jī)“寡頭”市場
四、巨人 ASML 成長分析
1、發(fā)展歷程
2、上市、資金與并購、技術(shù)
3、不斷投入研發(fā),適時(shí)更新產(chǎn)品
5、主動(dòng)出擊,全力拓展新興市場,擴(kuò)大發(fā)展空間
五、國產(chǎn)光刻機(jī)的發(fā)展
1、歷史
2、現(xiàn)狀
3、重大突破
以下正文
一、引言
ASML 脫胎于飛利浦光刻設(shè)備研發(fā)小組。飛利浦從 1971 年開始,在此前開發(fā)的透鏡式顯影裝備基礎(chǔ)上,開發(fā)透鏡式非接觸光刻設(shè)備。雖然在 1973 年成功推出新型光刻設(shè)備,在整體性能研發(fā)方面取得一定成功,但由于成本高昂,且存在一系列技術(shù)問題,很難對外推廣。同時(shí),其他設(shè)備商在解決接觸式光刻機(jī)的缺陷問題上用不同的技術(shù)路徑取得了突破。于是,飛利浦計(jì)劃要關(guān)停光刻設(shè)備研發(fā)小組。
這時(shí) ASMI 找上門來要求合作開發(fā)生產(chǎn)光刻機(jī)。ASMI 是什么來頭呢?這里有必要介紹一下。ASMI(Advanced Semiconductor MaterialsInternational)是由 Arthur del Prado 在 1964 年創(chuàng)辦,初時(shí)是一家
半導(dǎo)體設(shè)備代理商。Arthur del Prado 非常富有戰(zhàn)略眼光且專注半導(dǎo)體,很快在半導(dǎo)體業(yè)界風(fēng)生水起,并于 1971 年公司開始轉(zhuǎn)型進(jìn)入
封裝設(shè)備生產(chǎn),慢慢擴(kuò)大到前道設(shè)備,1976 年公司的 PECVD 進(jìn)入市場,奠定 ASMI 作為原始設(shè)備生產(chǎn)商的地位。1981 年公司成功上市。
ASMI 興沖沖而來,沒想到熱臉貼冷屁股。飛利浦已經(jīng)心灰意冷了,但耐不住的 Arthur del Prado 的軟磨硬泡,于是同意與 Advanced Semiconductor Materials B.V. 合作,在 1984 年 4 月成立 Advanced Semiconductor Material Lithography Holding N.V.。
ASML 當(dāng)時(shí)面臨三大問題,一個(gè)是技術(shù)落后,飛利浦公司先前研發(fā)的技術(shù)在漫長的等待中已經(jīng)過時(shí),遠(yuǎn)不能滿足客戶要求;二是市場已經(jīng)飽和,競爭非常激烈,強(qiáng)手如林,日本的 Nikon、Canon、Hitachi,美國的 GCA、SVG、Ultratch、ASET、Perkin-Elmer、Eaton,民主德國的 Zeiss 等相繼推出了自己的光刻機(jī)產(chǎn)品;三是資金嚴(yán)重匱乏。
據(jù)說當(dāng)時(shí)員工都對 ASML 的未來沒有信心?,F(xiàn)在 ASML 公司官方網(wǎng)站里的“Our History”里,都用了“inauspiciously”這個(gè)詞描寫當(dāng)時(shí)的情況。
是什么原因讓 ASML 殺出重圍,并成長為光刻機(jī)領(lǐng)域的絕對龍頭,全球市占率達(dá)到近 70%,壟斷高端
EUV 光刻機(jī)市場。
觀其成長之路,可謂一段產(chǎn)業(yè)傳奇。成立之初,由于技術(shù)落后和資金不足,加上產(chǎn)業(yè)周期性衰退,幾乎陷入破產(chǎn)境界;1995 年上市,充裕的資金讓公司發(fā)展提速;2000 年推出 TWINSCAN 雙工件臺(tái)光刻機(jī),一舉奠定霸主地位;進(jìn)入 EUV 時(shí)代,得到大客戶支持,更是一騎絕塵??梢哉f ASML 的龍頭之路既與產(chǎn)業(yè)大環(huán)境密切相關(guān),也是其自身重視研發(fā),對研究創(chuàng)新始終采取開放態(tài)度的必然結(jié)果。
二、光刻機(jī)技術(shù)發(fā)展及未來趨勢
在說 ASML 的故事前,還是先說說光刻機(jī)的發(fā)展情況。
光刻機(jī)是
集成電路制造中最精密復(fù)雜、難度最高、價(jià)格最昂貴的設(shè)備,用于在
芯片制造過程中的掩膜圖形到硅襯底圖形之間的轉(zhuǎn)移。(上刻出
