圖:光刻機簡易工作原理 來源:百度百科
其中,難度最大的就是光刻機,光刻也是制造和設計的紐帶。
技術與資金是光刻機兩大夢魇
光刻機的制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。
掩膜版通俗點理解,相當于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制作掩膜板。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制電路圖。
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。光在多次投射中會産生光學誤差。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産,以至于如今全球能生産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
曆史上,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都曾在光刻機制造的曆史上留下自己的身影。
隨著時間的推移,工藝技術的進步,光刻機真正的成爲了“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産廠商有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,一家獨占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。隨後一段傳奇的産業經曆讓ASML殺出重圍,並于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終于是一騎絕塵,可能已無人能比肩了。
幾乎與ASML同時代,Canon公司1970年也涉足半導體制造設備領域, 憑借世界領先的光學及精密機械生産技術,從研制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,但由于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開始進入半導體制造領域,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。