佳能推出其纳米压印半导体制造系统,试图通过将该技术定位为比现有最先进工具更简便、更易获取的替代方案,来重振其市场地位。
佳能设备也可能在美中贸易战中开辟一个新的战场,因为目前唯一可靠的制造5纳米及以下芯片的方法(EUV机器)被贸易制裁禁止进入中国。而纳米压印技术则完全省略了光刻过程,而是直接将所需的电路图案压印到硅片上。由于其创新性,它不太可能被现有的贸易限制所禁止。
事实上,纳米压印并不是新出现的技术,当下已经有非常成熟应用。在消费电子的触控模组、导光背光的应用有很多。
如今市场关注度比较高是把纳米压印技术应用于大尺寸触控、反光材料、光学膜等应用领域,把它应用于制造导光结构组件,即应用于背光的膜结构产品里。
EUV光刻技术以及利益集团
Gartner发布了2022年全球半导体销售排名前十名的初步数据。根据排名,继2021年之后连续第二年排名第一的是韩国三星电子,第二名是在微型化方面跌跌撞撞的美国英特尔,第三名是韩国SK海力士。
英特尔自1992年以来一直占据着第一的位置。自2011年以来,英特尔排名第一,三星电子排名第二,台积电排名第三。因此,这三家公司被称为“三巨头”(尽管SK Hynix在2018年仅一次超过台积电,排名第三)。
台积电在2018年第三季度开始生产7nm尖端半导体。而在2019年,它将世界上第一台最先进的EUV(极紫外光)光刻设备应用于7nm+的量产,这是7nm的改良版。在7nm+中,以孔等图案为中心,4-5层使用了EUV。此外,台积电在2020年第三季度开始量产5nm,该产品也使用EUV进行互连。据悉,应用的EUV层数已增加到约15层。
台积电营收惊人增长是由其对EUV的掌握和尖端半导体的大规模生产所推动的。事实上,即使从季度销售额来看,台积电在2019年第三季度之前从未超过100亿美元,之后其销售额激增,在2022年第三季度超过200亿美元。
ASML在曝光系统方面的全球市场份额占主导地位,约为95%。在其曝光系统中,最昂贵的EUV从一开始就卖得很火,所以销量飙升也不足为奇。
ASML的销售额激增是从2016年开始的,当时它开始批量生产EUV:从2016年的68亿欧元,到6年后的2022年,销售额增加了两倍多,达到212亿欧元。
另一方面,台积电从2019年开始,当EUV应用于7纳米以上的量产时,销售额将迅速增加;销售额从2019年的346.3亿美元增加到2022年的758.8亿美元,增长2.2倍。
同样受益于ASML的EUV光刻机的企业还有三星、intel。在EUV光刻机的加持下,台积电、三星、intel三家公司建立了晶圆制造绝对领先地位。
产能有限,ASML生产的EUV光刻机,也是优先供应给intel、台积电、三星这三家厂商,其他的厂商要等这三家厂商买剩了后,才可能会获得。
为什么ASML会优先卖给这intel、台积电、三星呢?第一是这三家厂商是大客户,有优待,第二则是这三家厂商是ASML的股东,所以当然要先照顾股东。
事实上,EUV光刻机技术是intel、台积电、三星协助ASML完成的大工程,在一定程度上说,这三家公司是EUV光刻机技术成功研发的大功臣。研发EUV光刻机时,ASML觉得投入太高,风险太大。于是intel、三星、台积电决定投钱给ASML,支持ASML研发EUV光刻机。
当下intel、三星、台积电和ASML在EUV光刻机领域是形成共同利益集团,四家巨头公司垄断半导体晶圆制造。
打破光刻技术垄断格局
日本为了重新站上半导体制造领域霸主地位。中国面对以美国为首的西方半导体强国的限制,当下在先进制程方面发展举步维艰,我国希望另辟蹊径绕过光刻机这一成熟技术,采用其他技术提升芯片制程。
当下,中国、日本两大半导体强国希望打破intel、三星、台积电和ASML利益集团,换道超车,重塑世界半导体版图。首先要击碎现有EUV光刻机独霸天下的局面,寻找EUV光刻机替代技术。从当下来看,纳米压印技术日益成熟,大有冲击EUV光刻机一家独大的局面,围绕纳米压印技术新的利益集团或现雏形。
目前纳米压印在半导体制程中应用最常见的应用领域就是LED芯片的PSS图形化制作,过去行业内PSS的环节制作过程是涂胶-曝光-显影(光刻胶),这里面需要使用光刻机,使用纳米压印技术的流程是:涂胶-纳米压印(UV胶)完成,省去曝光(光刻)机的采购。