晶體管器件的結(jié)構(gòu)和晶體管之間的連接通路。)
集成電路在制作過程中經(jīng)歷材料制備、掩膜、光刻、刻蝕、清洗、摻雜、機(jī)械研磨等多個(gè)工序,其中以光刻工序最為關(guān)鍵,因?yàn)樗钦麄€(gè)
集成電路產(chǎn)業(yè)制造工藝先進(jìn)程度的重要指標(biāo)。
光刻機(jī)的發(fā)展經(jīng)過了一個(gè)漫長的過程,1960 年代的接觸式光刻機(jī)、接近式光刻機(jī),到 1970 年代的投影式光刻機(jī),1980 年代的步進(jìn)式光刻機(jī),到步進(jìn)式掃描光刻機(jī),到浸入式光刻機(jī)和現(xiàn)在的 EUV 光刻機(jī),設(shè)備性能不斷提高,推動(dòng)集成電路按照
摩爾定律往前發(fā)展。
曝光光源方面,從 1960 年代初到 1980 年代中期,汞燈已用于光刻,其光譜線分別為 436nm(g 線)、405nm(h 線)和 365nm(i 線 )。然而,隨著半導(dǎo)體行業(yè)對更高分辨率(集成度更高和速度更快的芯片)和更高產(chǎn)量(更低成本)的需求,基于汞燈光源的光刻工具已不再能夠滿足半導(dǎo)體業(yè)界的高端要求。
1982 年,IBM 的 Kanti Jain 開創(chuàng)性的提出了“excimer laser lithography(準(zhǔn)分子激光光刻)”,并進(jìn)行了演示,現(xiàn)在準(zhǔn)分子激光光刻機(jī)器(步進(jìn)和掃描儀)在全球集成電路生產(chǎn)中得到廣泛使用。在過去的 30 年中,準(zhǔn)分子激光
光刻技術(shù)一直是摩爾定律持續(xù)推進(jìn)的關(guān)鍵因素。使得芯片制造中的最小特征尺寸從 1990 年的 500nm 推進(jìn)至 2016 年 10nm,
臺(tái)積電和三星都宣稱 2018 年要量產(chǎn) 7nm 產(chǎn)品。
光刻系統(tǒng)中常用的 DUV 準(zhǔn)分子
激光器是 248nm 波長的 KrF 和 193nm 波長的 ArF。1980 年代準(zhǔn)分子
激光光源的主要制造商是 Lambda Physik(后并入 Coherent, Inc.)和 Lumonics。自 1990 年代中期以來,Cymer 公司(原 ASML 合作伙伴,2013 年并入 ASML)和 Gigaphoton Inc.(尼康光刻機(jī)的光源合作伙伴)已成為光刻設(shè)備制造商的準(zhǔn)分子激光光源的主要供應(yīng)商。
使用 193nm ArF 光源的干法光刻,其工藝節(jié)點(diǎn)可達(dá) 45/40nm,進(jìn)一步采用浸液式光刻、配合比較激進(jìn)的可制造性設(shè)計(jì)(DfM)等技術(shù)后,可達(dá) 28nm;而要進(jìn)到更高端制程時(shí),就必須采用輔助的多重曝光(Multiple Patterning,MP)。然而使用多重曝光會(huì)帶來兩大問題:一是光刻加掩膜的成本上升,而且影響
良率,多一次工藝步驟就是多一次良率的降低;二是工藝的循環(huán)周期延長,多重曝光不但增加曝光次數(shù),而且增加刻蝕(ETCH)和機(jī)械研磨(CMP)工藝次數(shù),也就是把光刻的步驟分了點(diǎn)給 ETCH 和 CMP。對于使用浸液式光刻+多重圖形曝光的 193nm ArF 光刻機(jī)可以將工藝縮小到 10nm。
而 EUV 作為下一代技術(shù)的代表,不需要多重曝光,一次就能曝出想要的精細(xì)圖形,沒有超純水和
晶圓接觸,在產(chǎn)品生產(chǎn)周期、
OPC 的復(fù)雜程度、工藝控制、良率等方面的優(yōu)勢明顯。但是也需要繼續(xù)優(yōu)化。特別是 EUV 的曝光方式,降低 EUV 掩膜版的缺陷,以及晶圓產(chǎn)率方面還有很大發(fā)大空間。目前市場有多款 EUV 機(jī)型并開始出貨,劍指 7nm、5nm。
雖然 EUV 光刻機(jī)已經(jīng)開始出貨,但由于其成本昂貴且交期長,一般的公司可能暫時(shí)用不上甚至也買不到機(jī)臺(tái),所以現(xiàn)在光刻機(jī)市場主要以 193nm ArF 光刻機(jī)為主。
如果工藝制程繼續(xù)延伸到 1nm 或以下,如果 EUV 單次曝光已經(jīng)無法滿足今后工藝要求的話,會(huì)不會(huì)出現(xiàn) EUV+多重曝光呢?
