中国首台2.5D / 3D先进封装光刻机正式交付

      据2022年2月7日消息，上海微电子装备（集团）股份有限公司（SMEE）举行首台2.5D/3D先进封装光刻机发运仪式，向客户正式交付先进封装光刻机。需要指出的是，上海微电子此次交付的是用于IC后道制造的“先进封装光刻机”，并不是大家通常认知当中的应用于IC前道制造的“光刻机”。

      早在2021年9月18日，上海微电子宣布推出SSB520型新一代大视场高分辨率先进封装光刻机。该光刻机主要应用于高密度异构集成领域，具有高分辨率、高套刻精度和超大曝光视场等特点，可帮助晶圆级先进封装企业实现多芯片高密度互连封装技术的应用，满足异构集成超大芯片封装尺寸的应用需求。根据资料显示，该光刻机可满足0.8μm（800nm）分辨率光刻工艺需求，极限分辨率可达0.6μm（600nm）；通过升级运动、量测和控制系统，套刻精度提升至≤100nm，并能保持长期稳定性。

                                                     注：1 微米(μm)=1000 纳米(nm)  

此外，曝光视场可提供53mm×66mm（4倍IC前道标准视场尺寸）和60mm×60mm两种配置，可满足异构集成超大芯片封装尺寸的应用需求。该IC后道先进封装光刻机比起此前的SSB500/40和SSB500/50型有着较大的提升。SSB500系列步进投影光刻机主要应用于200mm/300mm集成电路先进封装领域，包括Flip Chip、Fan-In WLP、Fan-Out WLP和2.5D/3D等先进封装形式，可满足Bumping、RDL和TSV等制程的晶圆级光刻工艺需求。以下为SSB500/40与 SSB500/50型光刻机的主要技术参数：

 

     半导体制造设备可以分为前道设备和后道设备。其中，前道制造设备主要包括光刻机、涂胶显影设备、刻蚀机、去胶机、薄膜沉积设备、清洗机、CMP设备、离子注入机、热处理设备、量测设备;后道制造设备主要包括减薄机、划片机、装片机、引线键合机、测试机、分选机、探针台等。作为国内的光刻机制造商，上海微电子目前的光刻机产品主要包括其 SSX600 和 SSX500 两个系列。其中， SSX600系列用于IC前道制造，最先进的也只能用于90nm芯片的制造，而SSX500系列则用于IC后道制造，即IC后道的先进封装。

根据官网资料显示，SSX600 系列步进扫描投影光刻机采用四倍缩小倍率的投影物镜、工艺自适应调焦调平技术，以及高速高精的自减振六自由度工件台掩模台技术，可满足 IC 前道制造 90nm、110nm、280nm 关键层和非关键层的光刻工艺需求，该设备可用于 8吋线或 12 吋线的大规模工业生产。SSB500系列步进投影光刻机则主要应用于200mm/300mm集成电路先进封装领域，包括Flip Chip、Fan-In WLP、Fan-Out WLP和2.5D/3D等先进封装形式，可满足Bumping、RDL和TSV等制程的晶圆级光刻工艺需求。资料显示，在去年7月，富士康与青岛国资合资设立的半导体封测项目(青岛新核芯科技有限公司)，就引进了上海微电子的封装光刻机。11月26日，该晶圆级封测厂正式投产，据说引进多达46台上海微电子的封装光刻机。

 

去年9月18日，上海微电子举行了新产品发布会，宣布推出新一代大视场高分辨率先进封装光刻机(应该是微米级分辨率的SSB500/40/50之外的其他型号，分辨率可能进入了纳米级别)。上海微电子曾表示，当时已与多家客户达成新一代先进封装光刻机销售协议。据悉，当时推出的新品光刻机主要应用于高密度异构集成领域，具有高分辨率、高套刻精度和超大曝光视场等特点，可帮助晶圆级先进封装企业实现多芯片高密度互连封装技术的应用，满足异构集成超大芯片封装尺寸的应用需求，同时将助力封装测试厂商提升工艺水平、开拓新的工艺，在封装测试领域共同为中国集成电路产业的发展做出更多的贡献。

 

      芯片前道工艺七大设备，其中包括光刻机、刻蚀机、镀膜设备、量测设备、清洗机、离子注入机以及其他设备。光刻机主要作用为将掩膜版上的芯片电路转移到硅片，是IC制造最核心环节。

       半导体芯片产业链主要分上游端设计、中游端制造、下游端封测三大环节。整个芯片制造中IC制造是最复杂、也是最为关键的工艺步骤。光刻机可分为三类：一是主要用于生产芯片的光刻机；二是用于封装的光刻机；三是用于LED制造领域的投影光刻机。其中用于生产芯片的光刻机涉及众多世界领先技术，中国与国外顶尖光刻机技术水平仍然存在较大差距。

        2020年，中国芯片进口总额超过3,500亿美元，创下历史新高。全球新冠疫情对于芯片产量的持续影响和5G、新能源汽车、物联网等领域不断增长的需求，全球半导体供给持续紧张。芯片应用不局限于手机和电脑，已涉及生活日常用品如冰箱、洗衣机、空调和电视等各类家用电器。全球集成电路行业销售额由2012年2,382亿美元增长至2018年3,933亿美元，CAGR达8.72%。

