7nm技术凉凉,光刻机巨头ASML断供中芯国际,中国半导体再遭重创 从130纳米到7纳米的两大关卡 中芯国际的突破之路

2019-11-08 15:40:31  来源:互联网  编辑:小TT  阅读人数:587

多位ASML供应商关系人士指出,ASML原先计划在2019年底之前供应EUV微影设备给中芯国际(SMIC、0981.HK)“不过该计划目前已暂时叫停”

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一位关系人士表示,“ASML是为了避免因供应最先端设备给中国、因而刺激到美国,因此决定暂时中止交货”EUV微影设备目前是由ASML独占进行研发、制造,无法寻求到替代品。

目前,中芯国际已经成功掌握FinFET技术,只要掌握了EUV技术,就可以与台积电站在同一起跑线熵,因为7nm 以下都是运用的 EUV 技术,这也标志着中芯国际将在未来5年之内成为中国内地下一个“台积电”

但是,ASML的断供将会为中芯国际的未来笼罩一层阴影。

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从130纳米到7纳米的两大关卡

1987年已经56的张忠谋在台湾创办了全球第一家IC业的专业的代工公司台积电。

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八十年代末,当时,全球的半导体行业采取的是单一的IDM模式,一般来说从前端的设计,到后端的芯片生产再到封装,都是由厂商独立完成的,基本所有的半导体产生都有自己的晶圆厂,当时英特尔、仙童半导体等芯片巨头无论在芯片设计或者后端的晶圆生产,在全球都有着重要的地位,这也是他们的产品能够整个市场的保证。

所以刚刚成立的台积电过得十分艰难,而到了90年代,全球进入了互联网浪潮。

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在种种条件的催生下,半导体行业迎来新的发展,硅谷涌现了一批新兴的半导体公司,Broadcom、Nvidia、Marvell 。它们在网络芯片、图形处理、Wi-Fi 芯片设计等领域域各有专长。一个共同点是,这些半导体初创公司本身都没有自己的晶圆厂,也没有资金和人力搞定生产环节,对外部晶圆生产线有极强的需求。

这个时候,台积电迎来了自己的发展春天,他遇到的第一个对手就是IBM。过去IBM会将研发的新制程技术转让晶圆代工厂商,获取高额利润。而且生产每一批次还能提取分成,凭借着这样的商业模式,IBM成为世界最会赚钱的公司之一。

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2000年之前,在集成电路布线中,铝被广泛使用,其布线工艺较为简单,掌握“铝制程”工艺技术的就是IBM,大家都是向IBM买技术转让,这让IBM赚得满盆满钵。

但是随着工艺尺寸的减小,金属连线中的电流密度不断增大,响应时间不断缩短,1999年130纳米时铝制程已经走到尽头,无法再满足商业良率,势必改弦易辙、另辟蹊径。

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铝制程和铜制程的区别

当时半导体行业都认为改用铜制程会是最有可能及机会最大的途径,这样可以使电路布线的尺寸更加微小,芯片处理逻辑运算的能力更强。IBM公司开始全力投入铜制程研发。

当时世界晶圆代工二哥电为夺取世界龙头老大地位,取代台积电一哥地位。电立即和IBM签约,意欲成为世界上第一个使用铜制程的厂商,攫取晶圆代工一哥地位,远远抛开台积电。

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而当时台积电董事长张忠谋发现之后,决定抢先在IBM研发成功铜制程工艺之前,抢先掌握铜制程工艺。

130纳米之所以被称为是半导体技术世代中,天险障碍最高的一代,主要就在于铜制程、低介电系数(low-k)等过去未曾使用的新材料,是半导体制程里新的。

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当时在负责先进模组的梁孟松和资深研发副总蒋尚义两个让的努力下。台积电比美国IBM公司早一年成功研发出130纳米铜制程,稳坐世界一哥宝座。

芯片都是采用MOSFET 的结构,到现在已使用超过 40 年,当半导体研发人员想要研发20纳米以下芯片的时候发现,当闸极长度缩小到 20 纳米以下的时候,遇到了许多问题,其中最麻烦的是当闸极长度愈小,源极和汲极的距离就愈近,闸极下方的氧化物也愈薄,电子有可能偷偷溜过去产生“漏电”另外一个更麻烦的问题,原本电子是否能由源极流到汲极是由闸极电压来控制的,但是闸极长度愈小,则闸极与通道之间的接触面积愈小,也就是闸极对通道的影响力愈小。

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所以20纳米以下的芯片需要采用全新的FinFET 技术,也叫做鳍式场效电晶体。当时三星就因为在梁孟松的指导下,比台积电率先掌握了20纳米以下技术,从而抢占了台积电部分市场。

中芯国际的突破之路

2000年,从中国台湾归来的张汝京创立了中芯国际,是大陆第一家从事专业芯片制造服务的集成电路制造公司,仅用了4年,就成功上市,后来大唐电信入股中芯国际,有了国家的注资,中芯的财力一直很雄厚。

1952年《瓦森纳协定》将中国列入了管制的范畴。列入被限制的有军事武器装备、尖端技术产品和稀有物资等三大类共上万种产品。所以中国的科技发展一直很艰难,中芯国际也是如此。

