中國首臺2.5D / 3D先進(jìn)封裝光刻機正式交付

據2022年2月7日消息，上海微電子裝備（集團）股份有限公司（SMEE）舉行首臺2.5D/3D先進(jìn)封裝光刻機發(fā)運儀式，向客戶(hù)正式交付先進(jìn)封裝光刻機。需要指出的是，上海微電子此次交付的是用于IC后道制造的“先進(jìn)封裝光刻機”，并不是大家通常認知當中的應用于IC前道制造的“光刻機”。

早在2021年9月18日，上海微電子宣布推出SSB520型新一代大視場(chǎng)高分辨率先進(jìn)封裝光刻機。該光刻機主要應用于高密度異構集成領(lǐng)域，具有高分辨率、高套刻精度和超大曝光視場(chǎng)等特點(diǎn)，可幫助晶圓級先進(jìn)封裝企業(yè)實(shí)現多芯片高密度互連封裝技術(shù)的應用，滿(mǎn)足異構集成超大芯片封裝尺寸的應用需求。根據資料顯示，該光刻機可滿(mǎn)足0.8μm（800nm）分辨率光刻工藝需求，極限分辨率可達0.6μm（600nm）；通過(guò)升級運動(dòng)、量測和控制系統，套刻精度提升至≤100nm，并能保持長(cháng)期穩定性。

注：1 微米(μm)=1000 納米(nm)

此外，曝光視場(chǎng)可提供53mm×66mm（4倍IC前道標準視場(chǎng)尺寸）和60mm×60mm兩種配置，可滿(mǎn)足異構集成超大芯片封裝尺寸的應用需求。該IC后道先進(jìn)封裝光刻機比起此前的SSB500/40和SSB500/50型有著(zhù)較大的提升。SSB500系列步進(jìn)投影光刻機主要應用于200mm/300mm集成電路先進(jìn)封裝領(lǐng)域，包括Flip Chip、Fan-In WLP、Fan-Out WLP和2.5D/3D等先進(jìn)封裝形式，可滿(mǎn)足Bumping、RDL和TSV等制程的晶圓級光刻工藝需求。以下為SSB500/40與 SSB500/50型光刻機的主要技術(shù)參數：

半導體制造設備可以分為前道設備和后道設備。其中，前道制造設備主要包括光刻機、涂膠顯影設備、刻蝕機、去膠機、薄膜沉積設備、清洗機、CMP設備、離子注入機、熱處理設備、量測設備;后道制造設備主要包括減薄機、劃片機、裝片機、引線(xiàn)鍵合機、測試機、分選機、探針臺等。作為國內的光刻機制造商，上海微電子目前的光刻機產(chǎn)品主要包括其 SSX600 和 SSX500 兩個(gè)系列。其中， SSX600系列用于IC前道制造，最先進(jìn)的也只能用于90nm芯片的制造，而SSX500系列則用于IC后道制造，即IC后道的先進(jìn)封裝。

根據官網(wǎng)資料顯示，SSX600 系列步進(jìn)掃描投影光刻機采用四倍縮小倍率的投影物鏡、工藝自適應調焦調平技術(shù)，以及高速高精的自減振六自由度工件臺掩模臺技術(shù)，可滿(mǎn)足 IC 前道制造 90nm、110nm、280nm 關(guān)鍵層和非關(guān)鍵層的光刻工藝需求，該設備可用于 8吋線(xiàn)或 12 吋線(xiàn)的大規模工業(yè)生產(chǎn)。SSB500系列步進(jìn)投影光刻機則主要應用于200mm/300mm集成電路先進(jìn)封裝領(lǐng)域，包括Flip Chip、Fan-In WLP、Fan-Out WLP和2.5D/3D等先進(jìn)封裝形式，可滿(mǎn)足Bumping、RDL和TSV等制程的晶圓級光刻工藝需求。資料顯示，在去年7月，富士康與青島國資合資設立的半導體封測項目(青島新核芯科技有限公司)，就引進(jìn)了上海微電子的封裝光刻機。11月26日，該晶圓級封測廠(chǎng)正式投產(chǎn)，據說(shuō)引進(jìn)多達46臺上海微電子的封裝光刻機。

去年9月18日，上海微電子舉行了新產(chǎn)品發(fā)布會(huì )，宣布推出新一代大視場(chǎng)高分辨率先進(jìn)封裝光刻機(應該是微米級分辨率的SSB500/40/50之外的其他型號，分辨率可能進(jìn)入了納米級別)。上海微電子曾表示，當時(shí)已與多家客戶(hù)達成新一代先進(jìn)封裝光刻機銷(xiāo)售協(xié)議。據悉，當時(shí)推出的新品光刻機主要應用于高密度異構集成領(lǐng)域，具有高分辨率、高套刻精度和超大曝光視場(chǎng)等特點(diǎn)，可幫助晶圓級先進(jìn)封裝企業(yè)實(shí)現多芯片高密度互連封裝技術(shù)的應用，滿(mǎn)足異構集成超大芯片封裝尺寸的應用需求，同時(shí)將助力封裝測試廠(chǎng)商提升工藝水平、開(kāi)拓新的工藝，在封裝測試領(lǐng)域共同為中國集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做出更多的貢獻。

