光刻機之王:ASML 傳

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一提起荷蘭,大家首先想到的是巨大的風車,以及色彩華美的鬱金香。很少有人會留意到,在雨水充沛、人口不到30萬的荷蘭南部城市費爾德霍芬(Veldhoven),坐落著一家叫阿斯麥(ASML)的公司,它是全球最大的光刻機製造商。

阿斯麥(ASML)在費爾德霍芬(Veldhoven)的總部 圖片來源/阿斯麥官網

阿斯麥的地位有多重要?可以這麼說,如果它停產,全球半導體晶片生產將會停擺。

阿斯麥的行業地位,還可以通過近期一則新聞略窺一斑。5月初,美國聖克拉拉市高等法院作出最終判決,阿斯麥起訴XTAL竊取商業機密勝訴,阿斯麥獲賠8.45億美元,並獲得XTAL的大部分專利和客戶。

這樁官司發生的背後,和阿斯麥的一位客戶想借XTAL打破阿斯麥的市場壟斷地位有關。

這方面,或許市場數據更有說服力。

2017年全球光刻機總出貨294台,阿斯麥出貨198台,占據市場份額68%,在更高端的EUV(極紫外)光刻機方面,市場100%屬於阿斯麥。正因為如此,才有客戶擔心自己被阿斯麥卡脖子,於是絞盡腦汁培養阿斯麥的競爭對手XTAL。

合抱之木,生於毫末。阿斯麥剛成立時,可謂爹不疼娘不愛,靠著苦心鑽營出一套打法,最終從尼康等老牌光刻機大戶嘴裡搶到飯吃,從青銅走上王者之巔。

早期,60-70年代

光刻機的原理其實像幻燈機一樣簡單,就是把光通過帶電路圖的掩膜(Mask,後來也叫光罩)投影到塗有光敏膠的晶圓上。早期60年代的光刻,掩膜版是1:1尺寸緊貼在晶圓片上,而那時晶圓也只有1英寸大小。

因此,光刻那時並不是高科技,半導體公司通常自己設計工裝和工具,比如英特爾開始是買16毫米攝像機鏡頭拆了用。只有GCA, K&S和Kasper等很少幾家公司有做過一點點相關設備。

60年代末,日本的尼康和佳能開始進入這個領域,畢竟當時的光刻不比照相機複雜。

70年代初,光刻機技術更多集中在如何保證十個甚至更多個掩膜版精準地套刻在一起。Kasper儀器公司首先推出了接觸式對齊機台並領先了幾年,Cobilt公司做出了自動生產線,但接觸式機台後來被接近式機台所淘汰,因為掩膜和光刻膠多次碰到一起太容易污染了。

1973年,拿到美國軍方投資的Perkin Elmer公司推出了投影式光刻系統,搭配正性光刻膠非常好用而且良率頗高,因此迅速占領了市場。

1978年,GCA推出真正現代意義的自動化步進式光刻機(Stepper),解析度比投影式高5倍達到1微米。這個怪怪的名字來自於照相術語Step and Repeat,這台機器通俗點說把透過掩膜的大約一平方厘米的一束光照在晶圓上,曝光完一塊挪個位置再刻下一塊。由於剛開始Stepper生產效率相對不高,Perkin Elmer在後面很長一段時間仍處於主導地位。

80年代,群雄爭霸

光刻機是個小市場,一年賣幾十台的就算大廠了。因為半導體廠商就那麼多,一台機器又能用好多年。這導致你的機器落後一點,就沒人願意買了。技術領先是奪取市場的關鍵,贏家通吃。

80年代一開始,GCA的Stepper還稍微領先,但很快尼康發售了自己首台商用Stepper NSR-1010G,擁有更先進的光學系統極大提高了產能。兩家一起擠壓了其它廠商的份額,尤其是Perkin Elmer的投影式光刻。P&E的市場份額從80年超過3成快速跌到84年不到5%。

