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光刻机,打破ASML垄断还要多久?

作者:张依依来源:中国电子报、电子信息产业网发布时间:2020-08-05 22:52我要评论

业界有种说法:“得芯片者得天下”,而光刻机对芯片制造工艺的进步至关重要。光刻机被誉为半导体工业皇冠上的明珠,其研发成本和制造难度巨大,高端的EUV光刻机更是光刻机中技术含量最高的设备。目前,全世界只有ASML(阿斯麦)一家厂商可生产EUV光刻机,EUV光刻机全球出货量已达57台。这种一家独大的情况是否正常?其他厂商距离打破ASML高端光刻机的市场垄断还有多远的路要走?

ASML在高端光刻机市场“一家独大”

目前市场上主流的半导体用光刻机供应商有荷兰的ASML、日本的Nikon(尼康)和Canon(佳能),市场呈现“三分天下”的格局。赛迪智库集成电路研究所相关人士告诉《中国电子报》记者,ASML在半导体高端光刻机市场一家独大,且完全垄断EUV光刻机的生产。相对而言,Nikon和Canon在半导体领域主要服务于中低端市场,先进制程远落后于ASML,优势仅在成本。

从全球范围来看,相关数据显示,2019年ASML、Nikon和Canon半导体用光刻机共出货359台。在半导体中低端市场,ASML占据34%的i-line光刻机市场份额;Nikon的市占率为18%;Canon则以49%的份额在i-line光刻机市场占据领先。ASML在KrF光刻机出货量上以65%的比例占据绝对优势;Canon以34%的比例追随其后;Nikon只占4%的KrF光刻机出货量。

在半导体中高端市场,Canon已经“不见踪影”,ASML则以绝对优势“独占鳌头”,共出货104台ArF和ArFi光刻机,市占率分别为63%和88%,远高于Nikon的37%和12%。

在EUV光刻机的生产上,一直以来只有ASML一家公司能提供可供量产的EUV光刻机,因此ASML完全垄断了EUV高端光刻机市场。ASML的“独步天下”已众所周知,但鲜为人知的是,在“戴上”EUV光刻机这顶“皇冠”之前,ASML也经历了很多关键事件。

记者从业内人士处了解到,1991年ASML推出了PAS 5500,在光刻机领域一举成名。2001年,ASML推出了TWINSCAN系统及双工作台技术,之后又发布了TWINSCANXT系列浸入式光刻机。2010年,ASML成功推出第一台EUV光刻机样机,成为了EUV光刻机的唯一厂商。

该业内人士表示,推出PAS 5000、双工作台、浸入式光刻机和EUV光刻机四大里程碑事件使得ASML在光刻机领域的地位逐渐不可撼动。

打破ASML市场垄断“道阻且长”

作为全球光刻机霸主,ASML已构建了世界上最全面且最强大的光刻机供应链体系,几乎垄断着整个光刻机,尤其是高端光刻机市场。ASML在光刻机市场的一家独大,是否压制了其他企业的发展空间?对此,中国电子科技集团有限公司首席专家王志越告诉记者,作为EUV光刻机的唯一先入者,ASML在光刻机市场的一家独大会使其他厂商发展空间受限。

在王志越看来,其他企业若想挑战ASML的光刻机“霸主”地位,会面临很大困难。王志越指出,第一,突破技术壁垒将会是一大挑战。目前ASML掌握了EUV光刻机的核心技术,拥有核心技术和关键零部件的知识产权,这种知识产权保护布局体系壁垒很难突破。第二,ASML建立的技术相对成熟、合作关系紧密的供应链具有排他性,因此进入需要培育的可控供应链和产品准入市场是很困难的。

芯谋研究首席分析师顾文军在接受采访时也表示,ASML在高端光刻机市场的“一马当先”主要源于其长期的技术积累和与台积电、三星等厂商的合作联盟关系。其他厂商若想打破其垄断,必须要有新一代技术的突破,且对市场化持续投入。

打破ASML高端光刻机的市场垄断不仅需要钻营EUV光刻机本身,还要提升其配套设备和材料的质量。半导体专家莫大康表示,配套材料光刻胶有时会出现问题。EUV光刻机通过反光镜利用反射光时,光子和光刻胶的化学反应会变得不可控,在某些情况下会出现差错,这是亟待解决的问题之一。此外,光刻机保护层的透光材料会存在透光率比较差的问题。光刻机精度的提高需要上面覆盖一层保护层,而低质量的材料会导致较差的透光率。

要想在EUV光刻机市场上占据一席之地,EUV光刻工艺的良率保障也必不可少。复旦大学教授周鹏此前在接受采访时表示,对于先进技术节点中采用的EUV光刻,其良率直接决定了制程技术的成本,因此只有保障EUV的良率和精度,才有可能实现制程技术的突破。相关信息显示,随着业界制程走向10纳米以下,全球只有ASML的EUV光刻系统能够满足更先进制程的要求,因此其他厂商若想打破其垄断,仍是“道阻且长”。

光刻机向更小工艺尺寸迈进

从光刻机技术发展的趋势来看,作为光刻工艺的“实施者”,光刻机成为推动摩尔定律一路前行的核心设备,也伴随着光刻工艺的演进,朝向更小工艺尺寸迈进。

光刻机内部组件的种类繁多,包括透镜、光源、光束矫正器、能量控制器、能量探测器、掩模版、掩膜台等。其中,光源是光刻机最关键且最技术含量最高的部件之一,光刻机的工艺能力首先取决于其光源的波长,光源波长的缩小能够提升光刻机所能实现的最小工艺节点,使芯片制造朝更小制程前进。

第一、二代光刻机分别将汞灯产生的g-line和i-line作为光源,光源波长为436纳米和365纳米,可满足800~250纳米制程芯片的生产。第三代光刻机为KrF光刻机,将波长为248纳米的KrF准分子激光作为光源,将最小工艺节点提升至180纳米。第四代光刻机为ArF光刻机,光源为波长193纳米的ArF准分子激光。为克服技术障碍,光刻机生产商在ArF光刻机上进行了工艺创新,最高可实现22纳米制程的芯片生产。

在摩尔定律的“指挥棒”下,芯片的尺寸越来越小,ArF光刻机已无法满足更小工艺节点的需求。为提供波长更短的光源,缩小工艺节点,第五代 EUV(极紫外)光刻机应运而生。EUV光刻机将二氧化碳激光照射在锡等靶材上,激发出波长13.5纳米的光子作为光刻机光源。光源的改进显著地提升了光刻机所能实现的最小工艺节点。

此外,EUV光源效率也需要进一步提升。“按工艺要求,光源效率要达到每小时刻250片,目前EUV光源率还达不到这个标准。”莫大康说。ASML总裁在IMEC线上论坛的讲话中也表示,ASML计划提高所有曝光工具每小时的晶圆数量。与此同时,他指出,EUV光刻机将继续为ASML的客户提高产量。ASML还将继续提高EUV吞吐量,同时减少每个晶圆的总能量。

目前ASML在高端光刻机市场上一家独大的状况短期之内难以改变。期待技术的持续演进能为后续进入者提供发展机遇,使其在新一代技术的发展中寻求突破。


责任编辑:赵强
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