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日本半导体技术略有下降,但EUV实力不容小觑

发布时间:2021-01-18 10:52:08 阅读量:68次

近期三星为争抢EUV设备,高层频频传出密访ASML,EUV的重要性早已不言而喻。提到EUV,大家首先想到的就是ASML,ASML并不是一个家喻户晓的名字,但他却是现代技术的关键。因为它提供了制造半导体必不可少的“光刻”机器,在摩尔定律即将发展到尽头的现在,可以说,得EUV者得先进工艺。虽然在EUV相关设备市场中,荷兰ASML垄断了核心光刻机,但在“极紫外光刻曝光”周边设备中,日本设备厂家的存在感在逐步提升,尤其在检测、感光材料涂覆、成像等相关设备方面,日本的实力也是不容忽视的。

 

厂商们“慌慌张张”,不过EUV几台

 

半导体逻辑制程技术进入到7纳米以下后,由于线宽过细,因此需要EUV设备做为曝光媒介,未来先进半导体逻辑芯片制程将向下推进到3纳米、2纳米,甚至是1纳米制程,届时EUV设备将会出现再度升级。除此之外,不仅逻辑晶圆制程需要EUV设备之外,就连未来量产DRAM也需要EUV设备。

 

因此除了台积电、三星及英特尔等晶圆厂争抢EUV,后续包含美光、SK海力士也需要大量EUV设备。乘着5G普及的“顺风”,半导体微缩化需求逐步高涨,半导体厂家加速导入EUV,EUV设备成为炙手可热的产品。

 

所以三星电子李在镕副会长于10月13日紧急访问了荷兰的半导体设备厂家——ASML,并与ASML的CEO Peter Wennink先生、CTO Martin van den Brink先生进行了会谈,那么三星能得到几台EUV设备呢? 

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让我们来回看下全球唯一的EUV设备生产商ASML的历年出货量,ASML在2015年出货了6台、2017年10台,2018年18台,2019年26台,预计2020年出货36台。然而,Open PO数量在不断增长,在2020年的第二季度已经达到了56台。据biz-journal推测,在ASML 2020年出货的36台设备中大部分都是出给台积电的。如果三星电子也购买了EUV设备,最多也就是1-2台。可以推测,在2020年年末各家厂家持有的EUV设备数量如下,TSMC为61台,三星电子最多为10台左右。

 

外电报导也指出,ASML目前已经生产及接单的EUV设备大约落在70台左右水准,台积电已经获得过半设备,三星才获得10台,虽然李在镕亲自出访ASML,也才多获得9台,仅接近台积电当初刚跨入EUV世代的水准,三星先进制程晶圆供给量远低于台积电。

 

后续TSMC每年会引进约20-30台EUV设备,预计在2025年末会拥有约185台EUV设备(甚至更多)(注),另一方面,三星电子的目标是在2025年末拥有约100台EUV设备,从ASML的生产产能来看,相当困难。

 

日本的EUV设备实力

 

上文我们所说的都是ASML的EUV曝光设备(也就是我们常说的EUV光刻机),这是EUV核心设备。但EUV相关设备中还包含光掩模缺陷检测设备和涂覆显影设备,这可以称作是EUV的周边设备,在这两大EUV设备领域中,日本厂商有着不容小觑的市占率。

 

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首先来看缺陷检测设备,如果作为原始电路板的光掩模中存在缺陷,则半导体的缺陷率将相应增加。最近几年需求增长尤其旺盛的是EUV光罩(半导体线路的光掩模版、掩膜版)检验设备,在这个领域,日本的Lasertec Corp.是全球唯一的测试机制造商,Lasertec公司持有全球市场100%的份额。 

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2017年,Lasertec解决了EUV难题的关键部分,当时该公司创建了一款可以检查空白EUV掩模内部缺陷的机器。2019年9月,它又推出了可以对已经印有芯片设计的模板进行相同处理的设备,从而又创建了另一个里程碑。

 

据雅虎新闻报道,Lasertec公司2020年7月-9月期间的半导体相关设备的订单金额是去年同期的2.6倍。为满足市场的需求,目前已经增加了数家代工企业。传统的检查EUV光掩膜的方法主要是将深紫外光(DUV)应用于光源中,而EUV的波长较DUV更短,产品缺陷检测灵敏度更高。DUV光虽然也可以应用于当下最先进的工艺5纳米中,而Lasertec公司的经营企划室室长三泽祐太朗指出,“随着微缩化的发展,在步入2纳米制程时,DUV的感光度可能会不够充分”!即,采用EUV光源的检测设备的需求有望进一步增长。

 

