上海微电子光刻机在全球属于什么水平?

用户 汇聚魔杖 的回答

ASML、佳能、尼康、上海微电子,这四家光刻机企业占据了全球95%以上的份额,但这4家光刻机企业的水平差距也是非常大。ASML是唯一一个进入超高端光刻机领域的企业,它能够生产所有产品线所需要的光刻机。

上海微电子光刻机在全球属于什么水平?

 

ASML的光刻机能够达到3nm的精度,尼康的光刻机主要在28nm以上,表现最好的水平也只有14nm,而佳能、上海微电的光刻机主要在90nm以上打打酱油。10nm以下,ASML稳占100%的市场份额,而尼康、佳能已无力追赶,更别提上海微电子了。

上海微电子注定前途坎坷

上海微电子拥有IC前道制造、IC后道封装、LED制造等等多系列光刻机,网友们经常提到的就是IC前道制造光刻机。用于封测的后道光刻机和用于LED制造的投影光刻机难度较小,上海微电子在这两类的市场占有率均是第一。就拿封测光刻机来说,上海微电子占了80%国内市场份额,在全球市场也占到了近40%的市场份额。

上海微电子光刻机在全球属于什么水平?

 

上海微电子IC前道制造光刻机能实现90nm芯片量产,目前在攻克28nm光刻机。也别小看了90nm的工艺制程,WiFi芯片、LCD驱动芯片、电源管理芯片、射频芯片、各种数模混合电路等等都是90nm光刻机制造。

上海微电子光刻机在全球属于什么水平?

 

实际上光刻机90nm到28nm技术攻克对于上海微电子来说是举步维艰的,比如光源一次曝光可以得到45nm的芯片,三次曝光最多能达到22nm左右水平。实践证明曝光反复叠加并不可行,ASML的光刻机也只能进行2次曝光,再曝光就会导致良率大幅度下降。

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假如上海微电子在ASML当初的环境下,可能已经可以做到和ASML比肩了。因为ASML的光刻机有90%以上物件出自其他供应商,比如美国的光栅、德国的镜头、瑞典的轴承、法国的阀件等等。ASML仅仅把握着高度光刻机的核心技术曝光。

上海微电子光刻机在全球属于什么水平?

 

曝光的精度可以通过时间来不断进行试错纠正,但可怕在于光刻机所用的光栅、镜头、轴承、阀件等等配件买不到,攻克这些技术中的每一项都需要耗费大量时间,光刻机配件供应商在各自的细分领域都是绝对王者。

上海微电子光刻机在全球属于什么水平?

 

《瓦纳森协议》规定28nm以下光刻机关键装备向我国禁运,这对于国内光刻机领域、芯片领域的企业来说一切都没有全球一体化的捷径可走,每完成一次微小的蜕变都需要踩下一个深刻的脚印。在这样的大环境下,上海微电子光刻机弯道超车、换道超车的可能性很小。光刻机市场也并没有想象中那么大,只要稍微技术落后一点点,市场份额就会被竞争对手占据,如此就没有稳定的资金回流,也没有太多的研发经费了。

造高端光刻机这件事要认清现实

既然造高端光刻机这件事这么难,国际形势又那么恶劣,广大网友们更不应该在获得一点小道消息时就吹上天,说“弯道超车”、“换道超车”之类的话,这跟印度三哥吹牛皮又有啥区别,也不应该将造光刻机这件事贬入地,历史告诉我们再难也总会过去,也总会守得拨云见日。不吹上天,不贬入地,等待我国光刻机领域产业链、技术、人才的完善。

上海微电子光刻机在全球属于什么水平?

用户 中年老刘聊财经 的回答

不捧上天、不贬入地,实事求是的说,放眼全球,上海微电光刻机制造水平在全球属于独三档的存在。

上海微电子光刻机在全球属于什么水平?

 

光刻机是制造芯片的核心装备,制造难度极大,尤其是步进投影和扫描投影这两类高端投影式光刻机,更是被誉为世界上最精密的仪器,售价高至1.2亿美金,比某些先进战机的售价还要高。

目前高端光刻机制造领域,全球只有少数几家公司能掌握,那就是荷兰的ASML,日本的尼康和佳能。

不过中低端领域,位于上海的上海微电(SMEE)也能触及,而且全球光刻机市场以中低端产品为主,市场前景还是非常广阔的。

上海微电子光刻机在全球属于什么水平?

