世界上最先進的EUV光刻機,為什麼只有荷蘭阿斯麥公司做出來了?

2020-12-05 我為科技狂Tech

在製造晶片的過程中,光刻工藝無疑最關鍵、最複雜和佔用時間比最大的步驟。光刻定義了電晶體的尺寸,是晶片生產中最核心的工藝,佔晶圓製造耗時的40%到50%。光刻機在晶圓製造設備投資額中約佔23%,再考慮到光刻工藝步驟中的光刻膠、光刻氣體、光罩(光掩膜板)、塗膠顯影設備等諸多配套設施和材料投資,實則整個光刻工藝佔到了晶片成本的三分之一左右。

簡單來說,光刻的原理是,在矽片上覆蓋一層具有高度光敏感性的光刻膠,再用紫外光透過掩模照射在矽片上,被光線照射到的光刻膠會發生化學反應。此後用特定顯影液洗去被照射/未被照射的光刻膠,就完成了把電路圖從掩模轉移到矽片上。一般的光刻工藝,要經過氣相成底膜、旋轉塗膠、軟烘、對準與曝光、曝光後烘培、顯影、堅膜烘培、顯影檢查等工序。

研發和製造光刻機,並非某個企業就能夠單獨完成。光刻作為晶圓製造過程中最複雜、最重要的步驟,主要體現在光刻產業鏈高度複雜,需要很多頂尖企業相互配合才可以完成。一是作為光刻核心設備的光刻機組件複雜,包括光源、鏡頭、雷射器、工作檯等組件技術往往只被全球少數幾家公司掌握;二是作為與光刻機配套的光刻膠、光刻氣體、光罩等半導體材料和塗膠顯影設備等,同樣擁有不低的技術含量。

上個世紀50年代末,仙童半導體發明了掩膜版曝光刻蝕技米,由此拉開了現代光刻機發展的序幕。在阿斯麥成立以前,用於光刻機的光源還是以高壓汞燈為主,ArF、KrF等準分子雷射光源概念剛剛被人提出,光刻機工藝技術從接觸式,接近式發展到步進投影式。而於1984年成立的阿斯麥公司,目前已是全球光刻機市場的霸主。在浸沒式DUV深紫外光刻機市場的佔有率達97%,在EUV極紫外光刻機市場的佔有率更是達到100%。根據阿斯麥的營收規模,現在也已躋身全球前三大半導體設備廠商之一。

回顧阿斯麥在過去36年的發展歷程,面對美國、日本等商業競爭對手,阿斯麥主要通過兩個關鍵節點逐步登上全球光刻機霸主的寶座,分別是浸沒式系統的應用和EUV產業鏈的構建。按這兩個節點,阿斯麥的發展歷程大致分三個階段:從1984年到20世紀末,阿斯麥憑藉PAS5500系列在光刻領域佔得一席之地;從2000年到2010年。阿斯麥憑藉浸沒式光刻技術實現彎道超車,而且一舉擊潰尼康,自此成為全球頭號光刻機設備廠商;2010年以後,阿斯麥全力打通EUV光刻機產業鏈,且成功推出EUV光刻機,在高端光刻市場佔據絕對壟斷的地位。也可以說,全球有且只有阿斯麥一家廠商,能夠向臺積電、三星電子和英特爾等下遊客戶出貨EUV光刻機。

阿斯麥長期致力於打通全球光刻產業鏈。是逐漸壟斷整個光刻市場的關鍵所在。由於阿斯麥在全球高端光刻市場居於統治地位,眾多配套材料和設備廠商紛紛追隨阿斯麥產品的技術工藝。配套光刻氣體方面,美國空氣化工產品、英國林德集團均有相應布局,日本合成橡膠、東京應化、信越化學和富士膠片等日本企業,則統治了光刻膠市場,僅有美國杜邦公司有一定競爭力。配套設備方面,光刻工序中的塗膠顯影設備主要被日本東京電子、DNS、德國蘇斯微,以及中國臺灣億力鑫佔據。阿斯麥已經為自己構建了世界上最全面且最強大的光刻機供應鏈體系。

