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美國國務卿游說荷蘭 ASML光刻機交付出現變數

鐵流 · 2020-01-08 · 來源:鐵君公眾號
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  1月6日路透社報道,白宮施壓合力,阻擾ASML向中國出售EUV光刻機。路透社還指出,美國國務卿蓬佩奧曾經親自游說,白宮官員也與荷蘭首相分享了一份機密情報報告。此前,日經新聞也報道過此事??梢哉f,中國企業能否買到ASML先進光刻機出現了很大的變數。

  美國施壓荷蘭 ASML想做生意

  其實,這并非美國第一次對荷蘭進行施壓。根據外媒報道,早在2018 年,ASML原本已獲荷蘭政府同意,將先進的極紫外光光刻機(EUV)賣給中國晶圓代工企業。然而,由于美國反對,在接下來幾個月里,荷蘭與美國就此至少進行了4輪會談,結果不理想。

  2019年7月18日,美國副國家安全顧問Charles Kupperman 在荷蘭首相呂特訪美期間,特意提出問題并給予了一份機密情報,內容涉及中國取得光刻機的潛在影響。在荷蘭首相訪美不久后,荷蘭政府未續簽ASML對中芯國際的出口許可,隨后有媒體傳聞中芯國際訂購的首臺價值1.5億美元的EUV光刻機交付受阻。

  2019年11月7日《日本經濟新聞》報道了一則消息,稱全世界唯一的高端光刻機生產廠商荷蘭ASML公司決定,不再向中國中芯公司出售可用于加工7nm以下芯片的極紫外光刻機(EUV)。

  之后,中芯國際表示:極紫外光(EUV)還在紙面工作階段,未進行相關活動。公司先進工藝研發進展順利。目前,研發與生產的連結一切正常??蛻襞c設備導入正常運作。

  ASML也公開表態:關于日經新聞有關中芯國際相關報導有誤,“延遲出貨“僅為其媒體推測,ASML從未評論或確認,對其將推測直接定性為事實作為新聞標題并在文中闡述,表示抗議。ASML表示,對全球客戶一視同仁。根據瓦圣納協議,ASML出口EUV到中國需取得荷蘭政府的出口許可。該出口許可于今年到期,ASML已經于到期前重新進行申請,目前正在等待荷蘭政府核準。

  2020年1月,路透社報道由美國國務卿蓬佩奧親自游說荷蘭,如此高規格的舉動,折射出美國對于中國晶圓代工企業的短板有非常清楚的認識,在關鍵設備上對中國進行卡脖子。

  從中芯國際和ASML的公開表態看,ASML顯然是想做生意的,只不過企業經營必須服從政治。如果美國像干涉中資收購德國愛思強那樣搞干涉,或者荷蘭政府脊梁骨不夠硬,擔心“友邦驚詫”,中芯國際的EVU光刻機恐怕是不能按期收貨,甚至是無法收貨了。

  什么是光刻機?

  2017年初,一臺價值1.06億元的設備經空運從荷蘭飛抵廈門,由于該設備價值高,而且對保存和運輸有著很高的要求——必須保持在23℃恒溫狀態下。為了避免影響設備的精度,在運輸中也對穩定性有極高的要求。因此,機場海關以機坪查驗的方式對該貨物實行全程機邊監管,待貨物裝入特制溫控氣墊車,移至海關的機坪視頻監控探頭之下,完成緊急查驗后當晚就得到放行。這臺獲得機場海關如此嚴陣以待的設備,就是光刻機,從價格來看,這臺光刻機并非最先進的EUV,很有可能是采用193nm光源的光刻機。

  光刻機是芯片制造的核心設備之一,按照用途可以分為好幾種:有用于生產芯片的光刻機;有用于封裝的光刻機;還有用于LED制造領域的投影光刻機。

  在芯片制造中,光刻機的作用就是將電路圖用激光按比例放縮到硅片上。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,經物鏡補償各種光學誤差,將線路圖成比例縮小后映射到硅片上,然后使用化學方法顯影,得到刻在硅片上的電路圖,也就是芯片。

  一般的光刻工藝要經歷硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻膠、軟烘、對準曝光、后烘、顯影、硬烘、激光刻蝕等工序。經過一次光刻的芯片可以繼續涂膠、曝光。越復雜的芯片,線路圖的層數越多,也需要更精密的曝光控制過程??梢哉f,光刻機是芯片制造中最核心的裝備,也是中國半導體設備的最大短板。國內晶圓廠所需的高端光刻機完全依賴進口。

