首先,光刻機是晶片製造當中一個非常核心的設備,可以說是整個晶片產業當中最核心最重要的一個環節,光刻機的精度直接決定了晶片的質量。但是光刻機的技術含量是非常高的,是目前地球上技術含量最高,研發難度最大的產品之一,所以很多國家都不具備生產研發光刻機的實力,即便有些國家在航空航天,飛機大炮等方面技術很先進,但在光刻機面前卻無從下手,由此可見,光刻機的技術層面到底有多高。
其次,工藝原理:光刻技術指利用光學-化學反應原理,將電路圖轉移到晶圓表面的工藝技術,光刻機是光刻工序中的一種投影曝光系統。其包括光源、光學鏡片、對準系統等。在製造過程中,通過投射光束,穿過掩膜板和光學鏡片照射塗敷在基底上的光敏性光刻膠,經過顯影后可以將電路圖最終轉移到矽晶圓上。
光刻機分為無掩模光刻機和有掩模光刻機。(1)無掩模光刻機可分為電子束直寫光刻機、離子束直寫光刻機、雷射直寫光刻機。電子束直寫光刻機可以用於高解析度掩模版以及集成電路原型驗證晶片等的製造,雷射直寫光刻機一般是用於小批量特定晶片的製造。(2)有掩模光刻機分為接觸/接近式光刻機和投影式光刻機。接觸式光刻和接近式光刻機出現的時期較早,投影光刻機技術更加先進,圖形比例不需要為1:1,減低了掩膜板製作成本,目前在先進位程中廣泛使用。
隨著曝光光源的改進,光刻機工藝技術節點不斷縮小。光刻設備從光源(從最初的g-Line, i-Line 發展到EUV)、曝光方式(從接觸式到步進式,從乾式投影到浸沒式投影)不斷進行著改進。
晶片尺寸的縮小以及性能的提升依賴於光刻技術的發展。光刻設備光源波長的進一步縮小將推動先進位程的發展,進而降低晶片功耗以及縮小晶片的尺寸。
目前光刻機主要可以分為IC 前道製造光刻機(市場主流)、IC 後道先進封裝光刻機、LED/MEMS/Power Devices 製造用光刻機以及面板光刻機。其中IC 前道光刻機需求量和價值量都最高,但是技術難度最大。而封裝光刻機對於光刻的精度要求低於前道光刻要求,面板光刻機主要用在薄膜電晶體製造中,與IC 前道光刻機相比技術難度更低。
光刻機主要供應商:ASML、佳能以及尼康,其中ASML 在高端市場一家獨大並且壟斷EUV 光刻機。從光刻機總體出貨量來看(含非IC 前道光刻機),目前全球光刻機出貨量99%集中在ASML,尼康和佳能。其中ASML 份額最高,達到67.3%,且壟斷了高端EUV 光刻機市場。ASML技術先進離不開高投入,其研發費用率始終維持在15%-20%,遠高於Nikon 和Canon。
國產光刻機的情況如何?
就目前情況來看,我國光刻機技術跟ASML的差距是非常大的,目前我國擁有自主智慧財產權的光刻機只有90納米的,雖然45納米已經在試驗階段,但並沒有完全量產,類似中芯國際這種晶片代工企業的14納米生產工藝也都是進口的是ASML的光刻機。
雖然過去十幾年我國對晶片行業的研發非常重視,也取得了積極的效果,但是在晶片製造的關鍵環節,光刻機的進度並不是很明顯,這裡面有一個很重要的原因,就是西方國家對我國晶片技術進行封鎖,涉及光刻機的一些關鍵技術和零部件基本上都是禁止對我國出口,所以在研發光刻機的路上,我國基本上都只能慢慢摸爬滾打,總結經驗,然後不斷提高,這也是為什麼我國光刻機研發進度這麼慢的一個重要原因。
前兩年特別振奮人心的紀錄片《大國重器》,其關鍵設備涉及航空航天、工程機械、數控工具機、軌道交通等等,但是還沒有光刻機。希望咱們能早日實現技術突破,把光刻機也做成國之重器,世界領先!