在《內存的故事》中有提到,80年代是日本半導體最風光的時候,本土幾乎每家大公司大財閥都進入了半導體業。這給尼康和佳能雙雄帶來巨大的後盾,並開始反攻美國市場。

由於GCA的鏡片組來自蔡司,不像尼康自己擁有鏡頭技術,合作的問題使得GCA產品更新方面一直落後了半拍。1982年,尼康在矽谷設立尼康精機,開始從GCA手裡奪下一個接一個大客戶:IBM、Intel、TI、AMD等。

到了1984年,尼康已經和GCA平起平坐,各享三成市占率。Ultratech占約一成,Eaton、P&E、佳能、日立等剩下幾家每家都不到5%。

為什麼我們要特地看1984年呢?

首先我們致敬一下蘋果,震撼世界的廣告《1984》發布了第一代Mac(我現在打字電腦的老祖宗)。然後,請出我們故事的主角:ASML。

ASML被廣為傳播成是飛利浦分離的出來的,雖然不能說不對,但是和大家想像的那樣子還是不同的。

尼康為王的時代

阿斯麥成立於1984年。

1984年正是尼康來回碾壓美國對手的時代:

  • 在矽谷成立尼康精機,等於把戰鬥指揮部放到美國高科技行業的心臟;
  • PerkinElmer(鉑金埃爾默)受尼康衝擊,份額從超過30%跌到不足5%,今天它已經完全放棄半導體設備業務,專注於健康檢測設備;
  • GCA的大客戶IBM、AMD、TI和Intel等,排著隊跑到尼康那兒;
  • 尼康和GCA各享30%的市場份額,這種一山二虎的局面沒有維持多久,尼康就獨自為王,占領超過50%的份額,一直到阿斯麥崛起為止;

在大戶尼康肆意放飛自我的時候,阿斯麥出生了。

圖片數據來源/尼康官網。

直到今天,半導體設備在尼康集團的收入中占比仍達38.8%,是第二大支柱,但已遠遠不能和輝煌的時候相比。

早在幾年前,飛利浦實驗室研發出自動化步進式光刻機(Stepper)的原型,但對它的商業價值心裡直敲小鼓,找P&E、GCA、Cobilt、IBM這些半導體界的大佬談合作,沒人願意搭理。這時,荷蘭一家叫ASM International的小公司主動要求合作。飛利浦猶豫了一年,勉強同意成立股權對半的合資公司,這就是阿斯麥。

飛利浦之所以願意放低身價和一家名不見經傳的小公司合作,原因有兩個:

  • 一方面是飛利浦當時正和索尼主推更賺錢的CD,1984年CD的銷量達到1300萬張,是上一年的兩倍多,正漸漸散發出印鈔機的氣質,比小眾的光刻機更有投資價值;
  • 另一方面,尼康在光刻機市場攻城掠地,老牌半導體設備廠商節節敗退,雪上加霜的是,飛利浦當時正打算開始大規模裁員,糟糕的經濟狀況和惡劣的光刻機市場環境,使它不敢大手筆押注光刻機,因此與ASM International合作,不過是想占個坑觀望而已。

阿斯麥成立後,地位類似童養媳,飛利浦沒有撥付經費,甚至不提供辦公室,31個員工就在飛利浦大廈外的簡易木棚房辦公。多年以後,阿斯麥的CEO彼得。韋尼克(Peter Wennink)回憶公司初創時的境況,還忍不住說「窮困」。一句話:既沒錢,又受對手壓制。

阿斯麥剛成立時的辦公地是飛利浦大廈前的簡易木棚房,就是圖中緊挨垃圾桶的小房子。圖片來源/阿斯麥官網

ASML在頭一年只賣出一台stepper,第二年賣出四台。第一代產品不夠成熟,但是背靠飛利浦大樹的各種資源和容忍讓它生存了下來。

ASML在1985年和蔡司(Zeiss)合作改進光學系統,終於在1986年推出非常棒的第二代產品PAS-2500,並第一次賣到美國給當時的創業公司Cypress,今天的Nor Flash巨頭。