電子束直寫技術(shù)還有可能重出江湖嗎?雖然它曝光一片晶圓的時(shí)間有點(diǎn)恐怖。
目前光刻技術(shù)的發(fā)展方向主要表現(xiàn)為縮短曝光光源波長、提高數(shù)值孔徑(NA)和改進(jìn)曝光方式。但不管技術(shù)如何發(fā)展,產(chǎn)率肯定是要考量的。
三、光刻機(jī)“寡頭”市場
隨著時(shí)間的推移,工藝技術(shù)的進(jìn)步,Hitachi、GCA、SVG、Ultratch、ASET、Perkin-Elmer、Eaton、Zeiss 等,有的已經(jīng)退出光刻機(jī)市場,有的被收購,有的轉(zhuǎn)戰(zhàn)
先進(jìn)封裝用光刻機(jī)市場。
目前全球半導(dǎo)體前道用光刻機(jī)的生產(chǎn)廠商有 4 家,分別是 ASML、Nikon、Canon 和上海微電子(SMEE),其中尤其以 ASML 為佳,一家獨(dú)占 7 成的市場。
2017 年全球
晶圓制造用光刻機(jī)臺(tái)出貨不足 300 臺(tái),其中 ASML 共就出貨 198 臺(tái),占全球近 7 成的市場。其中 EUV 光刻機(jī) 11 臺(tái),ArFi 光刻機(jī) 76 臺(tái),ArF 光刻機(jī) 14 臺(tái),KrF 光刻機(jī) 71 臺(tái),i-line 光刻機(jī) 26 臺(tái)。2017 年單臺(tái) EUV 機(jī)臺(tái)平均售價(jià)超過 1 億歐元,2018 年一季度的售價(jià)更是接近 1.2 億歐元,而且是有價(jià)無貨。
2017 年 Nikon 出貨 26 臺(tái)光刻機(jī),占有率不足 10%,其中 ArFi 光刻機(jī) 6 臺(tái),ArF 光刻機(jī) 8 臺(tái),KrF 光刻機(jī) 2 臺(tái),i-line 光刻機(jī) 10 臺(tái)。(筆者注:從 1980 年代,Nikon 就開始進(jìn)入
半導(dǎo)體制造領(lǐng)域,在近 40 年的光刻機(jī)研究與開發(fā)中,已向世界各國或地區(qū)銷售了各種光刻機(jī)超過 9000 多臺(tái),曾創(chuàng)下年銷量 900 臺(tái)的紀(jì)錄,不過自 2008 年和 2009 年丟失中國臺(tái)灣、韓國市場,公司開始一蹶不振,出貨量急速下滑。)
2017 年 Canon 出貨 70 臺(tái),占比 24%,且集中在低端產(chǎn)品,其中 KrF 光刻機(jī) 20 臺(tái),i-line 光刻機(jī) 50 臺(tái)。(筆者注:從 1970 年代,Canon 公司就涉足半導(dǎo)體制造設(shè)備領(lǐng)域, 憑借世界領(lǐng)先的光學(xué)及精密機(jī)械生產(chǎn)技術(shù),從研制 2:1 縮小投影和接觸接近式光刻設(shè)備起步,先后向世界市場投放了 PLA 系列步進(jìn)式、MPA 系列等倍掃描式、投影式和 FPA 系列步進(jìn)縮小投影式、掃描式三大系列的光學(xué)光刻設(shè)備約 10000 臺(tái),由于公司在技術(shù)上的決策失誤,從 2008 年逐步退出半導(dǎo)體用光刻機(jī)市場。)
從上圖可以看出,2011 年開始,ASML 按銷售金額(不含服務(wù)費(fèi)入)計(jì)算,就一直占有全球 6 成以上的市場。而 Nikon 盡管在機(jī)臺(tái)出貨數(shù)量上不如 Canon,但是由于 Canon 的出貨機(jī)臺(tái)都是低端的光刻機(jī)臺(tái),所以 Nikon 的年度銷售收入相比 Canon 要高。
2017 年全球光刻機(jī)總出貨 294 臺(tái),ASML 出貨 198 臺(tái),占有 68%的市場份額。EUV 光刻機(jī)方面,ASML 占有率 100%。在 ArFi 機(jī)臺(tái)方面,全球銷售 82 臺(tái),ASML 以 76 臺(tái),占有率超過 92%。ArF 機(jī)臺(tái)方面,全球銷售 22 臺(tái),ASML 占比 64%。也就是說,在高端光刻機(jī)方面,ASML 占有 88%的市場。
2011-2017 年全球光刻機(jī)總出貨 1920 臺(tái),ASML 出貨 1209 臺(tái),占有 63%的市場份額。EUV 光刻機(jī)方面,ASML 占有率 100%。在 ArFi 機(jī)臺(tái)方面,全球銷售 612 臺(tái),ASML 以 539 臺(tái),占有率超過 88%。ArF 機(jī)臺(tái)方面,全球銷售 95 臺(tái),ASML 占比 52%。也就是說,在高端光刻機(jī)方面,ASML 占有 84%的市場。
目前全球知名廠商都是 ASML 的客戶,
英特爾、三星、臺(tái)積電都在全力支持 ASML 在 EUV 光刻機(jī)方面的研發(fā)。Nikon 在 EUV 機(jī)臺(tái)方面只在 2008 年第 4 季出貨一臺(tái),再也沒有任何消息。而 Canon 從 2010 年開始就完全退出了 ArF 領(lǐng)域,只保有低端機(jī)出貨,轉(zhuǎn)而發(fā)力
OLED 光刻機(jī)市場。
四、巨人 ASML 成長記分析
1、發(fā)展歷程
1984 年飛利浦與 ASMI 合資成立 Advanced Semiconductor Material Lithography Holding N.V.(先進(jìn)
半導(dǎo)體材料光刻控股有限公司);
1984 年推出首款產(chǎn)品:PAS2000,采用油壓驅(qū)動(dòng),技術(shù)落后同行;
1986 年推出首臺(tái)步進(jìn)式設(shè)備 PAS2500/10,并和鏡頭制造商 Carl Zeiss 建立密切合作關(guān)系;