芯片前道工藝七大設備，其中包括光刻機、刻蝕機、鍍膜設備、量測設備、清洗機、離子注入機以及其他設備。光刻機主要作用為將掩膜版上的芯片電路轉移到硅片，是IC制造最核心環(huán)節。

半導體芯片產(chǎn)業(yè)鏈主要分上游端設計、中游端制造、下游端封測三大環(huán)節。整個(gè)芯片制造中IC制造是最復雜、也是最為關(guān)鍵的工藝步驟。光刻機可分為三類(lèi)：一是主要用于生產(chǎn)芯片的光刻機；二是用于封裝的光刻機；三是用于LED制造領(lǐng)域的投影光刻機。其中用于生產(chǎn)芯片的光刻機涉及眾多世界領(lǐng)先技術(shù)，中國與國外頂尖光刻機技術(shù)水平仍然存在較大差距。

2020年，中國芯片進(jìn)口總額超過(guò)3,500億美元，創(chuàng )下歷史新高。全球新冠疫情對于芯片產(chǎn)量的持續影響和5G、新能源汽車(chē)、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域不斷增長(cháng)的需求，全球半導體供給持續緊張。芯片應用不局限于手機和電腦，已涉及生活日常用品如冰箱、洗衣機、空調和電視等各類(lèi)家用電器。全球集成電路行業(yè)銷(xiāo)售額由2012年2,382億美元增長(cháng)至2018年3,933億美元，CAGR達8.72%。

超高端EUV光刻機與DUV光刻機區別在于所使用的理論分辨率、物鏡組和光源不同，ArF則是DUV深紫外光刻機所用的光源。2017年，ASML成功研發(fā)出第五代EUV光刻機，采用將準分子激光照射在錫等靶材，激發(fā)出13.5nm光子，作為光刻機光源。而上海微電子預計2021年底交付的28nm光刻機，則是使用ArF光源制造的DUV深紫外光刻機。EUV與DUV光刻機的對比。在分辨率方面，EUV使用13.5nm光源理論上分辨率可達1nm，而DUV使用浸入式技術(shù)最高可達7nm。物鏡組方面，EUV使用反射鏡組，DUV則是使用合成石英制造的非球面鏡片。光源方面，EUV使用獨有的EUV光源，全球僅為美國公司Cymer與日本Gigaphoton才能制造。目前全球唯一量產(chǎn)EUV光刻機使用的光源設備，是由Cymer公司所提供。DUV用的是準分子ArF光源。

ASML作為全球唯一一家生產(chǎn)EUV極紫光刻機，壟斷全球高端光刻機供應，超高端光刻機領(lǐng)域未來(lái)競爭格局難以改變。ASML公司在超高端光刻機領(lǐng)域獨占鰲頭，成為唯一供應商，旗下產(chǎn)品覆蓋全部級別光刻機設備。全球光刻機市場(chǎng)主要競爭公司為ASML，尼康(Nikon)和佳能(Canon)三家。從光刻機銷(xiāo)售額來(lái)看，2019年三家合計市場(chǎng)份額占全球光刻機市場(chǎng)90%以上。從企業(yè)角度，Canon主要光刻機銷(xiāo)售集中在i-line光刻機；Nikon光刻機銷(xiāo)售則縱向跨度較大，在除EUV之外的類(lèi)型均有涉及，其中以Arf和i-line光刻機領(lǐng)域較為突出；ASML，則在除i-line光刻機之外領(lǐng)域均具有較強的主導地位。尼康公司在光刻機行業(yè)發(fā)展呈現持續下滑態(tài)勢，但憑借多年技術(shù)積累依舊位居二線(xiàn)供應商地位；佳能公司只能屈居三線(xiàn)；上海微電子裝備（SMEE）作為后起之秀，在前道光刻機領(lǐng)域暫時(shí)只提供低端光刻機。

由于光刻設備對光學(xué)技術(shù)和供應鏈要求極高，擁有極高技術(shù)壁壘，已成為高度壟斷行業(yè)。上海微電子與ASML在光刻機領(lǐng)域的差距客觀(guān)反映中國和西方在精密制造領(lǐng)域差距，超高端光刻機關(guān)鍵零部件來(lái)自不同西方發(fā)達國家，如美國光源，德國鏡頭和法國閥件等，所有核心零部件皆對中國禁運，中國大學(xué)研究機構在半導體領(lǐng)域也相對偏薄弱，短期內無(wú)法提供有效技術(shù)支持，致使中國光刻機技術(shù)處在弱勢地位。中國光刻機在短時(shí)間內難以追趕世界光刻機水平。