有意思的是,1986年半導體市場大滑坡(比如光三星半導體就虧了3億美元),導致美國一幫光刻機廠商都碰到嚴重的財務問題。ASML還小,所以損失不大,還可以按既有計劃開發新產品。同期,GCA和P&E的新產品開發都停滯了下來。

1988年GCA資金嚴重匱乏被General Signal收購,又過了幾年GCA找不到買主被關閉。General Signal旗下另外一家Ultratech最終被MBO,但是規模也不大了。1990年,P&E光刻部也支撐不下去被賣給SVG。

1980年還占據大半壁江山的美國三雄,到80年代末地位完全被日本雙雄取代。這時ASML還只有大約10%的市場占有率。

在2000年之前的整個16年時間裡,光刻機市場差不多都是尼康的後花園,阿斯麥占據的份額不超過10%。

直到一個叫林本堅的華人出現。

林本堅宣判「乾式」微影技術死刑

1959年,成立半年的仙童半導體公司赫爾尼發明了製造擴散型電晶體的「平面處理工藝」,使電晶體製造像印刷書籍一樣高效。這一工藝的流程之一,是把帶有電路圖的透光片正確投射到矽片上。「平面處理工藝」誕生之後成為集成電路的標準工藝,一直沿用至今,其最初採用的「乾式」(以空氣為介質)微影技術也沿用到上世紀90年代(鏡頭、光源等一直在改進),然後遇到瓶頸:始終無法將光刻光源的193nm波長縮短到157nm。

當時,為縮短光波長度,大量科學家和幾乎整個半導體業界都被卷進來,砸進數以十億計的美金,以及大量人力,提出了多種方案。

但這些方案,要麼需要增大投資成本,要麼太過超前,以當時的技術難以實現(比如極紫外(EUV)光刻,後文會講到)。

當大家排隊往157nm的「牆」上撞時,時任台積電研發副總經理的林本堅來了個腦筋急轉彎:既然157nm難以突破,為什麼不退回到技術成熟的193nm,把透鏡和矽片之間的介質從空氣換成水,由於水的折射率大約為1.4,那麼波長可縮短為193/1.4=132nm,大大超過攻而不克的157nm。

這個方案被稱做「浸入式光刻技術」,優勢非常明顯:

  • 由於是利用現有成熟技術改造,資金投入小,可以給半導體設備製造商節省研發投入,並減小晶片製造商的導入成本;
  • 如果把介質從水換成其它高折射率液體,波長還可以縮小到132nm以下,也就是說提高光刻機的解析度非常方便。

「浸入式光刻」方案並非林本堅靈光一現的產物,實際上早在1986年,他在IBM工作期間,就已經認定縮短波長的最佳方案是由乾式微影技術轉向浸潤式。但當時半導體界還沒在波長前撞牆,浸潤式技術方案沒有得到重視。

15年後,林本堅終於等來了機會。

林本堅。圖片來源/網易科技

「浸入式光刻」方案一出,基本上宣判了半導體界正在開發的各種「乾式」微影技術方案的死刑,意味著此前投入巨量的資金和人力幾乎打了水漂。這下大家不幹了,列出了一大堆反對理由,並有大公司高層捎話給台積電共同運營長蔣尚義,希望他管管林本堅,「不要(出來)攪局」。

阿斯麥下注崛起

林本堅帶領團隊半年發表3篇論文,消除業界對「浸入式光刻」方案的技術疑慮,同時跑遍美國、德國、日本等國,說服大廠們採用「浸入式光刻」方案,基本都是被拒絕。畢竟之前的巨量投入打水漂,是個人想想都會心疼(尼康現在大概是後悔的)。