Lasertec总裁Osamu Okabayashi此前曾指出,“逻辑芯片制造商将首先采用EUV技术,随后将是内存芯片制造商,但真正的订单量将在它们达到量产阶段时到来。”Okabayashi预计每个客户可能需要几个测试设备,每个设备的成本可能超过43亿日元(4000万美元),建造时间长达两年。芯片制造商在其掩膜车间至少需要一台机器,以确保模板打印正确。而晶圆厂则需要测试设备来观察由于集中的光线反复投射到芯片设计模板上而造成的微观磨损。

 

日本另一个占据100%市场份额的是东京电子的EUV涂覆显影设备,该设备用于将特殊的化学液体涂在硅片上作为半导体材料进行显影。1993年东电开始销售FPD生产设备涂布机/显影机,2000年交付了1000台涂布机/显影机“ CLEAN TRACK ACT 8”。

 

东京电子的河合利树社长指出,如果EUV的导入能促进整个工序的技术进步的话,与EUV没有直接联系的工序数也会增加。此外,各种设备的性能也会得以提高。另外,对成膜、蚀刻设备等也会带来一定的影响。据悉到2021年3月,东京电子计划投资至少12.5亿美元用于研发,来应对光刻设备市场的需求。

 

日本其他EUV实力

 

除了EUV设备,日本在EUV光刻胶和EUV激光光源方面也是数一数二的。

 

在光刻胶领域,日本是全球的领先厂商,尤其是在EUV光刻胶方面,他们的市场占比更是高达90%,然而他们似乎并没有放慢脚步。

 

据《日经新闻》日前报导,富士胶片控股公司和住友化学将最早在2021年开始提供用于下一代芯片制造的材料,这将有助于智能手机和其他设备向更小、更节能等趋势发展。富士胶片正投资45亿日元(4,260万美元),在东京西南部的静冈县生产工厂配备设备,最早将于2021年开始批量生产。该公司表示,使用该产品,残留物更少,从而减少了有缺陷的芯片。 同时,住友化学将在2022财年之前为大阪的一家工厂提供从开发到生产的全方位光刻胶生产能力。

 

光源可靠性也是光刻机的重要一环。日本的Gigaphoton是在全球范围内能够为光刻机提供激光光源的两家厂商之一(另外一家是Cymer,该公司于2012年被ASML收购)。Gigaphoton正期待卷土重来,因为在EUV出现之前,该公司就已成为光刻机光源领域的前两名。但是,由于诸如ASML收购竞争对手之类的原因,它目前正在失去其地位。在ASML推出EUV下一代设备之前,Gigaphoton努力开发高输出光源组件,以重新获得市场份额。

 

GIGAPHOTON 是一家相对较年轻的公司,成立于2000年。Gigaphoton一直在积极开发极紫外(EUV)光刻技术,以作为超越ArF光刻技术时代的下一代光刻技术之一。Gigaphoton已经开发了一种使用激光产生等离子体(LPP)方法的EUV光源,该方法通过将脉冲激光辐射到Sn靶上来从高温等离子体产生EUV光。目前,该公司正在开发量产的光源并取得稳定的进展。

 

此外,在电子束掩膜光刻设备市场,东芝集团旗下的NuFlare Technology紧紧追赶东京电子显微镜制造商JEOL与奥地利IMS Nanofabrication的联盟,正在集中开发能够发射26万束激光的“多光束”设备。为了防止被全球最大的光掩膜板制造商Hoya收购,今年一月份起,东芝加强对NuFlare Technology的控制,向后者增派25名工程师及其他管理者,以期在2020财年实现下一代EUV适用设备出货。

 

写在最后

 

在光刻设备领域,尼康和佳能曾席卷全球市场,但在与ASML的竞争中失败并在EUV开发方面落后。由上文我们可以看出,在EUV的周边设备领域以及材料方面,日本仍然盘踞着几大龙头。但未来随着产品和设备技术复杂性的增加以及相关成本的增加,向EUV光刻技术的过渡将不可避免地减少市场参与者的数量。

 

但关于EUV,也有一些令人担忧的因素。一台尖端EUV曝光设备的价格高达1.2亿人民币(甚至更高),且周边设备的价格也很昂贵。可以预想,随着半导体微缩化的发展,半导体的成本价很可能会超过之前的完成品价格。日立高科技的石和太专务执行董事曾提出,“在微缩化技术的极限到来之前,经济价值的极限应该会率先到来!”

 

在如今的半导体行业,人们在想方设法提高半导体的性能,如纵向堆叠多个半导体芯片的“立体化”方法,即不通过微缩化来提高性能。希望全球的半导体设备厂家具有前瞻性,能够预想到EUV微缩化到底能持续到什么时候。