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    中國首臺光刻機交付,2022國產芯片還能更差嗎?

    來源:鈦媒體  作者:整理  日期:2022-02-09 12:13:37

    “就算給圖紙,也造不出光刻機。”“就算舉全國之力發展半導體制造,也很難取得成功。”阿斯麥負責人、臺積電創始人張忠謀,在過去的兩三年間,不止一次公開表示中國大陸不可能憑一己之力成功制造光刻機。

    其實嚴格意義來講,位于荷蘭的阿斯麥公司(ASML)雖然是全球唯一一家可以生產光刻機的公司,但其也不過是一家組裝公司而已,大量核心技術來源于美國,而且也有中國公司在阿斯麥供應鏈內,比如福晶科技、華特氣體等。

    實際上,在光刻機成品方面,上海微電子自從2002年成立至今,早已穩穩扎根于低端光刻機市場,90nm及以下制程產品已經實現穩定出貨,根據公開數據可知,上海微電子2018年出貨量大約在50-60臺之間,在大陸市場占比約為8成。所以上述倆人的這種論斷,要加一個前置條件,即“先進制程”光刻機。

    我們常說的先進芯片,是指生產工藝小于28納米,即28\14\7\5\3nm制程的芯片,此次上海微電子舉行首臺2.5D/3D先進封裝光刻機發運儀式,雖然標志著中國首臺2.5D/3D先進封裝光刻機正式交付客戶,但對于我們目前被卡脖子的芯片制造而言,只是黑夜中一抹燭光。

    “1”和“0”的故事

    雖然“光刻機”近年來屢見報端,但是很少有人提及光刻機主要分為“前道、后道和面板”等三類,被卡脖子的,是前道光刻機,上海微電子此次發布的是封測光刻機。

    如果把芯片制造比作食品生產,前道就是“食品”本身,后道是包裝袋,面板制造屬于平時想不起來,但是缺少就會直接痛擊消費者味蕾的“調味品”,為數碼生活調味,因為面板對于C端用戶而言,是其最“觸手可及”的。

    因為沒了驅動芯片,不管是前道、還是后道芯片,都很難讓C端用戶,對芯片性能有一個直觀體驗。不過無論包裝和調味品對食品多么重要,如果沒有“食品”本身,其價值都是“0”。

    所以想要完全體現后道、面板芯片的價值,就要先擁有性能優良的前道芯片。在前道光刻機制造中,其實光刻機并不是按照“NM”數分類的,而是以光源波長來劃分為,采用436nm光源的“g-line光刻機”;365nm光源的“i-line光刻機”;248nm光源的“KrF光刻機”;193nm深紫外光源的“DUV光刻機”;以及采用13.5nm極紫外光源的“EUV光刻機”,這也是目前被卡脖子的主要產品。

    目前上海微電子前道產品工藝,已經觸及ArF工藝,對應的光刻膠,國內目前已經有上海新陽、彤程新材、南大光電、晶瑞股份等公司進行研發、生產,其中南大光電旗下ArF光刻膠,已經在2020年底成功通過客戶驗證,是國內第一只通過產品驗證的國產光刻膠。

    而ArF光刻膠對于前道生產而言,是不可缺少的一項。雖然南大光電ArF光刻膠已經通過了客戶驗證,但是借用全球TOP3的芯片制造商,國產芯片制造龍頭,中芯國際光刻膠負責人楊曉松的一句話:目前沒有一家國產光刻膠企業敢見他。

    中芯國際目前是以28nm、14nm制程芯片為主要營收支柱,制程大于28nm的中低端芯片,只是中芯國際營收中很少的一部分。換言之,國產光刻膠尚不足以應對28nm制程和更先進的芯片,甚至不符合中芯國際對中低端芯片的制造要求。

    這話或者已經間接表明,國內芯片前道生產目前面臨的困難,不僅沒有對應的光刻機,還缺少可以實現國產替代的光刻膠。不過好消息是,泰晶科技目前已經在全自動晶圓調頻及測選機近日又取得新突破。

    該設備主要用于光刻晶片的頻率自動調整,這一設備的研制成功,不僅填補了行業空白,而且保證了關鍵性技術的保密性,逐步為光刻機國產替代奠定基礎。

    雖然在芯片前道制造中,DUV\EUV光刻機可謂是一步一個坎兒,但在前道工藝設備中同樣處于重要地位的蝕刻機設備,已經為光刻機發展蹚出一條“血路”。

    蝕刻機在封鎖中成為單項第一

    在前道晶圓制造中,所用到的專用設備主要包括氧化/擴散設備、光刻設備、刻蝕設備、清洗設備、離子注入設備、薄膜沉積設備、化學機械拋光設備。其中刻蝕和光刻、薄膜沉積,并稱為半導體制造三大核心工藝。