來到荷蘭阿斯麥時,林本堅終於聽到願意合作的聲音。

打動阿斯麥的,除了「浸入式光刻」方案的技術難點被林本堅證明可以攻克,還有它的市場前景。由於半導體晶片市場一直被摩爾定律的小鞭子驅趕著,而英特爾又是摩爾定律的堅定支持者,「浸入式光刻」方案既然可以輕鬆突破157nm的障礙,那麼產品生產出來,英特爾將會下單,加上台積電,阿斯麥可以拿下兩家龍頭客戶。

半導體設備市場是個小眾市場,兩家龍頭企業點頭後,阿斯麥追上行業老大尼康的機率大大增加,權衡下來,此前對乾式微影技術的投入就顯得不那麼肉疼,阿斯麥於是決定下注投入「浸入式光刻」方案。

阿斯麥和台積電一拍即合。2004年,雙方共同研發成功全球第一台浸潤式微影機。當然,尼康也不是吃素的,宣布採用乾式微影技術的157nm產品和電子束投射(EPL)產品樣機研製成功。

但阿斯麥的產品相對於尼康的全新研發,屬於改進型成熟產品,半導體晶片廠應用成本低,而且縮短光波比尼康的效果還好(多縮短25nm)。結果,沒人願意買尼康的產品,尼康潰敗由此開始,市場份額被阿斯麥大口吃進。

5年後也就是2009年,阿斯麥已經占據70%市場份額,尼康則從行業老大變成小弟。尼康的潰敗,還間接拉低了日本半導體晶片廠商的競爭力,它們基本上都採用尼康的光刻機。阿斯麥的崛起,則直接帶動台積電上升,並達到今天的高度。

「一榮俱榮,一損俱損」,曹雪芹發現的這條豪門興衰規律,同樣適合高度耦合的半導體產業。

倒霉的尼康都沒機會當小角色

在和阿斯麥關於「浸潤式」和「乾式」投影的技術路線爭鬥中,尼康只是打了一場敗仗,而讓它真正一敗塗地的,還是在EUV光刻機的研發中,被美國直接排除在外。

這個時間點需要推移到「浸潤式光刻」方案出現之前。

在上面講到的「浸潤式光刻」方案中,光源採用波長為193nm的氟化氬雷射。隨著摩爾定律的推進,氟化氬雷射的潛能很快被「浸潤式光刻」榨乾,半導體界需要尋找新的光源。

高功率二氧化碳雷射器看起來非常適合,它發射的極紫外光波長為13.5納米,僅為氟化氬雷射193nm的1/14,前途簡直不可限量。

不過,極紫外光也不好伺候:

  • 容易被許多材料吸收,需要在真空環境曝光;
  • 真空環境帶來潔凈度挑戰;
  • 過短波長易產生繞射,進而造成掩膜、晶圓邊緣過度曝光,帶來良品率下降問題;

總之,新的光源帶來一大堆新問題,其實這也是193nm氟化氬雷射源一用就是幾十年的原因。但極紫外光誘人的應用前景,促使摩爾定律的堅定擁護者Intel早在1997年就開始下注,這也是尼康悲劇的開始,阿斯麥走運的起點。

Intel和美國能源部共同發起成立EUV LLC組織,匯聚了美國頂級的研究資源和晶片巨頭,包括勞倫斯利弗莫爾實驗室、勞倫斯伯克利實驗室和桑迪亞國家實驗室等三大國家實驗室,聯合摩托羅拉(當時如日中天)、AMD等企業,投入2.25億美元資金,集中了數百位頂尖科學家,只為一件事:極紫外光刻機到底可不可行?