1989 年推出 PAS5000 系統(tǒng);
1991 年推出 PAS5500 系統(tǒng),這是公司的重大技術(shù)突破;
1995 年 3 月在
NASDAQ 與阿姆斯特丹交易所上市;
1999 年 6 月收購 MicroUnity Systems Engineering Inc. 業(yè)務(wù)部門 MaskTools,使得公司在先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)方面可以提供最完整的解決方案,改善了公司光刻機(jī)的掃描和成像能力,顯著增加了聚集深度,擴(kuò)大了光刻窗口,提高了芯片產(chǎn)量;
2000 年 8 月首臺(tái) TWINSCAN 系統(tǒng)光刻機(jī)出貨,以獲得最大生產(chǎn)力;
2000 年 12 月獲得日本首個(gè)訂單:PAS 5500/750E DUV 和 PAS 5500/400C i-line;
2001 年 5 月完成對 Silicon Valley Group, Inc.(SVG)的收購,獲得了投影掩罩瞄準(zhǔn)技術(shù)、掃描技術(shù),極大的提升了公司產(chǎn)品的技術(shù),并在美國擁有了研發(fā)生產(chǎn)基地;
2001 年 6 月由 ASM Lithography Holding N.V. 更名為 ASML Holding N.V. ;
2007 年 3 月 8 日完成收購光刻解決方案提供商 Brion Technologies,Brion 的計(jì)算光刻技術(shù)(設(shè)計(jì)驗(yàn)證,分辨率增強(qiáng)技術(shù) RET 以及光學(xué)鄰近效應(yīng)修正 OPC)能使半導(dǎo)體制造商得以對制作出的集成
電路圖形進(jìn)行仿真,并可更正掩模圖形,從而優(yōu)化制造工藝,提高成品率;
2007 年推出首臺(tái)浸液式設(shè)備 TWINSCAN XT:1900i;
2010 年推出首臺(tái) EUV 設(shè)備 TWINSCAN NXE:3100 系統(tǒng),與之前的光刻機(jī)相比,能夠使用更短波長的光,使得客戶可以制造更小規(guī)格的產(chǎn)品,在同一塊芯片上集成更多的晶體管;
2012 年公司提出“客戶聯(lián)合投資專案”(Customer Co-Investment Program),獲得英特爾、臺(tái)積電、三星的響應(yīng),以 23%的股權(quán)共籌得 53 億歐元資金;
2013 年 5 月 30 日完成對光源提供商 Cymer 的收購,為公司量產(chǎn) EUV 設(shè)備起決定性作用;
2016 年 11 月 5 日收購 Carl Zeiss SMT 的 24.9%股權(quán),以強(qiáng)化雙方在半導(dǎo)體微影技術(shù)方面的合作,發(fā)展下一代 EUV 微影系統(tǒng)。
2016 年 11 月 22 日完成對漢微科 Hermes Microvision 收購,以強(qiáng)化對半導(dǎo)體制造商的高科技服務(wù);
2017 年 TWINSCAN NXE:3400B 機(jī)臺(tái)正式出貨,產(chǎn)率為 125wph 300mm 晶圓。
下面筆者就已公司發(fā)展歷程來進(jìn)行解讀,說說 ASML 這個(gè)光刻機(jī)巨人是如何煉成的。
2、上市、資金與并購、技術(shù)
半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)屬于資金密集型、技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè),光刻機(jī)作為推動(dòng)摩爾定律最關(guān)鍵的設(shè)備,研發(fā)新產(chǎn)品時(shí)更需要龐大的資金投入。ASML 成立之初也面臨著技術(shù)落后和資金短缺的問題。有消息稱,1992 年在遭遇半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)周期性衰退時(shí),公司資金鏈斷裂,幾乎破產(chǎn)會(huì)閉。幸虧股東飛利浦及時(shí)出手相救,加上公司的輕資產(chǎn)戰(zhàn)略,才涉險(xiǎn)過關(guān)。
為了解決資金問題,1995 年 3 月,公司在阿姆斯特丹和美國納斯達(dá)克(NASDAQ)交易所同時(shí)上市,充裕的資金一方面增強(qiáng)了公司研發(fā)能力,同時(shí)也讓公司可以進(jìn)行產(chǎn)業(yè)并購,以完善公司的技術(shù),促進(jìn)光刻技術(shù)的發(fā)展。
1999 年 6 月收購 MicroUnity Systems Engineering Inc. 旗下業(yè)務(wù)部門 MaskTools,使得公司在先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)方面可以提供最完整的解決方案,改善了公司光刻機(jī)的掃描和成像能力,顯著增加了聚集深度,擴(kuò)大了光刻窗口,提高了芯片產(chǎn)量;2001 年 5 月完成收購 Silicon Valley Group, Inc.