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ABM Inc.:中国光刻机技术特点与市场分布

07/04 10:29
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编者按:光刻机无比关键,再加上地缘政治和制裁,人们很少公开讨论光刻机技术,让它蒙上了一层神秘面纱。在2024 IC NAN SHA大会上,光刻机设备生产商ABM Inc. 副总经理赵宏关于光刻机设备研发以及市场特点做了演讲,现将其演讲整理刊发,以飨读者。

光刻机的重要性无需强调,但有多少人知道中国有哪些光刻机制造设备制造商?

ABM Inc.是其中的领导者之一,主要提供半导体前道制造的光刻机和先进封装的光刻机和键合设备。ABM Inc.成立于2003年,总部位于中国香港,在半导体光刻设备的行业经验超过20年。整机设备为自研自制,拥有超过2000+自主开发的光刻机重要零部件专有技术,且在光刻机关键子系统如全波段近、中、深紫外光源系统和折反射镜组、精密工件台等完全为自研自制,拥有独立的知识产权。

ABM Inc.光刻机在全球已交付超过300个客户,累计交付950台(套), 已交付的国际客户包括有逻辑、存储、通信等一线晶圆制造的头部企业,其交付的光刻机已被广泛应用于集成电路的前道制造和先进封装领域。全球拥有(亚微米级以上)光刻机制造能力的企业有ASML、Nikon、Canon、SMEE(上海微电子装备(集团)股份有限公司)、ABM Inc.、SUSS。

目前中国本土只有ABM Inc.与SMEE为自主研发、设计、且拥有包括核心零部件和重要子系统自主知识产权的光刻机整机集成制造商。这是ABM Inc.和SMEE与其他通过旧型二手设备翻新的光刻机设备商截然不同之处!从这个角度出发,ABM Inc.与 SMEE 是中国唯二的光刻机设备制造商。

ABM光刻机主要应用于制造MEMS功率器件、化合物半导体等行业需要的芯片,这些芯片主要应用于航空航天、移动通讯、新能源汽车消费电子AI人工智能等。

光刻机的分类可以分为有掩膜和无掩膜光刻机,无掩膜光刻机主要为激光直写光刻机, 主要应用于FPD、PCB、PV等泛半导体领域,无掩膜光刻机在半导体制造领域较少使用。有掩膜光刻机是半导体制造的主流光刻机,其技术发展路径从接触式、接近式、投影式、步进式和扫描式光刻机。光刻机的发展是一个光学技术与系统集成工程不断积累的过程,其复杂程度堪称人类科技之巅。

光刻机的整机制造是多学科交织的极其复杂的工程,需要集成精密光学、精密运动学、高精度微环境控制、算法、微电子、高精度测控等多领域。ASML的成长路径也莫过于此,不可逾矩。

在半导体前道制造领域,光刻设备是其中价值链最高,技术壁垒最高的设备,光刻工艺在晶圆制造中约占1/3的成本,耗时工艺40%-60%。以ASML、Nikon、Canon主力产品步进式光刻机和扫描式光刻机为例, 光刻机的分类从光源的角度又可细分为I-line、DUV (KrF及ArF)、EUV

在这个领域,ASML的高数值孔径EUV光刻机也被誉为人类工业文明皇冠上的明珠,其追求极致的线宽与套刻精度,可发出自然界不存在的 13.5纳米EUV波长,镜片的平坦度做到原子级,精密工件台的运动过载超过10G,单价超过2.75亿美金。

将ASML、NIKON等国际巨头与ABM对比,可以打个比方,如果将光刻机比作“汽车”,那么全球光刻机设备商就只造两种“车型”,一种是造“跑车”(EUV及DUV光刻机),代表企业有ASML、Nikon、SMEE,“跑车”追求极高的性能和极致的线宽,用于生产逻辑芯片存储芯片、数字芯片。一种是造“皮卡”(I-line光刻机),代表企业有Canon,ABM Inc.等。“皮卡”追求极佳的性价比和高可靠性,用于生产MENS、功率器件、化合物半导体等。但不是所有的芯片都要用“跑车”来生产。

