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三大巨头行业垄断,中国“芯”危机丨亿欧全球视角

智慧安防芯片集成电路
亿欧
张伟超
2019-12-30 · 16:30
[ 亿欧导读 ] 短期国内在光刻机领域实现突破的可能性几乎为0。
半导体芯片,光刻机,EUV光刻机,ASML,Canon,Nikon,芯片 图片来自“亿欧网”

芯片的重要性不言而喻,芯片制造的难度也与它的重要性成正比。 

一颗小小的芯片,从设计到制造,按照产业链环节划分,可以分为IC设计、材料、晶圆代工、设备、封装测试五个领域。 

所有的生产都离不开设备,芯片对设备的依赖更强。IC设计完成后,需要晶圆加工厂根据设计图纸对晶圆进行加工,这其中包含前后两道工艺,前道工艺分为:光刻、薄膜、刻蚀、清洗、注入五大流程;后道工艺主要是互联、打线、密封等封装工艺。 

这一系列过程所用设备,可分为晶圆制造设备、封装设备和测试设备等。晶圆制造设备又分为刻蚀机、光刻机、薄膜沉设备、CMP设备、检测设备等。 

图:光刻机简易工作原理 来源:百度百科

其中,难度最大的就是光刻机,光刻也是制造和设计的纽带。  

技术与资金是光刻机两大梦魇 

光刻机的制造难度首先体现在技术上。一台普通的光刻机大概拥有三万多个部件,可以说每个部件科技含量都非常高。其中难以攻克的瓶颈主要集中在透镜、掩膜版、光源、能量控制器等。 

光源方面,必须要稳定、高质量地提供指定波长的光束。而能量控制器,也就是电源。电源要稳定、功率要足够大,否则光源发生器没办法稳定工作。此外,在大、稳的同时,还要考虑经济性能。 

掩膜版通俗点理解,相当于过去用胶片冲洗照片时的底片。底片如果精度不够,是洗不出来高精度照片的。光刻机施工前,要根据设计好的芯片电路图制作掩膜板。掩膜板材质是石英玻璃,玻璃上有金属铬和感光胶。通过激光在金属铬上绘制电路图。 

透镜是用光学原理,将掩膜版上的电路图按比例缩小,再用光源映射的硅片上。光在多次投射中会产生光学误差。所以要控制误差,这些部件对精度要求都极高,全都是纳米级精度,就连测量台移动的控制器,也是纳米级精度。 

除了技术难度,其次是资金上的困难。巨额的研发资金投入,让很多公司面临倒闭或者停产,以至于如今全球能生产光刻机的国家或公司寥寥无几。 

全球洗牌,光刻机已成寡头市场 

历史上,从全球角度来看,荷兰的ASML,日本的Nikon、Canon、Hitachi,美国的GCA、SVG、Ultratch、ASET、Perkin-Elmer、Eaton,民主德国的Zeiss都曾在光刻机制造的历史上留下自己的身影。 

随着时间的推移,工艺技术的进步,光刻机真正的成为了“寡头”市场。上述企业有的已经退出光刻机市场,有的被收购,有的转战先进封装用光刻机市场。 

目前全球半导体前道用光刻机的生产厂商有4家,分别是荷兰的ASML、日本的Nikon、Canon和上海微电子(SMEE)。其中ASML更是以巨大的优势,一家独占7成的市场。紧随其后的是Canon与Nikon,上海微电子暂无市场份额。 

ASML脱胎于飞利浦光刻设备研发小组。飞利浦从1971年开始,在此前开发的透镜式显影装备基础上,开发透镜式非接触光刻设备。随后一段传奇的产业经历让ASML杀出重围,并于1995年上市。2000年推出TWINSCAN双工件台光刻机,ASML一举奠定霸主地位;随后进入EUV时代,ASML终于是一骑绝尘,可能已无人能比肩了。 

几乎与ASML同时代,Canon公司1970年也涉足半导体制造设备领域, 凭借世界领先的光学及精密机械生产技术,从研制2:1缩小投影和接触接近式光刻设备起步,先后向世界市场投放了PLA系列步进式、MPA系列等倍扫描式、投影式和FPA系列步进缩小投影式、扫描式三大系列的光学光刻设备约10000台,但由于公司在技术上的决策失误,从2008年逐步退出半导体用光刻机市场。 

Nikon的起步要稍晚一些,1980年代,Nikon开始进入半导体制造领域,在近40年的光刻机研究与开发中,已向世界各国或地区销售了各种光刻机超过9000多台,曾创下年销量900台的纪录,不过自2008年和2009年丢失台湾、韩国市场,Nikon开始一蹶不振,出货量急速下滑。 

根据三家公司17年财报显示,2017年全球晶圆制造用光刻机台出货294台,其中ASML就出货198台,占全球近7成的市场。其中EUV光刻机11台,ArFi光刻机76台,ArF光刻机14台,KrF光刻机71台,i-line光刻机26台。

Canon出货70台,占比24%,集中在低端产品,其中KrF光刻机20台,i-line光刻机50台。 

Nikon出货26台光刻机,占有率不足10%,其中ArFi光刻机6台,ArF光刻机8台,KrF光刻机2台,i-line光刻机10台。 

EUV(Extreme Ultra-violet),常称作极紫外光刻,它以波长为10-14nm的极紫外光作为光源的光刻技术,可以制作32nm以下制程的芯片。ArFi、ArF、KrF,长称作深紫外光刻,它们分别以波长为157nm、193nm、248nm的深紫外光作为光源的光刻技术。ArF以上被称作高端光刻机。  

顶级技术EUV垄断,追赶之路漫漫 

到了2018年,据财报显示,三巨头半导体用光刻机出货374台,较2017年的294台增加80台,增长27.21%。而从EUV、ArFi、ArF机型的出货来看,全年共出货134台。其中ASML出货120台,占有9成的市场。 

至此,高端光刻机市场已经被ASML垄断,且更为关键的是,最先进的7nm制程的EUV光刻机只有ASML一家公司可以生产,再无第二家,如果想要生产最先进的芯片,就必须要和它合作,且有价无市。 

近年来我国虽然在半导体领域不断追赶,上海微电子也有了自己的光刻机,但只能用于90nm制程的芯片制造,虽然只是80nm的差距,但所需的技术可能相差从地球到太阳的距离。EUV技术是人类科学史上的奇迹,短期国内在光刻机领域实现突破的可能性几乎为0。 

但令人欣喜的是,除了光刻机外,其他制造设备均有所突破。在工艺难度远小于光刻的刻蚀技术上,准备在科创板上市的中微公司的等离子体刻蚀设备已被广泛应用于从65nm到7nm的IC加工制造及封装。另一个国产IC设备龙头则是北方华创,北方华创的优点在于全面,目前可以制造等离子刻蚀、物理气相沉积、 化学气相沉积、氧化/扩散、清洗、退火等半导体工艺装备。 

中国半导体技术追赶,长路漫漫,唯坚持作伴。

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