  之前說了,光刻機用途廣泛,除了高端大氣上檔次的前道光刻機之外,還有用于LED制造領域投影光刻機和用于芯片封裝的后道光刻機,雖然在前道光刻機上國內廠商和ASML差距如同鴻溝,但后道光刻機和投影光刻機國內廠商不僅都能制造,還占據了不低的市場份額。

  最新的光刻機是EUV光刻機。EUV還使用反射鏡取代了投射鏡,還使用了極紫外光源,EU這倆字母就是極紫外的縮寫,波長是13.5nm。因為用波長極短,很容易被任何東西吸收,包括空氣,所以腔體內是真空系統。ASML研發EUV花了十來年時間,數百億美元,可知其技術難度。EUV光刻機的售價為1億美元一臺。

  光刻機工作原理和組成

  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,經物鏡補償各種光學誤差,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歷硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻膠、軟烘、對準曝光、后烘、顯影、硬烘、激光刻蝕等工序。經過一次光刻的芯片可以繼續涂膠、曝光。越復雜的芯片,線路圖的層數越多,也需要更精密的曝光控制過程?,F在最先進的芯片有幾十層之多。

  附一張ASML光刻機的簡易工作原理圖。

  簡單介紹一下圖中各設備的作用。

  測量臺、曝光臺:承載硅片的工作臺,也就是本次新聞里說的雙工作臺。一般的光刻機需要先測量,再曝光,只需一個工作臺,而ASML有個專利,有兩個工作臺,實現測量與曝光同時進行。之前國內“光刻機雙工件臺系統樣機研發”項目則是在技術上突破ASML對雙工件臺系統的技術壟斷。

  激光器:也就是光源,光刻機核心設備之一,之前已經介紹過了。

  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重影響成像質量。

  光束形狀設置:設置光束為圓型、環型等不同形狀,不同的光束狀態有不同的光學特性。

  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整。

  掩模版:一塊在內部刻著線路設計圖的玻璃板,貴的要數十萬美元。

  掩膜臺:承載掩模版運動的設備,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誤差。技術難度就在于物鏡的設計難度大,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系,根據缺口的形狀不同分為兩種,分別叫flat、notch。

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

  中外光刻機差距巨大

  光刻機被稱為人類最精密復雜的機器,業界將其譽為集成電路產業皇冠上的明珠,研發的技術門檻和資金門檻非常高。也正是因此,能生產高端光刻機的廠商非常少,到最先進的5/7nm光刻機就只剩下ASML,日本佳能和尼康已經基本放棄EUV光刻機的研發。

  目前,光刻機領域的龍頭老大是荷蘭ASML,并已經占據了高達80%的市場份額,壟斷了高端光刻機市場。ASML最先進的EUV光刻機售價曾高達1億美元一臺,且全球僅僅ASML能夠生產。Intel、臺積電、三星都曾經是它的股東,Intel、三星的高端光刻機都是買自ASML,格羅方德、聯電以及中芯國際等晶圓廠的光刻機主要也是來自ASML。

  相比之下,國內光刻機廠商則顯得寒酸,處于技術領先的上海微電子裝備有限公司已量產的光刻機中性能最好的是90nm光刻機......國內晶圓廠所需的高端光刻機完全依賴進口。這不僅使國內晶圓廠要耗費巨資購買設備,對產業發展和自主技術的成長也帶來很大不利影響——ASML在向國內晶圓廠出售光刻機時有限制性條款。

  雖然總體差距很大,但在局部,國內還是有亮點的。

  在雙工臺方面,國內取得了突破。過去,光刻機只有一個工作臺,所有流程都在一個工作臺上完成。雙工件臺系統的出現,使得光刻機能夠在不改變初始速度和加速度的條件下,當一個工作臺在進行曝光工作的同時,另外一個工作臺可以同時進行曝光之前的預對準工作,使得光刻機的生產效率提高大約 35%。ASML 的TWINSCAN NXE3300B 型光刻機,分辨率小于 22nm,生產效率可以達到 125片/小時。

  雖然看起來僅僅是加一個工作臺,但技術難度卻不容小覷——對換臺的速度和精度有非常高的要求,如果換臺速度慢,則影響光刻機工作效率;如果換臺精度不夠,則可能因此而影響了后續掃描光刻等步驟的正常開展。