(SVG),掌握了投影掩罩瞄準(zhǔn)技術(shù)、掃描技術(shù),極大的提升了公司產(chǎn)品的技術(shù),并在美國擁有了研發(fā)生產(chǎn)基地;2007 年 3 月完成收購光刻解決方案提供商 Brion Technologies,掌握了計(jì)算光刻技術(shù)(包括分辨率增強(qiáng)技術(shù) RET 以及光學(xué)鄰近效應(yīng)修正 OPC),計(jì)算光刻技術(shù)能使半導(dǎo)體制造商得以對制作出的集成電路圖形進(jìn)行仿真,并可更正掩模圖形,從而優(yōu)化制造工藝,提高成品率,涉足的領(lǐng)域包括設(shè)計(jì)驗(yàn)證;2013 年 5 月 30 日完成對光學(xué)技術(shù)提供商 Cymer 的收購,為公司量產(chǎn) EUV 設(shè)備提供決定性信用;2016 年 11 月 5 日收購 Carl Zeiss SMT 的 24.9%股權(quán),以強(qiáng)化雙方在半導(dǎo)體微影技術(shù)方面的合作,為發(fā)展下一代 EUV 系統(tǒng)奠定基礎(chǔ);2016 年 11 月 22 日完成收購中國臺(tái)灣漢微科 Hermes Microvision Inc. (HMI),以強(qiáng)化將公司的全方位微影技術(shù)解決方案(包括微影曝光系統(tǒng)、運(yùn)算微影及量測)。
3、不斷投入研發(fā),適時(shí)更新產(chǎn)品
光刻機(jī)是技術(shù)含量極高的設(shè)備,廠商每年需要投入巨額的資金用于研發(fā)。ASML 極其重視研發(fā),并對研發(fā)創(chuàng)新始終保持開放態(tài)度。公司每年的研發(fā)投入都在營業(yè)收入的 15%左右。 如此大的研發(fā)投入,也讓公司能適時(shí)推出滿足市場需求的新品。
ASML 的光刻機(jī)產(chǎn)品線分為 PAS 系列和采用 TWINSCAN 系統(tǒng)的 AT 系列、XT 系列、NXT 系列和 NXE 系列。其中 PAS 系列光源多為高壓汞燈光源,PAS 2000 和 PAS5000 系列現(xiàn)已停產(chǎn),PAS5500 系列還在為產(chǎn)業(yè)發(fā)揮作用;TWINSCAN AT 系列屬于老型號,已經(jīng)停產(chǎn)。市場上主力機(jī)種是 XT 系列以及 NXT 系列,為 ArF 和 KrF 激光光源,XT 系列是成熟的機(jī)型,分為干式和浸液式兩種,而 NXT 系列則是現(xiàn)在主推的高端機(jī)型,全部為浸液式。NXE 系列 EUV 機(jī)臺(tái)主要針對 10 納米以下的制程節(jié)點(diǎn)。
圖片來源:ASML 官網(wǎng)
公司成立當(dāng)年,推出了公司第一款產(chǎn)品 PAS 2000 型光刻機(jī),采用油壓驅(qū)動(dòng),技術(shù)落后同行。隨后靠著飛利浦原有的技術(shù)積累和合作伙伴 Carl Zeiss 等的支持,1987 年推出步進(jìn)式設(shè)備 PAS 2500/40,該型光刻機(jī)可與當(dāng)時(shí)同類最佳機(jī)臺(tái)媲美;1989 年推出 PAS 5000 系統(tǒng);1991 年推出 PAS 5500 系統(tǒng)。
2000 年 8 月出貨首臺(tái) TWINSCAN AT:700S,這是公司的重大技術(shù)突破,實(shí)現(xiàn)了雙平臺(tái)工作,可同時(shí)處理兩張 12 寸晶圓,生產(chǎn)效率倍增。
2000 年以前的光刻設(shè)備,只有一個(gè)工件臺(tái),晶圓片的對準(zhǔn)與刻蝕流程都在上面完成。公司在 2000 年推出的 TWINSCAN 雙工件臺(tái)系統(tǒng),是光刻機(jī)行業(yè)的一大進(jìn)步。雙工件臺(tái)的出現(xiàn),使得光刻機(jī)能夠在不改變初始速度和加速度的條件下,當(dāng)一個(gè)工件臺(tái)進(jìn)行晶圓曝光的同時(shí),另外一個(gè)工件臺(tái)進(jìn)行曝光之前的預(yù)對準(zhǔn)工作,并在第一時(shí)間得到結(jié)果反饋,生產(chǎn)效率提高大約 35%。雙工件臺(tái)系統(tǒng)雖然僅是加一個(gè)工件臺(tái),但技術(shù)難度卻不容小覷,對工件臺(tái)轉(zhuǎn)移速度和精度有非常高的要求。如果工件臺(tái)轉(zhuǎn)換速度慢,則影響工作效率;如果工件臺(tái)轉(zhuǎn)換精度不夠,則會(huì)影響后續(xù)的掃描光刻的正常開展。ASML 的 TWINSCAN 導(dǎo)軌式雙工作臺(tái)系統(tǒng)采用其獨(dú)家的磁懸浮驅(qū)動(dòng),使得系統(tǒng)能克服摩擦系數(shù)和
阻尼系數(shù),其加工速度和精度遠(yuǎn)超機(jī)械式和氣浮式工作臺(tái)。今天,ASML 更是開發(fā)出了無導(dǎo)軌式的平面編碼磁懸浮工作臺(tái)系統(tǒng),通過平面編碼進(jìn)行精確定位,從而進(jìn)一步提高了工作臺(tái)轉(zhuǎn)換精度。
2004 年推出首臺(tái)浸液式設(shè)備 TWINSCAN XT:1250i,2007 年推出首臺(tái)商用浸液式設(shè)備 TWINSCAN XT:1900i,加速工藝往前推進(jìn)。
在 EUV 方面:2010 年推出首臺(tái) EUV 設(shè)備 TWINSCAN NXE:3100 系統(tǒng),與之前的光刻機(jī)相比,能夠使用更短波長的光,使得客戶可以制造更小規(guī)格的產(chǎn)品,在同一塊芯片上集成更多的晶體管。2013 年推出 TWINSCAN NXE:3300B 光刻機(jī),在 13.5 納米波長理進(jìn)行光刻,同軸照明解析度提升至 22 納米,采用離軸照明解析度提升可達(dá) 18 納米,產(chǎn)率為 55wph;2015 年推出的 TWINSCAN NXE:3350B 產(chǎn)率已經(jīng)來到 80wph;到 2017 年推出 TWINSCAN NXE:3400B 光刻機(jī),解析度提升至 13 納米,產(chǎn)率高達(dá) 125wph。為了發(fā)展下一代 EUV 微影系統(tǒng),ASML 不惜投入巨資,2016 年 11 月以 10 億美元收購 Carl Zeiss SMT 的 24.9%股權(quán),此外還將投入巨額研發(fā)資金,首先一次性投入是 2.44 億美元,之后 6 年將投入 6 億美元,這次合作預(yù)計(jì)投入將近 20 億美元,雙方合作的成果就是將推出數(shù)值孔徑(NA)不低于 0.5 的 EUV 光刻系統(tǒng),到時(shí)產(chǎn)率可望達(dá) 185wph。
