“超級設(shè)備”入華 芯片自主生產(chǎn)有希望？

據(jù)多家媒體證實，長江存儲從荷蘭阿斯麥(ASML)公司訂購的一臺光刻機已抵達武漢。這臺光刻機價值價值7200萬美元，約合人民幣4.6億元。另據(jù)媒體報道，中芯國際在中興事件之后也向該公司下單了一臺光刻機，這臺名為EUV(極紫外線)光刻機更是身價不菲，價值1.2億美元，交貨日期尚不確定。

價值幾個億的光刻機是什么?

半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)主要分為 IC 設(shè)計、 IC 制造、 IC 封測三大環(huán)節(jié)。 IC 設(shè)計主要根據(jù)芯片的設(shè)計目的進行邏輯設(shè)計和規(guī)則制定，并根據(jù)設(shè)計圖制作掩模以供后續(xù)光刻步驟使用。 IC 制造實現(xiàn)芯片電路圖從掩模上轉(zhuǎn)移至硅片上，并實現(xiàn)預(yù)定的芯片功能，包括光刻、刻蝕、離子注入、薄膜沉積、化學(xué)機械研磨等步驟。 IC 封測完成對芯片的封裝和性能、功能測試，是產(chǎn)品交付前的最后工序。

芯片制造核心工藝主要設(shè)備全景圖

光刻是半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)流程中最復(fù)雜、最關(guān)鍵的工藝步驟，耗時長、成本高。半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)的難點和關(guān)鍵點在于將電路圖從掩模上轉(zhuǎn)移至硅片上，這一過程通過光刻來實現(xiàn)， 光刻的工藝水平直接決定芯片的制程水平和性能水平。芯片在生產(chǎn)中需要進行 20-30 次的光刻，耗時占到 IC 生產(chǎn)環(huán)節(jié)的 50%左右，占芯片生產(chǎn)成本的 1/3，因此光刻機成為芯片制造的核心設(shè)備之一。

光刻機按照用途可以分為好幾種：有用于生產(chǎn)芯片的光刻機;有用于封裝的光刻機;還有用于LED制造領(lǐng)域的投影光刻機。用于生產(chǎn)芯片的光刻機是中國在半導(dǎo)體設(shè)備制造上最大的短板，國內(nèi)晶圓廠所需的高端光刻機完全依賴進口，長江存儲和中芯國際訂購的光刻機就是用來生產(chǎn)芯片的。

光刻機工作原理

光刻機通過一系列的光源能量、形狀控制手段，將光束透射過畫著線路圖的掩模，經(jīng)物鏡補償各種光學(xué)誤差，將線路圖成比例縮小后映射到硅片上，不同光刻機的成像比例不同，有5:1，也有4:1。然后使用化學(xué)方法顯影，得到刻在硅片上的電路圖(即芯片)。

一般的光刻工藝要經(jīng)歷硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻膠、軟烘、對準(zhǔn)曝光、后烘、顯影、硬烘、激光刻蝕等工序。經(jīng)過一次光刻的芯片可以繼續(xù)涂膠、曝光。越復(fù)雜的芯片，線路圖的層數(shù)越多，也需要更精密的曝光控制過程?，F(xiàn)在先進的芯片有30多層。

上圖是一張光刻機的簡易工作原理圖。下面，簡單介紹一下圖中各設(shè)備的作用。

測量臺、曝光臺：承載硅片的工作臺，也就是本次所說的雙工作臺。

光束矯正器：矯正光束入射方向，讓激光束盡量平行。

能量控制器：控制最終照射到硅片上的能量，曝光不足或過足都會嚴(yán)重影響成像質(zhì)量。

光束形狀設(shè)置：設(shè)置光束為圓型、環(huán)型等不同形狀，不同的光束狀態(tài)有不同的光學(xué)特性。

遮光器：在不需要曝光的時候，阻止光束照射到硅片。

能量探測器：檢測光束最終入射能量是否符合曝光要求，并反饋給能量控制器進行調(diào)整。

掩模版：一塊在內(nèi)部刻著線路設(shè)計圖的玻璃板，貴的要數(shù)十萬美元。

掩膜臺：承載掩模版運動的設(shè)備，運動控制精度是nm級的。

物鏡：物鏡由20多塊鏡片組成，主要作用是把掩膜版上的電路圖按比例縮小，再被激光映射的硅片上，并且物鏡還要補償各種光學(xué)誤差。技術(shù)難度就在于物鏡的設(shè)計難度大，精度的要求高。