  現今技術成熟的雙工件臺系統主要是導軌式,驅動方式主要分為氣浮驅動和磁懸浮驅動。目前,ASML公司已成功研發了磁懸浮工件臺系統,使得系統能夠忽略摩擦系數和阻尼系數,其加工速度和精度是機械式和氣浮式工件臺所無法比擬的。不僅如此,ASML 公司基于磁懸浮工件臺的基礎,研發了無導軌式的平面編碼磁懸浮工件臺系統,通過平面編碼器對工作臺進行精確定位,進一步提升了精度。此前,國內α光刻樣機的雙工件臺系統取得突破,采用導軌式磁懸浮系統,關鍵技術指標已達到國際同類光刻機雙工件臺水平。

  中國在激光技術上頗有成就,國內有的單位用汞燈做光源,還由單位研發出了獨一無二的固態深紫外光源,但目前,固態深紫外光源還并未用于光刻機制造,在光源上還無法徹底擺脫進口。此前,成都光機所的國家重大科研裝備研制項目“超分辨光刻裝備研制”通過驗收,SP光刻機采用汞燈(365nm i-line)做光源,光刻分辨力達到22nm,結合多重曝光技術后,可用于制造制程小于10nm的芯片。就技術路線來說,SP光刻機另辟蹊徑,沒有采用國外主流方案,走出一條自己的路。不過,SP光刻機只能加工小尺寸芯片,只能加工特殊領域芯片,不適合商用,無法替換ASML的光刻機。

  光源、物鏡目前還無法完全擺脫進口依賴

  光源是光刻機的核心部件之一。在光刻機改進中,所使用的光源也不斷改進發展:

  第一代是436nm g-line。

  第二代是365nm i-line。

  第三代是248nm KrF。

  第四代是193nm ArF。

  最新的是13.5nm EUV。

  目前,在集成電路產業使用的中高端光刻機采用的是193nmArF光源和13.5nmEUV光源。

  193nmArF也被稱為深紫外光源。使用193nmArF光源的干法光刻機,其光刻工藝節點可達45nm,采用浸沒式光刻、光學鄰近效應矯正等技術后,其極限光刻工藝節點可達28nm。

  浸沒式光刻是指在物鏡和硅片之間增加一層特殊的液體,由于液體的折射率比空氣的折射率高,因此成像精度更高。因此,也就有了浸沒式光刻的叫法。

  而當工藝尺寸縮小到22nm時,則必須采用輔助的兩次圖形曝光技術。然而使用兩次圖形曝光,會帶來兩大問題:一個是光刻加掩模的成本迅速上升,另一個是工藝的循環周期延長。因而,在22nm的工藝節點,光刻機處于EUV與ArF兩種光源共存的狀態。

  對于使用液浸式光刻+多次圖形曝光的ArF光刻機,工藝節點的極限是10nm,之后將很難持續。EUV光刻機,則有可能使工藝制程繼續延伸到5nm。

  

  EUV光刻機對中芯國際不是剛需

  雖然光刻機非常重要,雖然ASML在該領域占據統治地位,但國內一些媒體把EUV光刻機過度神話了。其實,當下中芯國際最大的問題倒不是EUV光刻機,而是如何使用現有的設備攻克12/14nm工藝。

  雖然一些輿論將中芯國際在工藝上落后于臺積電歸咎于中芯國際無法采購到最先進的光刻機,并認為如果中芯國際也有了EUV光刻機,那么在工藝上就會迅速追上臺積電。但鐵流要說,這種觀點是片面的。事實上,目前中芯國際的光刻機和臺積電用來加工10nm芯片的設備是一個等級的。臺積電能用這些設備搞定10/12/16nm工藝,但中芯國際的14nm工藝還處于跌跌撞撞的狀態,真正比較成熟的還是28nm工藝。

  差距在哪呢?打個比方,光刻機好比是刻刀,而如何使用這把刻刀,就要看雕刻師傅的手藝了,臺積電在這方面積累了大量經驗和技術,使用相同的刻刀,臺積電做出比中芯國際更好的產品,這些需要大量時間和實踐去磨礪和積累,并非買到EUV光刻機就能解決的。

  當下,中芯國際的設備其實完全能夠支持10nm工藝量產。在加工14nm以下芯片的過程中,光刻機(193nm ArF)在曝光的時候,出來的不是一個很直的深孔或深溝,而是變成彎彎曲曲的形狀,這主要是因為光的波長和波粒二象性。一般的深紫外光刻機只能刻出40nm的線條。再往下就要看極紫外光刻機(EUV),目前也只能刻出20nm線條。

  那么,臺積電是怎么用深紫外光刻機做出10nm/16nm芯片的呢?