4、外包聯(lián)合開發(fā),構(gòu)建以 ASML 為核心產(chǎn)業(yè)鏈聯(lián)合體
作為集成電路制造中最精密復(fù)雜、難度最高、價(jià)格最昂貴的設(shè)備,光刻機(jī)所需零部件多達(dá)數(shù)萬個(gè),對誤差和穩(wěn)定性的要求極高,如此多的零部件和核心技術(shù),如果由一家公司壟斷難以相信。
ASML 從成立開始就沒有做垂直整合,而是實(shí)行輕資產(chǎn)策略。在把控核心技術(shù)(光刻曝光技術(shù))的同時(shí),依靠全球產(chǎn)業(yè)鏈分工合作的方式,采取模塊化外包協(xié)同聯(lián)合開發(fā)策略。該策略使 ASML 得以集世界光刻頂級技術(shù)之大成。如光學(xué)鏡頭部件由德國 Carl Zeiss 生產(chǎn),光源由美國的 Cymer(現(xiàn) ASML 子公司)提供,計(jì)量設(shè)備則由美國的 Keysight(Agilent/Hewlett-Packard)制造,傳送帶則來自荷蘭 VDL 集團(tuán)。正是有了如此多的各細(xì)分領(lǐng)域中的頂尖供應(yīng)商的協(xié)同創(chuàng)新,公司可以把主要的研發(fā)力量集中在確定客戶需求和系統(tǒng)整合上,從而迅速占領(lǐng)了世界光刻機(jī)的制高點(diǎn)。
零部件模塊化外包策略在降低了 ASML 的研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)和資金成本的同時(shí),也構(gòu)建了以 ASML 為核心的產(chǎn)業(yè)鏈聯(lián)合體。ASML 的研究團(tuán)隊(duì)與供應(yīng)商及全球頂尖的科研機(jī)構(gòu)、大學(xué)建立廣泛的合作,采用開放式創(chuàng)新模式,大家在利己最擅長的尖端技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行創(chuàng)新,分享專利成果和研發(fā)風(fēng)險(xiǎn),合作伙伴也可以將這些技術(shù)用于其他領(lǐng)域。并且鼓勵(lì)供應(yīng)商在制造過程中提出改進(jìn)意見,具有極高的效率和靈活性。
2012 年 7 月 9 日,公司宣布一個(gè)“Customer Co-Investment Program”,該計(jì)劃允許其大客戶對 ASML 進(jìn)行少數(shù)股權(quán)投資,并承諾為 ASML 未來計(jì)劃的研發(fā)支出作出承諾。該計(jì)劃在 2012 年 10 月完成,英特爾、臺(tái)積電、三星總計(jì)以 38 億歐元的代價(jià)取得 23%的股份,并另外出資 13.8 億歐元支持 ASML 未來五年的 EUV 技術(shù)研發(fā),助其快速實(shí)現(xiàn)量產(chǎn),以及獲得 EUV 設(shè)備的優(yōu)先購買權(quán)。也許是由于美國、韓國、中國臺(tái)灣三地
工程師的天馬行空的想法,EUVV 光刻機(jī)得以快速成熟起來。
5、主動(dòng)出擊,全力拓展新興市場,擴(kuò)大發(fā)展空間
成立之初,ASML 的客戶主要是飛利浦。
由于 ASMI 創(chuàng)辦人 Arthur del Prado 的緣故,他認(rèn)為半導(dǎo)體的主戰(zhàn)場就在美國,所以 ASML 在成立后的第二年就在位于美國亞利桑那州的 TEMPE 設(shè)立據(jù)點(diǎn),以把握全球最新的半導(dǎo)體技術(shù)動(dòng)態(tài),1986 年產(chǎn)品正式進(jìn)入美國市場,到 1999 年美國占其營收的 35%。
1987 年由于飛利浦在中國臺(tái)灣合資成立臺(tái)積電,ASML 立即跟隨在中國臺(tái)灣新竹設(shè)立辦事處,1999 年中國臺(tái)灣占其營收的 24%。
1989 年在韓國設(shè)立辦事處,1990 年產(chǎn)品正式進(jìn)入,由于三星、現(xiàn)代和 LG 紛紛進(jìn)入半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè),韓國市場迅速爆發(fā),從 1995 年到 1998 年就出貨多達(dá) 100 臺(tái),1999 年韓國為其貢獻(xiàn)營收高達(dá) 3 億歐元,占其總營收的 27%。
1999 年初,ASML 在香港設(shè)立地區(qū)總部,統(tǒng)管亞太業(yè)務(wù);2000 年依靠代理商 Nissei Sangyo 首次進(jìn)入日本市場,包括針對 130 納米的 PAS 5500 / 750E(KrF 248nm)和針對 280 納米的 PAS 5500 / 400C(業(yè)界首款 i-line)。
在中國大陸,從 1988 年清華大學(xué)向 ASML 訂購了首臺(tái) PAS 5000 光刻機(jī)起,到 2004 年已經(jīng)向中國發(fā)貨達(dá)到 100 臺(tái)。