高精密光學(xué)鏡片和光源是光刻機核心部件之一。高數值孔徑鏡頭決定光刻機分辨率以及套值誤差能力，高性能光刻機則需要體積小、功率高和穩定光源。在光刻機領(lǐng)域，全球光學(xué)鏡頭可用于光刻機的廠(chǎng)商僅為三家，分別為卡爾蔡司、尼康和佳能。用于超高端EUV極紫外光刻機鏡頭便由卡爾蔡司提供，長(cháng)期以來(lái)為ASML光刻設備提供高效能光學(xué)鏡頭。目前，主流EUV光源為激光等離子光源（LPP），只有美國廠(chǎng)商Cymer和日本廠(chǎng)商Gigaphoton才能夠生產(chǎn)。2013年，Cymer被ASML收購共同研發(fā)EUV光源技術(shù)，為其光源技術(shù)提供保障。Cymer所占市場(chǎng)份額近70%，為世界光源制造領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊。Gigaphoton于上世紀90年代開(kāi)始進(jìn)入中國市場(chǎng)，最先端產(chǎn)品為浸沒(méi)式光刻ArF激光器，憑借穩定的技術(shù)和低操作成本等方面獲得全世界客戶(hù)好評，近年來(lái)在中國市場(chǎng)的裝機數量也持續增加，預計未來(lái)裝機量將逐漸增長(cháng)，Gigaphoton占70%中國市場(chǎng)份額。而中國科益虹源公司自主研發(fā)設計生產(chǎn)的首臺高能準分子激光器，以高質(zhì)量和低成本的優(yōu)勢，填補中國在準分子激光技術(shù)領(lǐng)域的空白，打破國外廠(chǎng)家對該技術(shù)產(chǎn)品長(cháng)期市場(chǎng)壟斷局面。

全球半導體設備行業(yè)復蘇，受益于下游晶圓巨大需求、服務(wù)器云計算和5G基礎建設發(fā)展，帶動(dòng)相關(guān)芯片需求，光刻機銷(xiāo)售額增速穩定增長(cháng)。伴隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)和5G市場(chǎng)高速發(fā)展，對芯片性能要求越來(lái)越高，對高性能光刻機設備需求也將進(jìn)一步加大。近年來(lái)下游晶圓代工廠(chǎng)加速擴建產(chǎn)能，帶動(dòng)光刻機設備需求并有望持續增長(cháng)。目前7nmEUV光刻機平均每臺價(jià)格達到1.2億歐元，但晶圓代工廠(chǎng)對高端光刻機的需求量仍然不減。

全球光刻機需求端集中在中低端光刻機產(chǎn)品，隨著(zhù)下游晶圓代工廠(chǎng)對晶圓尺寸和制程要求提高，高制程光刻機需求持續增長(cháng)，高端光刻機銷(xiāo)售額占全球市場(chǎng)份額的41%。中低端市場(chǎng)需求量不斷增長(cháng)，主要受先進(jìn)封裝的推動(dòng)。隨著(zhù)技術(shù)發(fā)展，2015年至2020年先進(jìn)封裝光刻設備出貨量年復合增長(cháng)率達到15%，2020年總數將超過(guò)250臺/年。中低端光刻機由于技術(shù)壁壘較低，競爭者數量較多，尼康與佳能憑借價(jià)格優(yōu)勢占據中低端市場(chǎng)主導地位。

近年來(lái)，隨著(zhù)“摩爾定律”的推進(jìn)放緩，再加上追逐先進(jìn)制程工藝所帶來(lái)的成本壓力越來(lái)越高，使得越來(lái)越多的芯片廠(chǎng)商開(kāi)始選擇通過(guò)Chiplet、2.5D/3D先進(jìn)封裝技術(shù)來(lái)進(jìn)行異質(zhì)集成，從而在不完全依賴(lài)于制程工藝提升的情況下，以相對更低的成本來(lái)提升芯片的性能。特別是在美國持續打壓中國芯片產(chǎn)業(yè)，使得國內芯片制造業(yè)在先進(jìn)制程上發(fā)展受阻的背景之下，2.5D/3D先進(jìn)封裝技術(shù)更是成為了國內芯片制造業(yè)可以發(fā)力的另一大重點(diǎn)方向，這也推動(dòng)了市場(chǎng)對于封裝光刻機的需求。在此情況下，作為國內本唯一的光刻機大廠(chǎng)，上海微電子的SSB500系列封裝光刻機出貨大增，并完成了首臺國產(chǎn)2.5D/3D先進(jìn)封裝光刻機正式交付也值得肯定。