    “光刻”是指在涂滿光刻膠的晶圓(或者叫硅片)上蓋上事先做好的光刻板,然后用紫外線隔著光刻板對晶圓進行一定時間的照射。原理就是利用紫外線使部分光刻膠變質,易于腐蝕。

    “刻蝕”是光刻后,用腐蝕液將變質的那部分光刻膠腐蝕掉(正膠),晶圓表面就顯出半導體器件及其連接的圖形。然后用另一種腐蝕液對晶圓腐蝕,形成半導體器件及其電路。

    至2015年,中微公司不斷精進產品工藝,蝕刻機工藝,一直與世界先進水平保持同步,并且憑借良好的營銷策略,逼著美國取消蝕刻機銷售限制,因為當時以美國技術主導的蝕刻機產品,市場份額已經受到明顯吞噬。

    三年后的2018年,根據IHS Market統計,中微公司更是一舉打破維易科和愛思強,在MOCVD設備的壟斷地位,占全球新增氮化鎵基LED-MOCVD市場份額的41%,下半年全球占比更是超過60%,單一產品占有量全球第一。

    時間來到2021年,中微公司蝕刻機制程提升至5nm,并成功研制3nm蝕刻機,2022年1 月22日,中微公司披露2021年業績預告,預計營收同比增加36.73%,達到31.08億元,新簽訂單41.3億元,同比增加90.5%,約增加19.6億元。體現在利潤上,中微公司歸母凈利潤約為9.5億元至10.3億元,同比增幅約為93.01%至109.26%。

    除中微公司外,北方華創也是國內主要蝕刻機生產廠家。但根據亞化咨詢統計數據,截至2020年12月16日,長江存儲累計招標348臺刻蝕設備,其中美國廠商Lam Research中標187臺,占總采購數量的比例為54%。

    國內廠商中微公司、北方華創、屹唐股份分別中標50臺、18臺、13臺,國產化率達到23.85%;華虹六廠累計招標81臺刻蝕設備,其中LamResearch中標45臺,占總采購數量的比例為56%,中微公司中標15臺,為華虹六廠刻蝕設備第二大設備供應商,占總采購數量的比例為19%。

    從全局來看,蝕刻機國產替代率依舊有巨大提升空間,芯片設備國產替代之路依舊任重道遠。

    對于芯片生產廠商而言,設備更換具有特定的周期性,除了常見的設備磨損導致設備更換外,還有一個重要原因就是技術迭代。而且隨著芯片制程不斷升級,蝕刻設備的重要性正逐步提升。

    更關鍵的是,以中微公司為例,公司旗下蝕刻機早已可以應用于第三代半導體,第三代半導體頭部廠商三安光電就是其客戶,中微公司MOCVD設備可以加工第三代半導體材料氮化鎵。

    根據 SEMI 數據,5nm 制程芯片所需使用的刻蝕次數高達 160 次,較 14nm 提升 150%,直接增加了刻蝕工藝的資本支出,刻蝕設備在晶圓廠產線中的價值占比正在不斷提升。

    根據Gartner數據顯示,2015年至2017年,等離子刻蝕設備市場規模復合增速為17%,超過其他前道設備市場增速。目前,存儲器件正從2D向3D結構轉變,邏輯器件向3nm等技術節點發展,這些工藝的變化使得等離子體刻蝕設備成為更關鍵的設備,其市場增速超過光刻機和其他前道設備。

    3DNAND層數的增加要求刻蝕技術實現更高的深寬比。集成電路2D存儲器件的線寬已接近物理極限,NAND閃存已進入3D時代。3D NAND制造工藝中,增加集成度的主要方法不再是縮小單層上線寬而是增加堆疊的層數。

    刻蝕要在氧化硅和氮化硅一對的疊層結構上,加工40:1到60:1的極深孔或極深的溝槽。根據東京電子的統計,3DNAND中刻蝕設備的支出占比達到50%,遠高于此前工藝NAND的15%。

    問題天生就是用來解決的

    通過梳理,我們不難發現,國產光刻機目前遇到的困難,國產蝕刻機都曾遇到過,而且國產蝕刻機起步甚至還比光刻機晚兩年,一樣可以在短期內取得突破性進展,并可以實現技術領先。

    不可否認,光刻機的制造存在客觀困難,但如今已經實現了從“0”到“1”的突破,目前要解決的問題,是在“1”后面加幾個“0”的問題,既然存在問題,對應著就會存在解決問題的方法,只是需要人才、資金、宏觀政策扶持。

    如今在光刻機領域,上述三個條件已經完全具備,剩下的,只能等時間給我們答案。畢竟,中科院也曾在1960年就成立了半導體研究所,北大物理系半導體研究小組,甚至比韓國/中國臺灣提前四五年,成功研制三種類型的(硅柵NMOS、硅柵PMOS、鋁柵NMOS)1KDRAM動態隨機存儲器。

    今天的國產半導體,難道還能“更差嗎”?

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