目前中国的晶圆制造产能占比70%的晶圆厂仍在使用超过25年的光刻机, 这些光刻机对比ASML和Nikon的高端机型都属于“皮卡”,存量超过2000台。但这些产能生产的芯片是保障中国在新能源汽车、通信、电力、轨道交通、消费电子等战略支柱行业安全和自给自足的底线,中国本土的光刻机制造商需要在此实现国产化。但遗憾的是,即使是“皮卡”,中国光刻机设备的国产化率占比仍然较低,距离实现完全国产化和规模量产尚有相当长的路。

不同于半导体设备中薄膜设备、刻蚀设备的国产化率数倍于光刻机, 光刻机是中国半导体产业中的最短板,也是最卡脖子的领域。光刻机的发展路径从低端到中高端是有序延伸,无法跳跃,其性能的成熟仰赖长时间的产品迭代和技术积累。ABM的目标,就是发挥20余年来在光路设计、零部件设计、组装工序、环境控制、工艺数据库等2000+自主专有技术的积累的基础上, 首先实现在这个领域的光刻机完全国产化。

从市场数据分析,在2014年到2022年,光刻机以每年超过580台市场需求仍在持续增长,其中i-line光刻机增速最快市场需求强劲。EUV光刻机产能有限, 每年产出约40台; DUV稳步增长,每年有超过340台的市场需求; i-line增速最快,每年超过200台市场需求,采购额超过20亿美元。从数据来看,i-line和DUV光刻机占据市场62%的市场份额。

此外,先进封装的蓬勃发展,也带来对先进封装光刻机的巨大需求。随着摩尔定律放缓,先进封装已成为延续集成电路实现更强的性能,更小的面积,更快的互联和更低的功耗的有效途径。英伟达、苹果、高通等公司的产品高度仰赖台积电的先进封装。未来,在人工智能、自动驾驶等应用场景的高速推动下,产生更多的未知终端应用,催生对先进封装产能的海量需求。

在先进封装领域,目前可提供光刻机设备的企业有EVG、SUSS、ABM、SMEE。ABM已迎来巨大的发展空间。

目前,全球先进封装产能正在急剧扩张,台积电已宣布至2026年将先进封装产能在2023年水平上扩产4倍。外媒Anandtech认为,三年内台积电将CoWoS产能扩张4倍仍然不够。其他国际巨头如英特尔、海力士、仅两家的扩产规模超过200亿美元;国内如通富、长电、盛合晶微、日月光等,目前已公开的先进封装扩产金额超过1500亿元人民币。全球先进封装产能将超过100万片,按照每2万片晶圆需要8-12台光刻机推算,全球对先进封装光刻机需求已超过600台。

各家的先进封装工艺皆有不同标准, 如台积电CoWoS-R、CoWoS-S、CoWoS-L光刻工艺不同 (胶厚、曝光景深、L/S线距比), 考验光刻机的适配性与综合性能, 包含曝光面积、图形拼接、对位标记、分辨率、产能、工艺窗口等综合性价比, 这些指标决定先进封装的终端成本及竞争优势。台积电在10年前推出(28nm)先进封装的报价为7美分/平方毫米, 现今已低于3美分/平方毫米;(3nm)先进封装的报价目前为28美分/平方毫米。成本控制对于先进封装的发展极为重要, 考验光刻机供应商的客制化选项与集成能力。

ABM的光刻机可满足主流Bumping、RDL和TSV等光刻工艺主流需求, 并提供广泛的光刻工艺窗口及黄光区配套联机设备, 并可提供8英寸到12英寸的设备选型或兼容。地缘政治的原因使中国先进制程的发展受限,通过先进封装和现有成熟制程搭配以实现中国高端芯片的全自主,已成为中国半导体产业的重点发展方向。

以台积电CoWoS技术指标剖析, 中国设备商已在薄膜沉积设备(填孔绝缘及金属层沉积)、刻蚀设备 (TSV硅通孔)、机械研磨、氧化退火等领域均可满足技术指标, 但欠缺本土的光刻机企业作为核心链主, 串起中国先进封装工艺成套设备的配置与布局,ABM正是中国极少数具备先进封装成套设备一站式解决方案的供应商。ABM如同1990年代的ASML,正处于爆发前夕。

在过去的20年里,其光刻机几乎遍布全球主要半导体产业集中地,成功树立了ABM光刻机的国际品牌。未来,ABM将持续打造为光刻设备的国际化产业平台。作为中国光刻机行业的领导者,ABM将继续在中国高端光刻机国产化的道路上做一位孤独的登山者。

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