 

提到上海微电,前身可以追溯到1928年的国立中央研究院工程研究所,是我国最早的工学研究机构之一,随着改制和发展,当2002年光刻机被列入国家863重大科技攻关计划时,上海微电子装备有限公司应运而生并承担了主要的攻坚克难任务。

不过,纵然是国内光刻机行业的龙头企业,上海微电的起步时间相较于国外,依然晚得多,比如2002年成立时,荷兰ASML已经成立18年了,距离ASML1997年开启EUV光刻机研发也已经过去了5年。

且不说光刻机水平上的差距,但从公司成立的时间和布局光刻机的时间来看,上海微电就已经落于人后了。

不过,成立之初的上海微电并非一片空白,事实上其亲身中科院光电技术研究所早在1980年就研制出来首台国产光刻机,第45所更是在1985年研制出了我国首台g线1.5um分步投影光刻机,这些都能为上海微电提供经验和研制基础。

上海微电子光刻机在全球属于什么水平?

早期国产光刻机的研发

到了2007年,上海微电600系列光刻机问世,型号主要包括SSA600/20、SSC600/10和SSB600/10三款,可满足90nm-280nm关键层和非关键层的光刻工艺。

600系列的推出距今也有15年的时间了,那么他在当时处于什么水平呢?这大概相当于2004年英特尔最新款奔腾4处理器,在当时来说,相对较为先进,但两年后的2006年,ASML就首度推出了EUV光刻机的原型、2010年样机NXE3100面世、2015年实现少量量产,将光刻机的先进程度推向了一个新的高度。

反观上海微电,自15年前推出最高工艺节点90nm的600系列之后,受限于技术、人才,以及禁售、禁技术输出扶持等各项复杂因素,继续突破遇到了极大的瓶颈。

直到今年七八月份,传出上海微电交付28nm光刻机,通过多次曝光技术可用于14nm芯片的制造并能保证良品率之后,才算是再次迎来了新突破。

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上海微电600系列及参数

然而,毫不客气的说,我们在进步的同时,国外厂商也没闲着,依附高端光刻机技术不断向前突破,三星13亿美元的7nm工厂已完工,台积电5nm芯片号称2024年实现量产,3nm芯片也在布局和量产。

上海微电子光刻机在全球属于什么水平?

 

从国产芯片90nm到28nm、14nm,能侧面印证我们在光刻机制造领域的进步,而三星和台积电等芯片厂商却朝着7nm、5nm、3nm在进发,这是否已经说明我们在光刻机制造领域已经远远落于人后了呢?

其实完全不用这么悲观,如果与ASML、尼康和佳能等顶级光刻机厂商对比,确实存在“代差”,但如果放眼全球,以上海微电为代表的中企,尚处在第三梯队。

若从制造技术上对全球各厂商排个名,大致是这样的顺序:

第一梯队,荷兰ASML遥遥领先

从2021年全球478台前道光刻机的出货数据来看,ASML的309台,占比是65%,剩余的35%几乎被日本的尼康和佳能全部占据着。

虽说三家头部企业已经实现了光刻机出口市场上的绝对垄断,但如果具体到EUV高端光刻机,ASML的市场份额近乎100%,这是尼康和佳能也无法企及的。即便是DUV光刻机,精度更高的ArFi、ArF Dry也是ASML说了算,市场份额占比分别是96%和88%。

由此不难看出,在高端光刻机领域,ASML出于独一档的存在,全球其他厂商尚没有能力撼动其地位。

上海微电子光刻机在全球属于什么水平?

 

而且越是高端的光刻机,其利润越大,得益于此,去年第四季度,ASML的整体毛利率高达54.2%,净利润实现17.74亿欧元。这还是在受到疫情影响下,芯片全球需求较为萎靡的背景下取得的。

说ASML在高端光刻机领域“独步全球”,这一点都不过分,按照他的制造技术和产能,倘若想进一步拿下尼康和佳能的市场份额,完全有能力实现。只不过人家在考虑出货量的同时,还在考虑单台售价和毛利率,压根就不太重视低端市场,与其说是“三足鼎立”,不如说是“傲视群雄”。

上海微电子光刻机在全球属于什么水平?