因为受《瓦森纳协定》的影响,中芯国际一直发展很艰难,无法获取到最先进的光刻机设备,要知道,全球垄断的光刻机巨头ASML是英特尔、台积电这几家大半导体企业一起花钱培养的,所以,IC设计厂商、晶圆体代工厂直接和光刻机进行技术交流、扶持,从而形成一条完整的产业链,拥有完整的半导体生态,光刻机制造厂商可以生产出最符合IC设计厂商以及晶圆体加工厂的设备,而IC设计厂商、晶圆体代工厂对光刻机制造厂商的技术对接、扶持又促进了光刻机设备的技术发展,从而形成一个正循环。

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比如中国台湾台积电林本坚创新性地提出浸没式光刻设想后, ASML开始与台积电合作第四代浸没式光刻机,并在 2007年成功推出第一台浸没式光刻机i,该设备采用折射率达到 1.44 的去离子水做为媒介,实现了 45nm 的制程工艺,并一举垄断市场。

而这些中国大陆都是被排出在外的,再加上与台积电长达十几年的专利之战,都耗尽了中芯的元气。

虽然号称是大陆技术最全面、配套最完善、规模最大的集成电路制造企业,但是中芯国际一直以来和台积电的差距非常悬殊,直到中芯国际挖来了半导体传奇梁孟松。

梁孟松曾帮助台积电比美国IBM公司早一年成功研发出130纳米铜制程,稳坐世界一哥宝座。又帮助三星早一年比台积电掌握FinFET技术,抢占台积电的市场。手里拥有500多项半导体专利,是半导体行业的神级人物。

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2017年10月,中芯国际正式任命赵海军与梁孟松二人担任首席执行官兼执行董事,梁孟松的到来被媒体称为“中国半导体产业进入梁孟松时代”

中芯国际之前本身就在攻克28nm的量产,同时14nm和10nm的技术,而且在60nm低功耗物联网芯片上发力,未来可突破的点很多,梁孟松的加入对于公司高制程芯片的量产速度会有很关键的作用。

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中芯国际

在加入了中芯国际之后,仅仅用了不到一年的时间,中芯国际直接从28nm跨越到14nm。而且梁孟松在300天不到的时间就把14nm芯片从3%的良率提高到了95%。在2019年就可以完成量产。除此之外,12nmFinFET工艺已进入客户导入阶段,很快就能够量产了。

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根据中芯国际提供的最新数据,截至2018年底,中芯国际专利申请总量超1.5万件,授权总量超9000件。中芯国际在28纳米和14纳米关键技术节点专利申请数量分别居全球第二位和第五位。

可以说中芯国际在梁孟松的带领下,走得非常快,而这也标志着中芯国际在晶圆厂代工上顺利缩小与台积电、三星的差距,重新站在同一个赛道上,因为从14纳米到7纳米是没有采用新的制程技术的,不像130纳米要突破掌握铜制程技术,14纳米要掌握FinFET技术,而到了7纳米之后,就又是一个考验,需要抛弃浸液式光刻技术,而采用EUV微影技术。

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最早的光刻机采用接触式光刻,即掩模贴在硅片上进行光刻,容易产生污染,且掩模寿命较短。此后的接近式光刻机对接触式光刻机进行了改良, 通过气垫在掩模和硅片间产生细小空隙,掩模与硅片不再直接接触,但受气垫影响,成像的精度不高。

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根据所使用的光源的改进以及双工作台、沉浸式光刻等新型光刻技术的创新与发展,光刻机经历了 5 代产品的发展,每次光源的改进都显著提升了升光刻机的工艺制程水平,以及生产的效率和良率。

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现在广泛使用的光刻机分为干式和浸没式,45nm以下的高端光刻机的市场中,ASML是目前市场的龙头,占据 80%以上的份额。

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而目前最为先进的光刻机叫EUV光刻机,目前华为麒麟990 5G版首次采用了7nm EUV技术,EUV技术也叫紫外光刻(Extreme Ultraviolet Lithography)它以波长为10-14纳米的极紫外光作为光源的光刻技术。具体为采用波长为13.4nm 的紫外线,目前1-4 代光刻机使用的光源都属于深紫外光,而5代EUV光刻机则属于极紫外光。

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所以只要ASML的光刻机可以准时供应,随着摩尔定律达到极限,7nm EUV 技术2020年才会大规模商用,台积电2020年才投产5纳米技术,而3纳米则要到2022年投产,这给了中芯国际充分的追赶机会。

但是如果,ASML真的断供光刻机,将势必拖缓中芯国际的步伐,目前,ASML向《科创板日报》记者澄清称,关于日经新闻(NIKKEI)有关中芯国际相关报道有误,“延迟出货”仅为其媒体推测,ASML从未评论或确认,对其将推测直接定性为事实作为新闻标题并在文中阐述,表示抗议。

ASML表示,对全球客户一视同仁。根据瓦圣纳协议,ASML出口EUV到中国需取得荷兰政府的出口许可(export license)该出口许可于今年到期,ASML已经于到期前重新进行申请,目前正在等待荷兰政府核准。

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希望, 所言属实吧!

本文相关词条概念解析:

光刻机

光刻机/紫外曝光机(MaskAligner)又名:掩模对准曝光机,曝光系统,光刻系统等。常用的光刻机是掩膜对准光刻,所以叫MaskAlignmentSystem.一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀等工序。Photolithography(光刻)意思是用光来制作一个图形(工艺);在硅片表面匀胶,然后将掩模版上的图形转移光刻胶上的过程将器件或电路结构临时“复制”到硅片上的过程。