對於晶片製造業而言,光刻機是最為核心且技術門檻最高的半導體設備。而光刻在晶片生產流程中也是最為關鍵的步驟,直接決定了晶片的製程水平和性能。一般地,光刻在晶片製造總耗時中大約佔50%,佔到晶片生產成本的三分之一左右。
目前,在全球範圍內,僅少數幾家廠商提供光刻機設備僅,例如荷蘭的ASML、日本的尼康和佳能等設備商,其中,ASML又是唯一一家能夠提供EUV光刻機的廠商。包括臺積電、三星和英特爾在內的晶片製造廠商,若要量產7納米及以下先進位程工藝,非得用ASML的EUV光刻機不可。退一步說,即便在DUV光刻機市場,晶片製造商往往也是首先找ASML給供貨。ASML在全球市場佔據絕對的壟斷地位,現在EUV光刻機的售價高達1億多美元,不僅不愁賣,反倒是臺積電和三星等廠商還要搶著購買,甚至有晶片製造廠商願意給足夠的錢都遲遲到不了貨、想買都買不了。據傳言,ASML已經在開發全新一代EUV光刻機,預計單價將超3億美元,可以確信的是,新一代EUV光刻機依然不會愁賣。顯而易見的是,處於產業鏈下遊的晶片製造商對ASML已經太過依賴。
此前,海思半導體開發設計的先進位程晶片,交由臺積電代工,海思本已是臺積電第二大客戶,僅次於蘋果。由於臺積電在為客戶代工製造晶片的過程中用到了源自美國的技術,而不得不停止對海思代工晶片。在臺積電所用的半導體設備中,由ASML供貨的EUV光刻機,基礎技術的智慧財產權實則很多是由美國擁有,也因此,荷蘭至今都沒有批准ASML向中國公司出口EUV光刻設備。
上海微電子裝備股份有限公司(SMEE)成立於2002年,總部位於中國上海。上海微電子致力於半導體裝備、泛半導體裝備、高端智能裝備的開發、設計、製造、銷售和技術服務,公司的設備廣泛用於半導體製造領域,涵蓋晶圓製造、先進封裝、FPD面板、MEMS、LED、Power Devices等。上海微電子亦是中國唯一一家能夠生產高端前道光刻機整機的廠商,從某種意義上,上海微電子代表了國產光刻機最高的技術水平。
據上海微電子官網顯示,針對晶片製造領域,公司最先進的光刻機設備是600系列——SSA600/20、SSC600/10和SSB600/10。600系列步進掃描投影光刻機採用四倍縮小倍率的投影物鏡、工藝自適應調焦調平技術,以及高速高精的自減振六自由度工件臺掩模臺技術,可滿足晶片前道製造90納米、110納米和280納米關鍵層和非關鍵層的光刻工藝需求,該系列設備可用於8寸線或12寸線的大規模工業生產。其中,SSA600/20型號是最先進的光刻機,SSA600/20為沉浸式光刻機,配置波長為193納米的氟化氬(ArF)鐳射。值得一提的是,早在2004年,英特爾和臺積電便開始使用沉浸式光刻技術。SSC600/10型號用於110納米工藝,SSB600/10用於280納米工藝。
而近日卻傳出消息,上海微電子有望在2021年第4季交付下一代DUV光刻機,該設備可用於生產28納米製程工藝晶片;並且該設備用的是國產和日本制零部件,為國內半導體產業擺脫對美國的依賴跨出了重要一步。下一代DUV光刻機仍將用ArF光源,但能用於製造28納米工藝晶片,且能用於40納米及55納米/65納米製程工藝。臺積電早在2011年就用上了28納米工藝技術,但實際上,28納米製程工藝在製造領域仍有廣泛的應用價值,因為對電視和消費電子而言,28納米工藝晶片已經足以滿足需求。再到2023年,上海微電子希望生產出足以用於20納米製程工藝節點的光刻機,新的光刻機將用日本製造的一些零部件,但不會再用任何美國零部件。
考慮到上海微電子做了多年的光刻機設備,因此下一代光刻機的產量可能大到足以撐起一座先進的晶圓工廠。但是,在28納米製程工藝上,如果晶片製造商已經用了ASML或者尼康的光刻機,可能要重新設計製程工藝節點才能換用上海微電子的光刻機。雖然國內很快就能自主生產用於28納米製程工藝節點的光刻機,但本土半導體廠商紛紛導入上海微電子的28納米光刻機,肯定需要更長的時間。
如果以上傳言非虛,那麼上海微電子只用兩年多的時間、即研發出可用於28納米製程工藝節點的光刻機,在技術上絕對可以說是一個非常大的進步。當下一代光刻機正式對外面世,而且能夠用於晶片製造,無疑是國產半導體產業自給自足再次向前邁出重要一步。
先前,半導體行業專家莫大康稱,中國半導體產業幾乎不可能再重建一條國產化高達100%的生產線,既不經濟,幾乎也不太可能,連美國都做不到。所以必須依靠全球化的協同力量。但是眼前的態勢是殘酷的,沒有其它的可行之路,逼著向國產化邁進。對此,外人或許可以這樣理解他所表達的觀點:中國半導體產業在向國產化方向努力的同時,應該依靠全球化協作,在技術上去美國化的同時,與其他國家(地區)精誠合作,達到互利共贏……
莫大康表示,半導體業者必須把國產化視為必修課之一,只有通過國產化的進程來提高自身的競爭力,所以不單是要踏實苦幹,循序漸進,同時要高歌挺進。相信當能將若干關鍵半導體設備如光刻機、CVD、離子注入機、測試儀等部分實現了國產替代,並能達到較高水平,那時高技術出口禁運政策就自然會瓦解。對於中國半導體產業要做好長遠的心理準備,可能要五年左右的不懈努力攻關。集中國內的優勢兵力,才有可能取得成功。全球化不是西方的恩施,而必須依靠自身的競爭力提升,所以全球化必須是通過競爭勝出努力爭取才會到來。
並且,他也提到,目前國內光刻機迫切要解決「卡脖子」問題,因為在國外光刻機設備進囗受阻時,國內光刻機在晶片生產線中的量產水平,直接決定了國內晶片生產線的工藝製程水平,所以它是「開路先鋒」。按照此目標任務,首先要解決的是193納米浸潤式光刻機,能滿足量大面廣的、從28納米到7納米邏輯工藝晶片製造的需求,而不是EUV極紫外光刻機,EUV光刻機機應該作為下一步突破的目標。
莫大康認為,光刻機的攻堅任務是開路先鋒,它具有設備國產化的示範引導意義,因此必須集國內的智慧人力及財力,克服困難,徹底改變科研院所之前只關註解決從0到1而不能與企業相結合,必須真正能解決晶片量產中的實用化問題。同時,對於光刻機國產化的複雜性要有充分認識與估計,因為在02專項攻關任務中,它是年年在列。