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三大巨頭行業壟斷 中國「芯」危機

芯片的重要性不言而喻,芯片製造的難度也與它的重要性成正比。一顆小小的芯片,從設計到製造,按照產業鏈環節劃分,可以分為IC設計、材料、晶圓代工、設備、封裝測試五個領域。

所有的生產都離不開設備,芯片對設備的依賴更強。IC設計完成後,需要晶圓加工廠根據設計圖紙對晶圓進行加工,這其中包含前後兩道工藝,前道工藝分為:光刻、薄膜、刻蝕、清洗、注入五大流程;後道工藝主要是互聯、打線、密封等封裝工藝。

這一系列過程所用設備,可分為晶圓製造設備、封裝設備和測試設備等。晶圓製造設備又分為刻蝕機、光刻機、薄膜沉設備、CMP設備、檢測設備等。

其中,難度最大的就是光刻機,光刻也是製造和設計的紐帶。

技術與資金是光刻機兩大夢魘

光刻機的製造難度首先體現在技術上。一台普通的光刻機大概擁有三萬多個部件,可以說每個部件科技含量都非常高。其中難以攻克的瓶頸主要集中在透鏡、掩膜版、光源、能量控制器等。

光源方面,必須要穩定、高質量地提供指定波長的光束。而能量控制器,也就是電源。電源要穩定、功率要足夠大,否則光源發生器沒辦法穩定工作。此外,在大、穩的同時,還要考慮經濟性能。

圖:光刻機簡易工作原理

掩膜版通俗點理解,相當於過去用膠片沖洗照片時的底片。底片如果精度不夠,是洗不出來高精度照片的。光刻機施工前,要根據設計好的芯片電路圖製作掩膜板。掩膜板材質是石英玻璃,玻璃上有金屬鉻和感光膠。通過激光在金屬鉻上繪製電路圖。

透鏡是用光學原理,將掩膜版上的電路圖按比例縮小,再用光源映射的硅片上。光在多次投射中會產生光學誤差。所以要控制誤差,這些部件對精度要求都極高,全都是納米級精度,就連測量台移動的控制器,也是納米級精度。

除了技術難度,其次是資金上的困難。巨額的研發資金投入,讓很多公司面臨倒閉或者停產,以至於如今全球能生產光刻機的國家或公司寥寥無幾。

全球洗牌,光刻機已成寡頭市場

歷史上,從全球角度來看,荷蘭的ASML,日本的Nikon、Canon、Hitachi,美國的GCA、SVG、Ultratch、ASET、Perkin-Elmer、Eaton,民主德國的Zeiss都曾在光刻機製造的歷史上留下自己的身影。

隨着時間的推移,工藝技術的進步,光刻機真正的成為了「寡頭」市場。上述企業有的已經退出光刻機市場,有的被收購,有的轉戰先進封裝用光刻機市場。

目前全球半導體前道用光刻機的生產廠商有4家,分別是荷蘭的ASML、日本的Nikon、Canon和上海微電子(SMEE)。其中ASML更是以巨大的優勢,一家獨佔7成的市場。緊隨其後的是Canon與Nikon,上海微電子暫無市場份額。

ASML脫胎于飛利浦光刻設備研發小組。飛利浦從1971年開始,在此前開發的透鏡式顯影裝備基礎上,開發透鏡式非接觸光刻設備。隨後一段傳奇的產業經歷讓ASML殺出重圍,並於1995年上市。2000年推出TWINSCAN雙工件台光刻機,ASML一舉奠定霸主地位;隨後進入EUV時代,ASML終於是一騎絕塵,可能已無人能比肩了。

幾乎與ASML同時代,Canon公司1970年也涉足半導體製造設備領域,憑藉世界領先的光學及精密機械生產技術,從研製2:1縮小投影和接觸接近式光刻設備起步,先後向世界市場投放了PLA系列步進式、MPA系列等倍掃描式、投影式和FPA系列步進縮小投影式、掃描式三大系列的光學光刻設備約10000台,但由於公司在技術上的決策失誤,從2008年逐步退出半導體用光刻機市場。

Nikon的起步要稍晚一些,1980年代,Nikon開始進入半導體製造領域,在近40年的光刻機研究與開發中,已向世界各國或地區銷售了各種光刻機超過9000多台,曾創下年銷量900台的紀錄,不過自2008年和2009年丟失台灣、韓國市場,Nikon開始一蹶不振,出貨量急速下滑。

根據三家公司17年財報顯示,2017年全球晶圓製造用光刻機台出貨294台,其中ASML就出貨198台,佔全球近7成的市場。其中EUV光刻機11台,ArFi光刻機76台,ArF光刻機14台,KrF光刻機71台,i-line光刻機26台。

Canon出貨70台,佔比24%,集中在低端產品,其中KrF光刻機20台,i-line光刻機50台。

Nikon出貨26台光刻機,佔有率不足10%,其中ArFi光刻機6台,ArF光刻機8台,KrF光刻機2台,i-line光刻機10台。

EUV(Extreme Ultra-violet),常稱作極紫外光刻,它以波長為10-14nm的極紫外光作為光源的光刻技術,可以製作32nm以下製程的芯片。ArFi、ArF、KrF,長稱作深紫外光刻,它們分別以波長為157nm、193nm、248nm的深紫外光作為光源的光刻技術。ArF以上被稱作高端光刻機。

頂級技術EUV壟斷,追趕之路漫漫

到了2018年,據財報顯示,三巨頭半導體用光刻機出貨374台,較2017年的294台增加80台,增長27.21%。而從EUV、ArFi、ArF機型的出貨來看,全年共出貨134台。其中ASML出貨120台,佔有9成的市場。

至此,高端光刻機市場已經被ASML壟斷,且更為關鍵的是,最先進的7nm製程的EUV光刻機只有ASML一家公司可以生產,再無第二家,如果想要生產最先進的芯片,就必須要和它合作,且有價無市。

近年來我國雖然在半導體領域不斷追趕,上海微電子也有了自己的光刻機,但只能用於90nm製程的芯片製造,雖然只是80nm的差距,但所需的技術可能相差從地球到太陽的距離。EUV技術是人類科學史上的奇蹟,短期國內在光刻機領域實現突破的可能性幾乎為0。

責任編輯: 唐冬柏   來源:新浪網 轉載請註明作者、出處並保持完整。

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