  據中微半導體創始人尹志堯介紹:

  其實靠等離子刻蝕機和薄膜的組合拳把它做出來,不是靠光刻做的。如果通過光刻機刻出一個40nm的模板,然后按這個模板刻下去,刻出一個墻,你理解它是一個重剖面。這個墻是氧化硅的材料,是40nm,這是通過光刻翻版出來,然后呢我在上面鋪一層氮化硅薄膜,鋪的時間控制好,這個側面的墻是20nm,這樣的話呢,第二次用等離子刻蝕機刻,有方向性地把上面的蓋去掉,把底部去掉,就出來兩個叫邊墻。這邊墻的厚度就是20nm,這是刻的氮化物??痰镄枰眠x擇性的氣體刻。然后刻完以后第三次刻呢,我們換一些氣體專門刻氧化物,把氧化物刻掉,這個墻就留下來了。所以一個40nm的微觀結構就翻成兩個20nm的結構了,這個叫二重模版。

  還有進一步的四層模板技術,在20nm的氮化物墻上,再鋪一個10nm的氧化物的膜,我第四次刻的時候把上頭蓋去掉,底去掉以后,就出了四個邊墻。然后再用不同的化學氣體,把中間的核刻掉,就變成了四個10nm的邊墻。20nm以下是這樣做出來。這里就沒有光刻的事,就是等離子與薄膜組合拳,把它翻版就越翻越小。

  那么,能不能繼續這種模式把芯片做到5nm呢?理論上是可以的,但實際操作中,會遇到良率的問題。

  如果使用刻蝕設備和薄膜設備組合拳的模式,確實能做5nm芯片,但會產生一個問題,會導致加工步驟大幅增加。就以加工14nm芯片來說,會使原本的光刻、薄膜、刻蝕1:1:1的步驟,變成1:3:5的步驟。正是因此,近年來刻蝕機和薄膜的市場漲得非???。

  就總的加工步驟來說,到了5nm的時候,最新的數據是數千個步驟。由于精度實在太高,加工過程中不可避免會出現失誤,而這種失誤會因為上千次的加工數量被放大,如果每次合格率99.9%,那0.999的一千次方變成52%。然而,臺積電、中芯國際等晶圓廠合格率80%到85%以上才賺錢,合格率80%以下就賠錢了。如果使用EUV光刻機,那么,就可以減少5nm芯片的加工步驟,從而提升制造5nm芯片的良率。

  因此,EUV光刻機對于當下正在攻關12/14nm工藝的中芯國際而言,不是剛需。中芯國際真正需要關注的是如何提升芯片的良率,以及如何用好現有的設備,攻克12/14nm工藝。

  對于EUV光刻機必須有兩手準備

  EUV光刻機技術太過高端,短時間想要攻克非常困難,即便是ASML也是集整個歐美的技術才能打造出EUV光刻機,比如ASML EUV光刻機的光源技術就源自美國,一些光學鏡片源自德國,說是舉歐美各國之力打造也不為過。中國在很多技術上取得了長足的進步,但在不少基礎學科和歐美還有一定差距,而EUV光刻機恰恰是非??简灩I基礎的設備,追趕之路任重道遠。

  對于ASML出口EUV光刻機等待荷蘭政府批準的事情,應當做兩手準備。我們一方面基于善意,相信這是出口出口許可到期,目前正在等待荷蘭政府核準。另一方面,我們也要留個心眼,沒準是在美國的壓力下,ASML和荷蘭政府之間唱雙簧,把出口許可到期作為搪塞中國的借口。畢竟,荷蘭是一個小國,荷蘭也有美軍的基地,政治上只能屈從于美國,沒準會受美國的脅迫放棄與中國企業的交易,而且這也是有前科的,此前奧巴馬以國家安全為名干涉中資收購德國愛思強公司就是典型案例。另外,ASML的 EUV光刻機的光源技術就源自美國,一旦美國搞長臂管轄,拿這個要挾ASML,ASML也不可能冒著休克的危險繼續和中國企業做生意。

  此前,相關部門有一個規劃,時間節點是2030年攻克EUV技術,雖然實現這個目標非常困難,但鐵流還是希望這個目標能夠實現。

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