超高端EUV光刻机与DUV光刻机区别在于所使用的理论分辨率、物镜组和光源不同，ArF则是DUV深紫外光刻机所用的光源。2017年，ASML成功研发出第五代EUV光刻机，采用将准分子激光照射在锡等靶材，激发出13.5nm光子，作为光刻机光源。而上海微电子预计2021年底交付的28nm光刻机，则是使用ArF光源制造的DUV深紫外光刻机。EUV与DUV光刻机的对比。在分辨率方面，EUV使用13.5nm光源理论上分辨率可达1nm，而DUV使用浸入式技术最高可达7nm。物镜组方面，EUV使用反射镜组，DUV则是使用合成石英制造的非球面镜片。光源方面，EUV使用独有的EUV光源，全球仅为美国公司Cymer与日本Gigaphoton才能制造。目前全球唯一量产EUV光刻机使用的光源设备，是由Cymer公司所提供。DUV用的是准分子ArF光源。

     ASML作为全球唯一一家生产EUV极紫光刻机，垄断全球高端光刻机供应，超高端光刻机领域未来竞争格局难以改变。ASML公司在超高端光刻机领域独占鳌头，成为唯一供应商，旗下产品覆盖全部级别光刻机设备。全球光刻机市场主要竞争公司为ASML，尼康(Nikon)和佳能(Canon)三家。从光刻机销售额来看，2019年三家合计市场份额占全球光刻机市场90%以上。从企业角度，Canon主要光刻机销售集中在i-line光刻机；Nikon光刻机销售则纵向跨度较大，在除EUV之外的类型均有涉及，其中以Arf和i-line光刻机领域较为突出；ASML，则在除i-line光刻机之外领域均具有较强的主导地位。尼康公司在光刻机行业发展呈现持续下滑态势，但凭借多年技术积累依旧位居二线供应商地位；佳能公司只能屈居三线；上海微电子装备（SMEE）作为后起之秀，在前道光刻机领域暂时只提供低端光刻机。

          由于光刻设备对光学技术和供应链要求极高，拥有极高技术壁垒，已成为高度垄断行业。上海微电子与ASML在光刻机领域的差距客观反映中国和西方在精密制造领域差距，超高端光刻机关键零部件来自不同西方发达国家，如美国光源，德国镜头和法国阀件等，所有核心零部件皆对中国禁运，中国大学研究机构在半导体领域也相对偏薄弱，短期内无法提供有效技术支持，致使中国光刻机技术处在弱势地位。中国光刻机在短时间内难以追赶世界光刻机水平。

高精密光学镜片和光源是光刻机核心部件之一。高数值孔径镜头决定光刻机分辨率以及套值误差能力，高性能光刻机则需要体积小、功率高和稳定光源。在光刻机领域，全球光学镜头可用于光刻机的厂商仅为三家，分别为卡尔蔡司、尼康和佳能。用于超高端EUV极紫外光刻机镜头便由卡尔蔡司提供，长期以来为ASML光刻设备提供高效能光学镜头。目前，主流EUV光源为激光等离子光源（LPP），只有美国厂商Cymer和日本厂商Gigaphoton才能够生产。2013年，Cymer被ASML收购共同研发EUV光源技术，为其光源技术提供保障。Cymer所占市场份额近70%，为世界光源制造领域的领头羊。Gigaphoton于上世纪90年代开始进入中国市场，最先端产品为浸没式光刻ArF激光器，凭借稳定的技术和低操作成本等方面获得全世界客户好评，近年来在中国市场的装机数量也持续增加，预计未来装机量将逐渐增长，Gigaphoton占70%中国市场份额。而中国科益虹源公司自主研发设计生产的首台高能准分子激光器，以高质量和低成本的优势，填补中国在准分子激光技术领域的空白，打破国外厂家对该技术产品长期市场垄断局面。

全球半导体设备行业复苏，受益于下游晶圆巨大需求、服务器云计算和5G基础建设发展，带动相关芯片需求，光刻机销售额增速稳定增长。伴随着物联网和5G市场高速发展，对芯片性能要求越来越高，对高性能光刻机设备需求也将进一步加大。近年来下游晶圆代工厂加速扩建产能，带动光刻机设备需求并有望持续增长。目前7nm EUV光刻机平均每台价格达到1.2亿欧元，但晶圆代工厂对高端光刻机的需求量仍然不减。

全球光刻机需求端集中在中低端光刻机产品，随着下游晶圆代工厂对晶圆尺寸和制程要求提高，高制程光刻机需求持续增长，高端光刻机销售额占全球市场份额的41%。中低端市场需求量不断增长，主要受先进封装的推动。随着技术发展，2015年至2020年先进封装光刻设备出货量年复合增长率达到15%，2020年总数将超过250台/年。中低端光刻机由于技术壁垒较低，竞争者数量较多，尼康与佳能凭借价格优势占据中低端市场主导地位。

 

近年来，随着“摩尔定律”的推进放缓，再加上追逐先进制程工艺所带来的成本压力越来越高，使得越来越多的芯片厂商开始选择通过Chiplet、2.5D/3D先进封装技术来进行异质集成，从而在不完全依赖于制程工艺提升的情况下，以相对更低的成本来提升芯片的性能。特别是在美国持续打压中国芯片产业，使得国内芯片制造业在先进制程上发展受阻的背景之下，2.5D/3D先进封装技术更是成为了国内芯片制造业可以发力的另一大重点方向，这也推动了市场对于封装光刻机的需求。在此情况下，作为国内本唯一的光刻机大厂，上海微电子的SSB500系列封装光刻机出货大增，并完成了首台国产2.5D/3D先进封装光刻机正式交付也值得肯定。