 

第二梯队,尼康和佳能

在第二梯队上,尼康和佳能的地位,其他厂商又无法撼动,两者牢牢占据着全球剩余近35%的市场份额。

不过,纵然市场份额较大,但出口的光刻机基本上以低端光刻机为主,比如2020年和2021年,ASML分别出口了31台和42台EUV光刻机,而尼康和佳能的出口量则为0。

再比如按照2021年的数据,DUV中精度更高的ArFi光刻机,尼康出口了4台、佳能是0台,而ASML则是81台;ArF Dry更甚,尼康出口了3台、佳能是0台,ASML是22台。

只有在低端市场,尼康和佳能才有一定的市场份额,比如KrF光刻机,佳能出口了38台;i-line光刻机,佳能出口了102条,多于ASML的33台。

无疑,尼康和佳能两家日企在光刻机市场的主要优势集中在低端领域,尚能与ASML掰掰手腕。

上海微电子光刻机在全球属于什么水平?

 

但换一个角度想,即便是低端领域,除了这三家头部厂商之外,其他厂商也很难染指,即便是中企厂商中的代表上海微电,份额也近乎为0。

从这个角度也能看出全球光刻机制造水平的巨大差距,ASML不太想要的低端市场,尼康和佳能占据着,而其他厂商甚至连“门槛”也摸不到。

上海微电子光刻机在全球属于什么水平?

 

第三梯队,上海微电

具体说一下上海微电吧,其实在去年全球总共478台前道光刻机的出货量中,光刻机类别主要有5种,分别是EUV、ArFi、ArF Dry、KrF和i-line,能到达的最短制程分别对应7nm以下、45-7nm、65nm、180nm和0.35um,其中1um=1000nm,也就是最低端的i-line对应的是350nm。

上文说到,上海微电的600系列,最高工艺能达到180nm,也就是说理论上,在5中主要类别的光刻机市场上,按道理来讲,上海微电应该在KrF和i-line上有一席之地。

然而现实却很残酷,实际上上文也提到了,ASML、尼康、佳能三者的总份额近乎100%,几乎没有上海微电600系列的份额。

所以上海微电究竟在国际上处于一个什么样的水平,大家应该有一个较为直接和清醒的认识。

上海微电子光刻机在全球属于什么水平?

 

但这并不意味着上海微电就完全落于人后了,事实上上海微电占据着国内80%的市场份额,一方面说明上海微电在国内处于绝对的领先地位,另一方面也说明在低端光刻机领域,我们还是能实现一定比例的自给自足的,毕竟其他很多国家,但凡是涉及到光刻机,几乎100%的依赖进口,上海微电算是独三档的存在。

再就是前段时间28nm光刻机交付,随着技术的成熟和实践阶段的检验,未来可能会在国际45-7nm这一层面上形成竞争,只不过是时间长短的问题。有朝一日,我们的国产光刻机,也能走出国门。

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上海微电SMEE

综上来说,上海微电纵然在国内光刻机市场占据着80%的份额,但倘若放眼全球,其竞争力水平尚不能与ASML甚至佳能、尼康相提并论,600这一成熟系列距研发成果至今,已经有15年的时间了,在国际上的竞争力稍显不足。

客观求是的讲,我们在光刻机领域的进步是明显的、看得见的,但也绝不能过分的“捧杀”,这对技术进一步改良和进步一点好处也没有。相对落后并不可怕,怕的是取得一点成绩就沾沾自喜,我们还是应该有一个较为准确的定位和清醒认识的,既不捧上天,也不贬入地。

对此,大家怎么看?欢迎留言交流;

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用户 熊猫X宇航员 的回答

上海微电子(SMEE) 做为国内拥有最先进的光刻机设计制造技术厂商,目前能达到的最高工艺节点(tech node) 是90nm。90nm是什么概念呢?大致相当于2004年2月年英特尔的奔腾4,当时最强的Prescott架构3.8Ghz就是用的90nm光刻,也是那个时代晶圆厂最好的工艺代表。另外同期同制程节点的还有索尼Playstation2的处理器、IBM PowerPC G5、英伟达的GeForce8800 GTS等。当然实际光刻能力,涉及到晶圆厂的制造能力,最终会有不同。虽然光刻工艺只是芯片制造的上千道工艺中的一部分,但确实最关键的,光刻精度不够,后面任何步骤设计都会产生大量的偏移和失效。这在国际上,算是第四名,因为没有第五第六名。

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光刻基本原理图解:光刻胶会根据光罩所绘制的图形被UV射线照射下留下对应的图形形状

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晶圆片放大后可以看到一个一个的die排列,die内部是层层叠叠的电路,这些电路就先由光刻开始来制造