考慮到美國光刻機公司日漸衰落,為避免阿斯麥(佳能當時已排在其後)和尼康中的一家獨大,英特爾於是邀請阿斯麥和尼康一起加入。

但美國政府不樂意了,擔心最前沿的技術落入外國公司手中,因此反對阿斯麥和尼康加入EUV LLC。從這裡也可以看出,美國和它的盟友並不總是掏心掏肺。

阿斯麥對美國政府許下一大堆承諾後,勉強進入了EUV LLC這個超級朋友圈當一個小角色。尼康則沒有這麼幸運,直接被拒絕,連當小角色的機會都沒有。

美國這一腳

這次事件對兩家公司在光刻機市場的未來發展產生了深遠影響。

尼康等於被排除在極紫外光刻機門外,被美國一腳踢出了光刻機未來競爭的牌局,否則,在後來「浸入式光刻」技術上慢一拍後,它還有可能借極紫外光刻機扳回一局,和阿斯麥繼續相愛相殺。

美國這一腳,無意中幫助阿斯麥清除了一個強勁對手,還使其成為極紫外光刻機市場的絕對壟斷者。阿斯麥雖然是EUV LLC中的小配角,但卻享受到其基礎研究成果,同時在2000年、2013年,分別併購美國光刻機巨頭SVGL(矽谷光刻集團)和美國準分子雷射源企業Cymer,打通了極紫外光刻機的生產產業鏈。美國本來也以國家安全為由百般阻撓阿斯麥收購,但由於阿斯麥有加入EUV LLC的先例,並且答應了一大堆附加條件,收購最終成功落地。

結果就是,在極紫外光刻機領域,阿斯麥是唯一能夠設計和製造的半導體設備廠商,等於壟斷了這個超高端市場。

圖片來源/阿斯麥官網

阿斯麥極紫外(EUV)光刻機每台售價達到1.2億美元,重達180噸,零件超過10萬個,運輸時能裝滿40個貨櫃,安裝調試時間超過一年。明年台積電的5nm工藝製程即可用上極紫外光刻機。

這是阿斯麥的客戶最不願意看到的局面,結果導致了本文開頭所說的官司:一家韓國公司試圖打破阿斯麥壟斷,幫助其競爭對手XTAL。

當然,說阿斯麥僅靠運氣贏得今天的地位並不準確。實際上,阿斯麥有自己的封神必然律。

窮困逼出的開放式創新

日本一橋大學創新研究中心的教授中馬宏之曾深入比較研究過阿斯麥和尼康兩家公司,發現阿斯麥的微影機零件,90%是外包製造,遠遠高於尼康。換句話說,阿斯麥採用的是「無生產工廠模式」,它更多的是設計和組裝。

這恰恰就是阿斯麥努力打造的競爭力所在。光刻機需要最前沿的基礎研究支撐,也是目前最頂級的一種精密機械,屬於資金、技術和智慧財產權高度密集型產品。而阿斯麥成立時「要人沒人,要錢沒錢」的窮困狀況,迫使其走上藉助外部資源發展的開放式路徑,而不是像尼康那樣事事包攬。

阿斯麥通過高度外包這種開放式創新,快速集成各領域最先進的技術(阿斯麥的供應商不止供應零部件,還供應知識),設計和「組裝」出最先進的光刻機,幫助半導體晶片企業跟上摩爾定律的節奏,從而甩開競爭對手,贏得市場。

圖片來源/阿斯麥官網

阿斯麥的開放式創新體現在兩方面:

  • 把供應商(包括大學等學術機構)作為研發夥伴,讓出部分利潤(阿斯麥以很低的價格賣出設備)換取供應商的知識;
  • 重大項目和客戶共同介入,並以股權為紐帶綁定大家的風險和收益,在研發極紫外光微影量產技術與設備時,阿斯麥邀請了Intel、台積電和三星等三家客戶參與,三家分別投入41億美元、14億美元和9.75億美元入股。客戶入股可以保證最先拿到最新設備(在晶片行業,時間比鑽石還貴重),同時可以賣出股票獲取投資受益,對阿斯麥來說,則搶先占領了市場,降低了經營風險。