硅片：用硅晶制成的圓片。硅片有多種尺寸，尺寸越大，產(chǎn)率越高。題外話，由于硅片是圓的，所以需要在硅片上剪一個缺口來確認硅片的坐標(biāo)系，根據(jù)缺口的形狀不同分為兩種，分別叫flat、notch。

內(nèi)部封閉框架、減振器：將工作臺與外部環(huán)境隔離，保持水平，減少外界振動干擾，并維持穩(wěn)定的溫度、壓力。

ASML的光刻機動輒幾個億，能不能不從他家買呢?

在高端光刻機上，除了龍頭老大ASML，尼康和佳能也曾做過光刻機。

尼康現(xiàn)在之所以還算一家半導(dǎo)體設(shè)備供應(yīng)商，那是因為尼康的屏幕面板光刻機業(yè)務(wù)還在正常運營。以前尼康也賣過一些光刻機給intel，可是現(xiàn)在先進制程設(shè)備采購上，intel看不上尼康的光刻機，想扶一把也沒用?，F(xiàn)在尼康精機部門就是靠著面板光刻機撐著，毛利潤時而有，時而無，虧損是常事，某個季度一旦扭虧，尼康精機就會顯示為業(yè)績增長百分之好幾百。

尼康最新的Ar-F immersion 630賣價還不到ASML Ar-F immersion 1980Di平均售價的一半，更別說和ASML劃時代的EUV光刻機比了。而ASML 第12臺EUV光刻機發(fā)貨中。(EUV才是人類文明半導(dǎo)體技術(shù)延續(xù)的基石)

2016年Q2 Q3 ASML ship出去的兩臺 EUV NXE 3350B單價已經(jīng)超過1億美元，Ar-F immersion價格平均價位是4000萬歐元~5500萬歐元左右，以上是算進了refurbished的machine，如果不算，應(yīng)該更高。

下面仔細分析下2016年的ASML季度各個銷售機型數(shù)量和銷售額(不包括 solution 的收入)。

如下報表，ASML的 Ar-F immersion 在Q1銷售15臺，銷售額856million euro乘以79%(不包括solution部分)：

每臺價格約4200萬歐元。

其中ASML在2016年Q2季度銷往美國芯片廠的占21%，銷往韓國新品廠占20%，銷往臺灣芯片廠的占28%。

幾本就是ASML三大優(yōu)先客戶： intel、三星、臺積電三巨頭爭霸的格局

值得注意的是2016年Q1的ASML銷售額中，有35%銷往中國，除了三星在西安的超大型3D 10納米級NAND芯片廠擴產(chǎn)外和intel在大連的芯片廠升級外，中國本土廠商也買到了ASML的光刻機(不過由于北約的瓦森納協(xié)議限制，中國只能買到中低端ASML光刻機)。

下面我們來看看尼康的財務(wù)報表是多么得慘淡。

可以看出尼康的芯片光刻機慘不忍睹，Ar-F immersion 銷售為0，Ar-F 銷售也為0，只能賣點I-line和 KrF 光刻機。

別說intel、臺積電、三星這樣的半導(dǎo)體巨頭了，連東芝都不會買尼康光刻機了。雖然尼康做的是低端市場，但是Ar- Fimmersion 和 Ar-F一臺也賣不出去。

截至2013年，ASML就已經(jīng)控制80%的光刻機市場，壟斷全部的高端光刻機市場了。高端光刻機市場，ASML一家獨大，價格自然居高不下。

如果考慮中國自主的光刻機呢?