1998 年公司開始活躍于俄羅斯市場,2001 年設(shè)備正式進(jìn)入俄羅斯,目前以 PAS 5500 系列為主。
由于 ASML 對半導(dǎo)體新興市場的主動(dòng)出擊,公司獲得了極大的發(fā)展。1999 年公司營收首次突破 10 億歐元,達(dá)到 12 億歐元;而 2000 年時(shí)營收更是突破 20 億歐元大關(guān),達(dá)到 27 億歐元;2017 年全球營收超過 90 億元,其中光刻機(jī)營收約 64 億美元。
五、國產(chǎn)光刻機(jī)的發(fā)展
1、歷史
我國光刻機(jī)設(shè)備的研制起步也不晚。從 1970 年代開始就先后有清華大學(xué)精密儀器系、中科學(xué)院光電技術(shù)研究所、中電科 45 所投入研制。
清華大學(xué)精密儀器系是我國歷史最悠久的工程學(xué)科院系之一,建有“精密測試技術(shù)與儀器”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。1970 年代,研制開發(fā)了分步重復(fù)自動(dòng)照相機(jī)、圖形發(fā)生器、光刻機(jī)、
電子束曝光機(jī)工件臺(tái)等半導(dǎo)體設(shè)備,其中“分步相機(jī)”應(yīng)用于全國 100 多個(gè)廠家,受到好評。
中科學(xué)院光電技術(shù)研究所是中國光刻設(shè)備的最早研制機(jī)構(gòu)之一,在 1980 年研制出首臺(tái)光刻機(jī),分辨率 3μm,屬于接觸 / 接近式;1991 年研制出分辨率 1um 同步輻射 X- 射線光刻機(jī);1993 年研制出 g 線 1.5um 的分布重復(fù)
投影光刻機(jī),產(chǎn)率達(dá) 32wph;1997 年自主研發(fā)完全“0.8-1um 分步重復(fù)投影光刻機(jī)”。
中電科 45 所也是我國最早從事光刻機(jī)研發(fā)的骨干單位之一。當(dāng) 1978 年世界上第一臺(tái)量產(chǎn)型 g 線分步投影光刻機(jī)在美國問世后,45 所就投入了分步投影光刻機(jī)的研制工作,1985 年研制我國同類型第一臺(tái) g 線 1.5um 分步投影光刻機(jī),在 1994 年推出分辨率達(dá) 0.8um 的分步投影光刻機(jī),2000 年推出分辨率達(dá) 0.5um 實(shí)用分步投影光刻機(jī)。
2、現(xiàn)狀
。2002 年國家在上海組建上海微電子裝備有限公司承擔(dān)“十五”光刻機(jī)攻關(guān)項(xiàng)目時(shí),中電科 45 所將從事分步投影光刻機(jī)研發(fā)任務(wù)的團(tuán)隊(duì)整體遷至上海參與其中。目前,我國從事集成電路前道制造用光刻機(jī)的生產(chǎn)廠商只有上海微電子(SMEE)和中國電科(CETC)旗下的電科裝備
上海微電子裝備(集團(tuán))股份有限公司(SMEE)是國內(nèi)技術(shù)最領(lǐng)先的光刻機(jī)研制生產(chǎn)單位,目前已量產(chǎn)的光刻機(jī)有三款(見下表),其中性能最好的是 90nm 光刻機(jī)。2016 年國內(nèi)首臺(tái)前道 i 線掃描光刻機(jī)交付用戶。2017 年 4 月公司承擔(dān)的國家 02 重大科技專項(xiàng)任務(wù)“浸沒光刻機(jī)關(guān)鍵技術(shù)預(yù)研項(xiàng)目”通過了國家正式驗(yàn)收;10 月公司承擔(dān)的 02 重大科技專項(xiàng)“90nm 光刻機(jī)樣機(jī)研制”任務(wù)通過了 02 專項(xiàng)實(shí)施管理辦公室組織的專家組現(xiàn)場測試。
電科裝備光刻機(jī)是依托原來中電科 45 所的技術(shù),45 所從“六五”開始一直從事光刻機(jī)的研制開發(fā)工作,先后完成我國“六五”、“八五”、“九五”期間的 1.5 微米、0.8 微米、0.5 微米光刻機(jī)的研制任務(wù)。2002 年分步投影光刻機(jī)研發(fā)團(tuán)隊(duì)遷至上海后,目前公司主要研制生產(chǎn)用于 100mm/150mm 中小規(guī)模集成電路、
二極管、
三極管、
電力電子器件、
MEMS 和其它
半導(dǎo)體器件制造工藝的單 / 雙面接觸接近式光刻機(jī)產(chǎn)品。
3、重大突破
曝光系統(tǒng)方面:2017 年 6 月 21 日,中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所牽頭研發(fā)的“極紫外光刻關(guān)鍵技術(shù)”通過驗(yàn)收。長春光機(jī)所自 1990 年代起專注于 EUV/X 射線成像技術(shù)研究,著重開展了 EUV 光源、超光滑拋光技術(shù)、EUV 多層膜及相關(guān) EUV 成像技術(shù)研究,形成了極紫外光學(xué)的應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)。2002 年,研制國內(nèi)第一套 EUV 光刻原理裝置,實(shí)現(xiàn)了 EUV 光刻的原理性貫通。2008 年 02 專項(xiàng)將 EUV 光刻技術(shù)列為“32-22nm 裝備技術(shù)前瞻性研究”重要攻關(guān)任務(wù)。以長春光機(jī)所牽頭的項(xiàng)目研究團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)八年的潛心鉆研,突破了制約我國極紫外光刻發(fā)展的超高精度非球面加工與檢測、極紫外多層膜、投影物鏡系統(tǒng)集成測試等核心單元技術(shù),成功研制了波像差優(yōu)于 0.75nm