摩爾定律的進步伴隨著工藝與設備的雙重突破,而光刻設備又是作為推動摩爾定律一路向前行的核心設備。迄今為止,光刻機先後歷經了五代。伴隨著製程工藝的精度持續提升,光刻機的複雜程度隨之提高。當前,全球最先進的光刻機,便是阿斯麥生產製造的EUV光刻機。很多人好奇的是,只有阿斯麥能夠供應的EUV光刻機到底有多難造呢?

對於EUV光刻機,有90%的關鍵設備來自國外而非荷蘭本國;阿斯麥作為整機廠商,只是負責光刻機的研發設計和模塊集成,還需要全而精的上遊產業鏈作為堅實支撐。透視阿斯麥的5000多家供應商,其中與產品相關的供應商,即提供直接用於生產光刻系統的材料、設備、零部件和工具,此類別就包括了790家供應商,佔阿斯麥公司總開支的65%左右。

EUV的波長只有13.5納米,穿透物體時散射吸收強度較大,使得光刻機的光源功率要求極高。此外,機器內部得是真空環境,避免空氣對EUV的吸收,透鏡和反射鏡系統也極致精密,配套的抗蝕劑和防護膜的良品率也需要更先進的技術去提升。一臺EUV光刻機的重量高達180噸,內部超過10萬個零件,需要40個貨櫃運輸,安裝調試也要超過一年的時間。總而言之,EUV光刻機幾乎逼近物理學、材料學以及精密製造的極限。所以,EUV光刻機不僅是頂級科學的研究,也是頂級精密製造的學問。

2010年,阿斯麥公司首次推出概念性EUV光刻系統NXE 3100,從而開啟光刻系統的新時代。2013年,阿斯麥推出第二代EUV系統NXE 3300B,但是精度與效率不具備10納米以下製程的生產效益。2015年,阿斯麥又推出第三代EUV光刻系統NXE 3350。2016年,第一批面向生產製造的EUV系統NXE 3400B開始批量發售,NXE 3400B的光學和機電系統在技術上均有所突破,極紫外光源的波長縮短至13納米,每小時處理晶圓125片,或者每天可處理晶圓1500片,連續4周的平均生產良率可達80%,兼具高生產率和高精度。2019年,阿斯麥推出的NXE 3400C更是將產能提高到每小時處理晶圓175片。目前,阿斯麥在售的EUV光刻機包括NXE 3300B和NXE 3400C兩種機型。

EUV光刻機的成功,主要源於阿斯麥全面打通了光刻機上遊產業鏈。在EUV光刻機超過10萬個零件中,來自美國矽谷集團的微雷射系統、德國蔡司的鏡頭和西盟科技的EUV光源是最重要的三環。1997年,英特爾牽頭創辦了EUV LLC聯盟,隨後阿斯麥作為唯一的光刻機設備製造商加入該聯盟,彼此共享研究成果。2000年,阿斯麥收購了美國光刻機巨頭矽谷集團。2012年,阿斯麥收購EUV光源提供商西盟科技,此前,阿斯麥和西盟就合作已久。到了2016年,阿斯麥取得了光學鏡片龍頭廠商德國卡爾蔡司24.9%的股份,以加快推進更大數值孔徑的EUV光學系統。通過這些收購,阿斯麥幾乎參與了整個EUV光刻上遊產業鏈。但收購美國企業的過程,使得阿斯麥必須同意在美國建立一所工廠和一個研發中心,以此滿足所有美國本土的產能需求。另外,阿斯麥還需要保證55%左右的零部件均從美國供應商處採購,並接受定期審查,這也為日後阿斯麥向中國公司出口光刻機受到美國管制埋下了伏筆。