我國光刻機現(xiàn)在達到什么水平?

據(jù)悉，長春光學(xué)精密機械與物理研究所、應(yīng)用光學(xué)國家重點實驗室負責(zé)物鏡系統(tǒng);照明系統(tǒng)由中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所，兩個團隊所共同負責(zé)的國產(chǎn)光刻機已于2017年7月首次曝光成功，2017年10月曝光光學(xué)系統(tǒng)在整機環(huán)境下已通過驗收測試。

長春國科精密光學(xué)技術(shù)有限公司、科技部原副部長、02專項光刻機工程指揮部組長曹健林在分享專項進展時表示，目前90納米檢測已經(jīng)達到要求，希望未來五年內(nèi)應(yīng)可順利驗收完成。

2007年正式啟動90納米節(jié)點曝光光學(xué)系統(tǒng)立項，2009年項目獲批，國產(chǎn)光刻機物鏡系統(tǒng)由長春光學(xué)精密機械與物理研究所、應(yīng)用光學(xué)國家重點實驗室負責(zé);照明系統(tǒng)由中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所，兩個團隊所共同負責(zé)，專項一期項目投入近6億元。專項目標(biāo)是建立物鏡超精密光學(xué)研發(fā)團隊與平臺，并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化滿足IC生產(chǎn)線的批量生產(chǎn)要求。

曹健林稱，光刻機的研發(fā)過程嚴(yán)格按照里程碑節(jié)點進行控制與設(shè)計，并建立綜合設(shè)計、加工、鍍膜、裝配、測試、裝調(diào)全工藝過程的像質(zhì)預(yù)測模型。2015年7月已經(jīng)完成裝配，其后展開物鏡測試臺的精度提升工作;2016年9月物鏡系統(tǒng)已經(jīng)交付，整個大硅片都已經(jīng)進行分布式測量;2017年7月首次曝光成功;2017年10月曝光光學(xué)系統(tǒng)在整機環(huán)境下通過驗收測試。

攻克“皇冠上明珠”朝28納米邁進

曹健林進一步說，應(yīng)該說國內(nèi)半導(dǎo)體行業(yè)的關(guān)鍵材料與裝備才剛剛起步，希望未來光刻機自主研發(fā)能攻克難關(guān)拿下這顆 “工業(yè)皇冠上的明珠”。他稱，接下來項目還將繼續(xù)推進攻克28納米研發(fā)，規(guī)劃兩年后拿出工程樣品，目前EUV的原理系統(tǒng)也已經(jīng)“走通了”，預(yù)計2018年主攻EUV 53波長機臺。

隨著02專項的支持，國內(nèi)重大裝備于2016年國產(chǎn)裝備銷售已達32億元人民幣。 他也提個醒，盡管不可否認中國半導(dǎo)體行業(yè)的快速發(fā)展取得矚目，但在肯定自身進步的同時，也要看見自己仍存在的差距。他舉例，以當(dāng)前集成電路每年約進口兩千億元來細看，其中主要以微處理器、存儲器就約占了1500億，這兩個部分也恰恰是中國目前自身還做不到的。

隨著02專項的支持，有些重大裝備已經(jīng)取得突破。但他指出當(dāng)前面對中國集成電路發(fā)展，應(yīng)該“正確理解中國集成電路產(chǎn)業(yè)存在差距”。

小結(jié)

我國集成電路與國外產(chǎn)業(yè)差距較大，光刻機不是唯一瓶頸。集成電路的制造從設(shè)計、制造到封裝測試，一顆芯片從無到有，每一步都經(jīng)過無數(shù)工序。好在長江存儲與中芯國際光刻機的購買，讓我們又能看到半導(dǎo)體行業(yè)的曙光。拭目以待，看我們的速度能否超越外國，打贏半導(dǎo)體行業(yè)這場斗爭。