RMS 的兩鏡 EUV 光刻物鏡系統(tǒng),構(gòu)建了 EUV 光刻曝光裝置,國內(nèi)首次獲得 EUV 投影光刻 32nm 線寬的
光刻膠曝光圖形,建立了較為完善的曝光光學(xué)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)平臺(tái)。
雙工件臺(tái)系統(tǒng):北京華卓精科科技股份有限公司(834733)是我國光刻機(jī)雙工件臺(tái)系統(tǒng)的研發(fā)單位,2015 年 1 月,“45nm 浸沒式光刻機(jī)雙工件臺(tái)系統(tǒng)樣機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)”通過了詳細(xì)設(shè)計(jì)評審;2015 年 4 月,“65nmArF 干式光刻機(jī)雙工件臺(tái)”通過整機(jī)詳細(xì)設(shè)計(jì)評審,具備投產(chǎn)條件。目前,65nm 光刻機(jī)雙工件臺(tái)已獲得多臺(tái)訂單。接下來公司要完成 28nm 及以下節(jié)點(diǎn)浸沒式光刻機(jī)雙工件臺(tái)產(chǎn)品化開發(fā)并具備小批量供貨能力,為國產(chǎn)浸沒光刻機(jī)產(chǎn)品化奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。作為世界上第二家掌握雙工件臺(tái)核心技術(shù)的公司,華卓精科成功打破了 ASML 公司在工件臺(tái)上的技術(shù)壟斷。
中科院光電所研制出來的 SP 光刻機(jī)是世界上第一臺(tái)單次成像達(dá)到 22 納米的光刻機(jī),結(jié)合多重曝光技術(shù),可以用于制備 10 納米工藝。SP 光刻機(jī)利用表面
等離子體超衍射光學(xué)光刻的原理,能刻出相當(dāng)于光源波長十分之一甚至二十分之一分辨率的產(chǎn)品。
曝光系統(tǒng)和雙工件臺(tái)系統(tǒng)的成功,為我國高端光刻機(jī)的研發(fā)生產(chǎn)提供了奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。SP 光刻機(jī)的研發(fā)成功,給我國光刻機(jī)裝備的追趕帶來了曙光。
六、如何看我國半導(dǎo)體裝備業(yè)的發(fā)展
02 重大專項(xiàng)以培育真正可用產(chǎn)品、做大做強(qiáng)企業(yè)為目標(biāo),實(shí)施的“下游考核上游,整機(jī)考核部件,應(yīng)用考核技術(shù),市場考核產(chǎn)品”考核制,保證了科研成果的實(shí)用性,成就了一大批經(jīng)得起市場檢驗(yàn)的高端產(chǎn)品。電科裝備的化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備(CMP)、上海微電子的光刻機(jī)、北方華創(chuàng)的刻蝕機(jī)和 CVD、盛美的清洗設(shè)備、中微的刻蝕機(jī)等都是非常有競爭力的,很多產(chǎn)品已經(jīng)走出國門,或者與國外裝備同步驗(yàn)證。
客觀地講,這些都是最近幾年中國半導(dǎo)體裝備產(chǎn)業(yè)的亮點(diǎn)。當(dāng)然這些成績也只是國產(chǎn)裝備的初步發(fā)展,要真正做到國產(chǎn)高端裝備全面進(jìn)入市場還有很長的路要走。
首先,裝備與工藝的結(jié)合問題,一直是制約國產(chǎn)裝備進(jìn)入大生產(chǎn)線的主要瓶頸之一。國際半導(dǎo)體裝備廠商,特別是關(guān)鍵的、與工藝密切相關(guān)的前道設(shè)備廠商在工藝研發(fā)上投入巨大,一般都建有相應(yīng)的工藝研發(fā)生產(chǎn)線。而目前國內(nèi)半導(dǎo)體裝備廠商還沒有建立自己的工藝研發(fā)生產(chǎn)線。工藝固化到裝備中,我們還有不小的距離。
第二,堅(jiān)持自主研發(fā),從零部件入手,掌控核心技術(shù)。國家重大專項(xiàng)對半導(dǎo)體設(shè)備與工藝的重視,對國產(chǎn)裝備業(yè)來說是莫大的發(fā)展機(jī)會(huì)。我國不僅要支持關(guān)鍵裝備的研發(fā)生產(chǎn),也要支持相關(guān)重要零部件廠商。
第三,協(xié)同創(chuàng)新,成果共享。目前半導(dǎo)體裝備越來越復(fù)雜,一家公司獨(dú)自承擔(dān)所有零部件的開發(fā)確實(shí)不易。我們應(yīng)該利用整個(gè)國家、甚至于全球的資源來共同完成。
正如 02 重大專項(xiàng)技術(shù)總師葉甜春所說,發(fā)展裝備業(yè),要采取產(chǎn)業(yè)鏈、創(chuàng)新鏈、金融鏈有效協(xié)同的新模式,專項(xiàng)與重點(diǎn)區(qū)域產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃協(xié)同布局,主動(dòng)引導(dǎo)地方和社會(huì)的產(chǎn)業(yè)投資跟進(jìn)支持,有效推動(dòng)專項(xiàng)成果產(chǎn)業(yè)化,扶植企業(yè)做大做強(qiáng),形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模,提高整體產(chǎn)業(yè)實(shí)力。
衷心希望有更多的社會(huì)資本能投入中國半導(dǎo)體裝備業(yè)中。半導(dǎo)體裝備的國產(chǎn)化遠(yuǎn)比芯片國產(chǎn)化有意義!