由於上遊廠商零部件供應不足,比如德國卡爾蔡司的鏡頭,阿斯麥的EUV光刻機產量一直不高。然而,下遊市場對7納米及以下製程工藝的需求卻又十分旺盛。2011年,臺積電、三星電子和英特爾共同收購阿斯麥23%的股權,以幫助阿斯麥提升研發預算,同時也享受EUV光刻機的優先供貨權。近年來,阿斯麥已經出貨的EUV光刻機,主要優先供應給臺積電、三星電子和英特爾等有緊密合作關係的下遊客戶廠商。

自2010年第一臺EUV光刻機面世起,阿斯麥的EUV光刻機出貨量呈增長趨勢,尤其是2017年開始大幅增加產能,到2019年已經實現年出貨量26臺。由於EUV光刻機有著十分複雜的結構和系統,在市場上的售價也逐年拳升,2019年,阿斯麥銷售的26臺EUV光刻機,佔該年光刻機總銷售量的11.4%,銷售金額達30億歐元,佔該年光刻機總銷售金額的33.6%。EUV光刻機的單價達到了驚人的1.15億歐元,約合1.3億美元,約合9.2億元人民幣,兩倍於浸沒式光刻機的售價。

相關焦點

  • 光刻機是什麼?為什麼荷蘭的最流弊
    光刻機,被稱為現代光學工業之花,製造難度非常大,全世界只有少數幾家公司能夠製造。其售價高達7000萬美金。用於生產晶片的光刻機是中國在半導體設備製造上最大的短板,國內晶圓廠所需的高端光刻機完全依賴進口。
  • 為什麼荷蘭ASML可以壟斷光刻機?
    對於半導體行業來說,最重要的就是光刻機,目前世界上主流的光刻機已經被荷蘭的ASML公司所壟斷,今年3月份的時候,我國的中芯國際在荷蘭進口了一臺光刻機,這則消息居然能夠成為新聞。為什麼光刻機被荷蘭ASML所壟斷,或者是說為什麼我國製作不出屬於自己的光刻機?
  • 為什麼光刻機比原子彈還難造?
    一臺荷蘭阿斯邁光刻機內部的紫外光源 | www.asml.com光刻的原理和過程一般是這樣的:首先製備出晶片電路圖的掩膜版,然後在矽片上旋塗上光刻膠,利用紫外光源通過掩膜版照射到光刻膠上。經過對準曝光後,紫外光照射到區域的光刻膠會因為化學效應而發生變性,再通過顯影作用將曝光的光刻膠去除,下一步採用幹法刻蝕將晶片電路圖傳遞到矽晶圓上。
  • 為何只有荷蘭ASML才能製造頂尖EUV光刻機設備?
    打開APP 為何只有荷蘭ASML才能製造頂尖EUV光刻機設備?,但就在近日,又有外媒豪言:這種頂尖的EUV極紫外光刻機,目前全球只有荷蘭光刻機巨頭ASML能造,對此也有很多網友們感覺到非常疑惑,為何只有荷蘭ASML可以造頂尖EUV光刻機設備呢?
  • 光刻機是誰發明的_中國光刻機與荷蘭差距
    光刻機是誰發明的   工業能力是一個國家國防實力和經濟實力的基礎,而光刻機是現代工業體系的關鍵部分,不過目前荷蘭光刻機是最有名的,出口到全球各國,口碑很好。那光刻機是誰發明的?主要用途有哪些呢?   1959年,世界上第一架電晶體計算機誕生,提出光刻工藝,仙童半導體研製世界第一個適用單結構矽晶片,1960年代,仙童提出CMOSIC製造工藝,第一臺IC計算機IBM360,並且建立了世界上第一臺2英寸集成電路生產線,美國GCA公司開發出光學圖形發生器和分布重複精縮機。
  • ASML光刻機的工作原理,光刻機製造難度有多大?