而这台SSX600系列的90nm光刻机,大约是在2007年研发成功,真正上市时间未知。时至今日,上海微电子的主流产品还停留在前道90nm以及后端光刻系列。后端光刻主要用于先进封装形式,也就是晶圆级封装(WLP)及Bumping为主,对光刻精细度要求没有可比性,拜托有的人就不要把封测那边甚至是MEMS、液晶面板光刻的市场份额拿出来说了,完全两个世界。前道光刻才是真正的地狱难度。

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所谓IC前道光刻机90nm系列

那90nm的光刻机在2021年的今天,还能做什么?我们可以看看下面这个图:,55-90nm仅剩9%的产能,逻辑芯片(比如CIS,驱动芯片、控制芯片等)、e-Flash和DAO(电源类分立器件芯片,结构最为简单)为主。也就是说基本上不会是西方卡脖子的类别,器件设计上构造简单的芯片。

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全球晶圆制造产能vs.技术节点占比

导致国产光刻机一直没用进步的原因有很多。实际上国家进行相关立项是非常早的,也不仅仅是一家公司一个研究机构进入项目。可无奈高端光刻机的大部分核心零部件,我们没有能力设计制造,导致一进口就被禁运。当然,我们的设备厂商、半导体材料研究机构、晶圆厂,都在积极寻求和国外机构、企业的合作,以达到研发和其他资源上的共赢,并规避一部分境外的技术、材料、部件的限制。只是离高端制程节点越近,这样的限制就卡得越紧。(大家可以查一下IMEC这个比利时的研究机构,他们在上海也有分店。)

我们可以先看看一台光刻机的主要组成部分有哪些:

  • 光学成像系统(制造更短的波长满足瑞利准则CD = k1 • λ / NA
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  • 光路与激光系统 (决定不同的光源和发射方式)
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我国大部分商用级的激光研发都在光电,精度级别也有差异

  • 镜头与对焦系统 (复杂的纳米级光学成像系统)
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EUV光刻机内部大概是这样的

  • 机械、自动化部分 (所谓超精密型自动化系统,感应精度要达到每秒两万次位置检测,每次位移小于一个硅原子的尺寸——60皮米。什么概念?你要开着高达在一根头发上刻自己名字)
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感应器要检测图中黑色晶圆片上每一个die内部的电路之间光刻的完成情况,而且是每秒几万次

  • 量测系统(光学、e-beam、In-Scanner以及Pattern Fidelity,这也不是简单的部分,在晶圆厂里面有专门一个部门叫Metrology进行这项工作,比如e-beam就需要单独一个机台产生电子束并生成图像,In-Scanner则是亚纳米级——小于1纳米的尺寸精度)
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光学检测机台

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e-Beam有专门的系统来负责

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ASML最新型EUV极紫外光刻系统TWINSCAN NXE:3400C

稍微查一下材料,就可以看到国内到底哪些厂商有能力供应65nm以下光刻系统核心部件,是否已经拥有商业级别自主设计和制造能力。对,你猜得没错,几乎都没有——实验室里面有、研发基地里面有,但那不等于可以进行到商用级别,还只能停留在实验室里面做论证和分析。 而且加上瓦森纳协议《关于常规武器和两用物品及技术出口控制的瓦森纳安排》等西方世界针对社会主义国家的禁运玩法存在,就连跨国合作都被限定在非常清晰的框架内。现实就是如此残酷!

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蓝色为瓦森纳协定国

一下子要跳到28nm,甚至14nm,不是上海微电子做不出来,而是这事情不能靠上海微电子一家去做。这是一个需要整合社会资源、进行多层次多路径全赛道起跑的一整套工业技术开发项目集合。那一条赛道慢一点,我们的下一个世代光刻机就要等等。资金,我们有的;人才,我们也有的;参照物也有的;政策也有明确的导向;舆论也给足了劲。剩下的就是给他们时间和空间,因为各专项有对应的企业和机构在攻坚了。小道消息,28浸没式DUV有在研发(对就是你们知道的02项),但还是需要些时间才知道是否能用到晶圆厂里。如果有吹14nm出来的,到今天为止可以直接当做某种对上海微电子乃至整个国产光刻机行业的捧杀。

少一点毒奶,多一点务实。把他们吹上天,未必是好事。把他们贬得一文不值、冷嘲热讽,也不过是递刀子让境外渗透势力攻击我们的科研体制。让社会大众了解清楚现状,我们自己的舆论也责无旁贷。

上海微电子,前路漫漫,却依然是国产高端光刻机的希望。

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