阿斯麥的開放式創新在IT界其實是一種較為普遍的商業模式,是市場後來者敲碎壟斷門檻的大錘。ARM出道時,CPU基本被Intel壟斷,於是ARM採取出售IP的商業模式,將CPU的集成設計、生產和銷售環節開放,打造出一個ARM架構的超級生態圈;安卓面世前,手機作業系統是諾基亞塞班的天下,於是安卓採用免費開放的商業模式,和蘋果聯手擊潰諾基亞,稱霸手機作業系統市場。

阿斯麥能從日美大戶橫行的光刻市場崛起,除了一點運氣,還有「窮則思變,變則通,通則達」的必然律起作用。

航空發動機一直被譽為人類頂尖工業皇冠上的明珠。但最近十年,不斷挑戰物理學極限的半導體光刻機,大有挑戰明珠之王的趨勢。

航發是在極端高溫高壓下挑戰材料和能量密度的極限,而光刻是在比頭髮絲還細千倍的地方挑戰雷射波長和量子隧穿的極限。

更難得的是,和低可靠性的航天高科技不同,航發和光刻的可靠性也是人類驕傲之花:前者保證了每天十萬架飛機在天空安全翱翔,後者在全球工廠每秒鐘刻出上千億個電晶體分毫不差。

波長的競爭

忽略掉美國被邊緣化的SVG、Ultratech等公司,90年代一直到現在的格局,一直是ASML和尼康的競爭,佳能在旁邊看熱鬧。

所以我們要開始講一點點技術了。

半導體領域的原生驅動力是摩爾定律。摩爾定律其實應該被叫做摩爾預言,這個預言中間還改過一次。戈登摩爾博士1965年最早的預言是集成電路密度每年翻倍,而1975年他自己改成每兩年翻倍。

有人說,這是人類歷史上最偉大的「自我實現的預言」,因為英特爾就是照著這個預言一路狂奔數十年,直到光刻技術被卡在193nm上十多年變成網友說的「牙膏廠」。

為了實現摩爾定律,光刻技術就需要每兩年把曝光關鍵尺寸(CD)降低30%-50%。根據瑞利公式:CD=k1*(λ/NA),我們能做的就是降低波長λ,提高鏡頭的數值孔徑NA,降低綜合因素k1。

搞更短的波長是最直接的手段。90年代前半期,光刻開始使用波長365nm i-line,後半期開始使用248nm的KrF雷射。雷射的可用波長就那麼幾個,00年代光刻開始使用193nm波長的DUV雷射,這就是著名的ArF準分子雷射,包括近視眼手術在內的多種應用都應用這種雷射,相關雷射發生器和光學鏡片等都比較成熟。

但誰也沒想到,光刻光源被卡在193nm無法進步長達20年。直到今天,我們用的所有手機電腦主晶片仍舊是193nm光源光刻出來的。

90年代末,科學家和產業界提出了各種超越193nm的方案,其中包括157nm F2雷射,電子束投射(EPL),離子投射(IPL)、EUV(13.5nm)和X光,並形成了以下幾大陣營:

157nm F2:每家都研究,但SVG和尼康離產品化最近。

157nm光會被現有193nm機器用的鏡片吸收,光刻膠也要重新研製,所以改造難度極大,而對193nm的波長進步只有不到25%,研發投入產出比太低。ASML收購SVG後獲取了反射技術,2003年終於出品了157nm機器,但錯過時間窗口完敗於低成本的浸入式193nm。

13.5nm EUV LLC:英特爾,AMD,摩托羅拉和美國能源部。ASML、英飛凌和Micron後來加入。

關於EUV,我放到後面在說吧。

1nm 接近式X光:日本陣營(ASET, Mitsubishi, NEC, Toshiba, NTT)和 IBM

這算是個浪漫陣營吧,大家就沒想過產業化的事

0.004nm EBDW或EPL: 朗訊Bell實驗室,IBM,尼康。ASML和應用材料被邀請加入後又率先退出。

這是尼康和ASML對決的選擇,尼康試圖直接跨越到未來技術擊敗ASML,但可惜這個決戰應該發生在2020年而不是2005年,尼康沒有選錯技術但是選錯了時間。尼康最重要的技術盟友IBM在2001年也分心加入了EUV聯盟。