    上海微電子裝備公司總經理賀榮明去德國考察時,有工程師告訴他:「給你們全套圖紙,也做不出來。」賀榮明幾年後理解了這句話。 光刻機,被稱為現代光學工業之花,製造難度非常大,全世界只有少數幾家公司能夠製造。其售價高達7000萬美金。用於生產晶片的光刻機是中國在半導體設備製造上最大的短板,國內晶圓廠所需的高端光刻機完全依賴進口。
  • 全球那麼多國家,為什麼只有荷蘭ASML,才能製造頂級光刻機?
    為什麼全世界只有荷蘭能夠製造頂級的光刻機?這個問題,相信大家都想知道答案。我們都知道,荷蘭的ASML光刻機已經可以量產7納米的晶片,2020年,ASML更是步入5納米的光刻機時代。反觀我們的國產光刻機,現在還停留在96納米,雖然28納米的光刻技術已研發成功,但與ASML光刻機技術還是相差甚遠。那麼,為什麼現在只有ASML能生產頂級光刻機呢?一、ASML集百家之長。雖然ASML光刻機,掛的是ASML品牌的牌子,但只靠ASML一家公司是生產不出來的。
  • 荷蘭ASML:公開圖紙也造不出來?中科院:全力攻克光刻機
    導讀:荷蘭ASML:公開圖紙也造不出來?中科院:全力攻克光刻機!,堪稱高精尖領域的代表;正是因為如此,所以晶片的生產製造工藝幾乎也是非常複雜和充滿難度的;想要生產晶片,必不可少的就是光刻機,而國產最先進的光刻機也僅僅只有28nm工藝水平,這與荷蘭ASML公司所研發的5nm的EUV光刻機相比,還有很大的差距!
  • 荷蘭ASML光刻機公司最大的股東是誰?說出來很多人都表示不信
    荷蘭ASML光刻機公司最大的股東是誰?說出來很多人都表示不信從一定程度上來說,荷蘭的ASML公司真的是相當的厲害,因為他們能夠生產出全世界最先進的光刻機。也是因為這些原因,個人才會覺得荷蘭的ASML公司相當的厲害,它確實厲害,但是也不可能一個人發展得如此之好,所以他也需要有股東,有很多人可能會有一個問題,那就是荷蘭ASML光刻機司的最大股東是誰?對於荷蘭公司的這一大股東說出來很多人都表示不相信,這是為什麼呢?
  • 中科院表態,加快突破光刻機「卡脖子」難題,產業鏈迎高光時刻
    發布會上,中科院院長白春禮表示:面臨美國對中國高科技產業的打壓,我們希望在這方面能做一些工作。我們把美國「卡脖子」的清單變成我們科研任務清單進行布局,比如航空輪胎、軸承鋼、光刻機,還有一些關鍵的核心技術、關鍵原材料等,我們爭取將來在第二期,聚焦在國家最關注的重大的領域,集中我們全院的力量來做。
  • 為什麼全球只有2個國家能生產光刻機,背後的真實原因?
    摘要:如果沒有晶片,就製造不出手機;而如果沒有光刻機,就製造不出晶片;說起光刻機,可能很多人都不知道是什麼東西。其實,光刻機就是製造晶片的機器設備,如果沒有光刻機,就無法生產晶片。所以,光刻機對於晶片製造非常重要。那麼,為什麼全球只有2個國家能生產光刻機,究竟怎麼回事?
  • 荷蘭ASML到底有多厲害,為什麼只有ASML才能製造出頂級光刻機?
    大家都知道,目前我國光刻機技術至少落後荷蘭ASML15年,目前荷蘭ASML的頂級光刻機可以達到7nm工藝,目前他們正大研發5nm工藝光刻機;而中國目前能夠量產的光刻機是90nm的工藝,差了10幾倍,光刻機製造真的有這麼難嗎?光刻設備是一種投影曝光系統,由紫外光源、光學鏡片、對準系統等部件組裝而成。
  • 極紫外光刻機研製究竟有多難