兆驰股份(002429)是所有LED芯片厂中,唯一的不用光刻机做PSS,完全用纳米压印做PSS的厂商,其效果也非常明显,兆驰的PSS图形化成本能比别家便宜30%左右甚至更多,这也是兆驰全产业链布局节省成本提高利润率中非常重要的一环。
目前来看,LED芯片产业为了学习兆驰节省成本,在PSS制作环节使用纳米压印去替代光刻确实也是一个行业趋势。
国内其他的企业也不甘落后,华为旗下的天仁微纳已经实现了高精度的纳米压印设备量产,展现了中国厂商在这一领域的强大潜力。
广泛用于集成电路制造
据机构预测,到2022年,全球纳米压印技术市场规模将达到22.9亿美元。纳米压印技术已经广泛应用于传感器制造、光子芯片制造、3D集成电路制造等领域。存储芯片制造尤为突出,已经取得了重要突破并有望进一步发展。
纳米压印技术的突破意味着全球半导体产业将进入一个新的时代。首先,技术的普及将打破EUV光刻机市场的垄断格局,增加了光刻机市场的竞争,从而降低设备价格,提高技术水平。
其次,对于中国芯片产业而言,纳米压印技术的成功突破将摆脱对EUV光刻机的依赖,提高自主研发和生产能力。这将为中国芯片产业提供更大的发展空间,提升在全球芯片市场的竞争力。
最后,纳米压印技术的成功应用,将进一步推动中国芯片产业的独立创新能力。通过自主研发和应用纳米压印技术,中国厂商将能够满足国内市场对高精度芯片的需求,减少对进口设备和技术的依赖。这将极大地提升中国芯片产业的可持续发展能力,确保国家信息安全和自主经济发展的基础。
纳米压印能替代光刻机?
纳米压印技术能走入大众视野并不是没有道理的。相对于动辄几亿美金的光刻机来说,纳米压印技术的成本更低。而光刻机目前所能达到的精度一般在几十到几百纳米不等,再精细一点的可以达到7nm甚至5nm,但是相应地,造价成本也会大幅提高。
而纳米压印光刻机的制造成本只需要传统的光刻技术成本的60%,所耗费的电量更是只需要传统光刻机运行的10%。更重要的是,其工艺精度甚至可以达到2nm,这样的技术水平,不管放到哪个领域都有极大的发展前景。
当然目前的纳米压印技术还有很大的进步空间,也存在着一些比较明显的技术缺陷。一方面,压印技术对环境要求比较高,需要完全的无尘环境。纳米压印本身就是一项高精度的工作,任何细小的微尘都可能对压印结果造成影响。
此外,纳米压印技术是用光刻胶复制样本模型,如果控制不当,就会导致胶压得不均匀,会产生一些细微的误差。而且,在脱模的时候也会出现有不容易去除的底胶残留的现象。在这种情况下,不仅仅是复刻出来的模板没有办法使用,更重要的是还要处理作为样本的产品上的残留物,如果处理不当,极有可能造成样本没办法继续使用。这些都是压印技术所存在的问题。
目前我国纳米压印良品率甚至不到60%,而压印过程中用到的薄膜也是每5~6次就需要重新制作更换,这也会影响最终产品的效果。
纳米压印确实在半导体相关制程有应用,而且也比较成熟。但是从当下来看,在先进制程想要完全替代光刻机或需要很长时间发展。
其他或可替代光刻机的技术
电子束光刻——用电子束在硅片上进行雕刻,优点是精度高。
去年9月美国公司Zyvex Labs表示,他们推出了亚纳米分辨率的光刻系统Zyvex Litho 1,分辨率可以达到0.768nm,大约是两个硅原子的宽度,并且制造出了0.768nm的成品芯片。这就突破了EUV光刻机的极限了,采用的是EBL电子束光刻方式。
不过目前这种技术的缺点是产量很低,无法大规模制造芯片。EUV光刻机的效率就相当于印刷厂的排版印刷,电子束技术相当于手写,效率高下立判。
电子束光刻不适用于商业化,没办法跟EUV形成市场竞争。除非是能够在效率上提升,达到相同的良率有好的商业化应用技术路线,才有可能来追赶甚至颠覆EUV的路线。
俄罗斯,之前则公布了另外一种技术,那就是基于X射线的无掩膜式光刻。
这种技术与EUV光刻机,有两种不同之处。一是采用X射线,波长介于0.01nm至10nm之间,比13.5nm的极紫外线波长更小,从而精度更高。二是无掩膜,直接操纵X射线进行光刻,不需要提前制作掩膜。
不过俄罗斯目前并没有制造出成品芯片,也没有突破EUV光刻机的极限,还只是一个理论方向。
本文首发于微信公众号:芯榜。文章内容属作者个人观点,不代表和讯网立场。投资者据此操作,风险请自担。
(责任编辑:董萍萍)