0.00005nm IPL: 英飛凌、歐盟。ASML和萊卡等公司也有參與。

離子光刻從波長來看是最浪漫的,然而光刻解析度不光由波長決定,還要看NA。人類現有科技可用離子光刻的光學系統NA是0.00001,比193nm的NA=0.5~1.5剛好差10萬倍,優勢被抵消了。

以上所有努力,幾乎全部失敗了。

它們敗給了一個工程上最簡單的解決辦法,在晶圓光刻膠上方加1mm厚的水。水可以把193nm的光波長折射成134nm。

浸入式光刻成功翻越了157nm大關,直接做到半周期65nm。加上後來不斷改進的高NA鏡頭、多光罩、FinFET、Pitch-split、波段靈敏的光刻膠等技術,浸入式193nm光刻機一直做到今天的7nm(蘋果A12和華為麒麟980)。

2002年台積電的林本堅博士在一次研討會上提出了浸入式193nm的方案,隨後ASML在一年的時間內就開發出樣機,充分證明了該方案的工程友好性。

隨後,台積電也是第一家實現浸入式量產的公司,隨後終於追上之前製程技術遙遙領先的英特爾,林博士因此獲得了崇高的榮譽和各種獎項。

MIT的林肯實驗室似乎不服氣,他們認為自己在2001年就提出了這個浸入式方案。ASML似乎也沒有在任何書面說明自己開發是受林博士啟發。

其實油浸鏡頭改變折射率的方式由來已久,產業界爭論是誰的想法在先從來不重要,行勝於言。林博士的貢獻是台積電和ASML通力合作把想法變成了現實。

日荷爭霸

在ASML推出浸入式193nm產品的前後腳,尼康也宣布自己的157nm產品以及EPL產品樣機完成。然而,浸入式屬於小改進大效果,產品成熟度非常高,所以幾乎沒有人去訂尼康的新品。尼康被迫隨後也宣布去做浸入式光刻機。

之前我們提到光刻領域是贏家通吃,新產品總是需要至少1-3年時間由前後道多家廠商通力磨合。別人比你早量產就比你多了時間去改善問題和提高良率。

光刻機就像印鈔機,材料成本可以忽略不計,而時間就像金子一樣珍貴。

半導體廠商更願意去買成熟的ASML產品,不想去給尼康當白鼠。

這導致後面尼康的大潰敗。尼康在2000年還是老大,但到了2009年ASML已經市占率近7成遙遙領先。尼康新產品的不成熟,也間接關聯了大量使用其設備的日本半導體廠商的集體衰敗。

佳能在光刻領域一直沒爭過老大。當年它的數位相機稱霸世界利潤很好,對一年銷量只有百來台的光刻機重視不夠。

佳能的思路是一款產品要賣很久,他們一看193nm尼康和ASML打得太厲害就直接撤了。直到現在佳能還在賣350nm和248nm的產品,給液晶面板以及模擬器件廠商供貨。

尼康在浸入式一戰敗下來就徹底沒有還手之力了,因為接下來EUV的開發需要投入巨資而且前景未卜,英特爾倒向ASML使得尼康失去了挑戰摩爾定律的勇氣。

EUV光刻機

接下來,我們再說說EUV。這個產品其實是ASML在沒有競爭對手的情況下研發的,而且做了十多年到今天也沒有量產。

那它背後的驅動力是什麼呢?我看了一些文獻,英特爾絕對是最堅定的支持者,因為它的使命之一就是讓摩爾定律走下去。

早在1997年,英特爾看到挑戰193nm的巨大難度,決心集合人類精英一起愚公移山,有點流浪地球的意思。他們說服了美國對高科技最開明的柯林頓內閣,以公司形式發起了EUV LLC這樣的一個合作組織。