    作為晶片製造的核心裝備,光刻機的研發是一項極為複雜、極具技術含量和工藝要求的系統工程。它涉及數學、光學、流體力學、高分子物理與化學、表面物理與化學、精密儀器、機械、自動化、軟體、圖像識別等眾多學科。其內部結構極為複雜,包括透鏡、光源、光束矯正器、能量控制器、能量探測器、掩膜臺等。先進的光刻機,一般有多達10萬個零部件。
  • 荷蘭巨頭1nm光刻機迎新突破!中國訂購的EUV光刻機呢?
    據TechWeb網站11月30日最新報導,近日荷蘭光刻機巨頭阿斯麥(ASML)又送來一則好消息,該司已經與比利時半導體研究機構IMEC共同完成了1nm光刻機的設計工作。據了解,先進位程的光刻機對於曝光設備的解析度要求更高。與此同時,ASML已經完成了0.55NA曝光設備的基本設計工作。按照阿斯麥的計劃,預計相應的曝光設備全線準備好之後,會在2022年實現商業化。
  • 為何EUV光刻機只有ASML能造?光EUV就已經難倒大家了
    目前全球僅有一家廠商能夠生產EUV光刻機,那就是荷蘭的ASML,所以全球的有實力的、想進入7nm或更低製程的晶片企業,都眼巴巴的盯著ASML,想要購買ASML的EUV光刻機。那麼問題就來了,為何EUV光刻機這麼難生產,只有ASML能造,其它廠商都造不出來?
  • 我國的晶片,光刻機為什麼從世界頂尖到沒落?
    1965年,由中科院研發的65型接觸式光刻機出現了,這是一項重大的研究成果,其意義非常重大。在當時世界上來說,能夠研製出光刻機的國家寥寥無幾,此技術已經接近世界頂尖水平。年,GK3型的半自動光刻機成功研製出來,標誌著我國在這一技術領域的又一次提升。
  • 難倒華為的「EUV光刻機」 究竟有多難製造?
    而猶如指甲蓋小的晶片商別有洞天,簡直就是一個巨大的「微觀世界」。諸如,麒麟9000上有153億根電晶體,而蘋果A14處理器有118億根電晶體。這些電晶體在晶片之上,各自擔負起自己的任務,如果有一根電晶體出現問題,整個晶片便會不起作用。保證這些電晶體同時工作,便需要極為精細的光刻機。
  • 世界上最昂貴的高端EUV光刻機,為什麼很耗電?
    目前,臺積電在全球晶圓代工市場上佔據領先的地位。對臺積電而言,阿斯麥可謂是一個十分重要的合作夥伴,由阿斯麥供貨的極紫外EUV光刻機,幫助臺積電在製程工藝上得到領先,甚至拳打三星、腳踢英特爾、完虐格羅方德。
  • 日本光學技術全球第一,可高端光刻機為何只有荷蘭能造?
    本文原創,請勿抄襲和搬運,違者必究01日本光學技術在科技領域,光刻機從來都是最頂尖的神話一臺光刻機能夠被製造出來,需要十萬個零部件,各種精密的儀器都至關重要。業內有工程師透露,高端光刻機一個零部件的調試就需要花費十年時間,核心子系統更是需要各國頂尖的大公司才能提供。比如較為重要的光學技術幾乎都被日本企業所把控。
  • 為什麼全世界只有2個國家能造出高端光刻機,到底有多難?
    其中最讓仍感到氣憤和激動地就是針對華為的操作,作為中國本土的電子通訊巨頭,華為一直以來都致力於自行研發晶片,但是卻在研發的關鍵時期被美國死死地卡住了脖子,美國想要以此來逼迫華為就範。很多人不明白為什麼華為能夠自行研發5納米的晶片架構,但是還是會被美國卡脖子呢?實際上最主要的原因就是光刻機的技術水平不夠。那麼製造高端光刻機有多難,為何中國造不出?有工程師表示:一個零件都要打磨10年。