這個組織由英特爾和美國能源部牽頭,集合了當時還如日中天的摩托羅拉以及AMD,以及享有盛譽的美國三大國家實驗室:勞倫斯利弗莫爾實驗室,勞倫斯伯克利實驗室和桑迪亞國家實驗室,投資兩億美元集合幾百位頂級科學家,從理論上驗證EUV可能存在的技術問題。

英特爾還力邀ASML和尼康加入EUV LLC,因為當時美國光刻已經不太行了。但此舉受到美國政府的阻撓,因為他們捨不得讓外國公司分享美國最前沿技術。

最終結果是尼康被排除在外,ASML做了一堆對美國貢獻的許諾後被允許加入。另外一家例外的非美國公司是英飛凌,它被允許和Micron一起加入EUV LLC。

我們回看當年各種跨越193nm的技術方案,很多公司是左右下注的,只有英特爾堅定地選了EUV,而且讓它最終成為了現實。

看當年的一些回憶錄,說英特爾自己並未派出多少工程師,但是列了幾百項難題一直拿著小鞭子督促那些科學家不停地努力。

EUV算是軟X光,穿透物體時散射吸收都非常厲害,這使得光刻機需要非常非常強的光源,這個難度是巨大的。連空氣都能吸收EUV,所以機器內部還得做成真空的。

傳統光刻用的很多透鏡因為會吸收X光要換成反射鏡,據說193nm的最新光刻機里鏡頭加起來就有一噸重,而這些技術都用不上了。

由於光刻精度是幾納米,EUV對光的集中度要求極高,相當於拿個手電照到月球光斑不超過一枚硬幣。反射要求的鏡子要求長30cm起伏不到0.3nm,這相當於是北京到上海做根鐵軌起伏不超過1毫米。

所以,EUV不僅是頂級科學的研究,也是頂級精密製造的學問。

EUV的小鏡子由德國蔡司生產,ASML還因此特地購買了Carl Zeiss SMT公司24.5%的股份。

1997年-2003年,6年間EUV LLC的科學家發表了幾百篇論文,驗證了EUV光刻機的可行性。然後EUV LLC聯盟解散。

接下來留給ASML一個問題,是做還是不做呢?

好在ASML從來沒有猶豫過。2006年它推出原型,2007年建造了10000平米的超級無塵室,等著接待2010年誕生的第一台研發用樣機:NXE3100。

2012年,ASML請英特爾、三星和台積電入股自己,希望大家共同承擔這個人類的偉大工程,因為研發投入需要每年10億歐元。

2015年,可量產的樣機發布。雖然售價高達1.2億美元一台,但還是收到雪片一樣的訂單。排隊等交貨,都要等好幾年。

一台EUV光刻機重達180噸,超過10萬個零件,需要40個貨櫃運輸,安裝調試都要超過一年時間。

明年,我們就能買到EUV加工出來的晶片做的手機了。

EUV光刻機 Credit: ASML

附錄:

相信在未來,人類一定可以突破光學光刻機的極限,無論用電子離子還是最終放棄矽基。但是,就在剛寫完文章的現在,我只想衷心為這些偉大的公司喝彩。

需要強調的是,在半導體製造中,光刻只是其中的一個環節,另外還有無數先進科技用於前後道工藝。

正是因為他們不屈不撓的努力,才使得我們在這個一切由晶片驅動的偉大時代,享受著各種手機、電腦、家電、汽車飛機和網際網路帶給我們的精彩生活。

1、光刻機原理

光刻的原理是在矽片表面覆蓋一層具有高度光敏感性光刻膠,再用光線(一般是紫外光、深紫外光、極紫外光)透過掩模照射在矽片表面,被光線照射到的光刻膠會發生反應。此後用特定溶劑洗去被照射/未被照射的光刻膠, 就實現了電路圖從掩模到矽片的轉移。在光刻機內部結構中,雷射器作為光源發射光線,物鏡系統補償各種光學誤差,是光刻機的核心設備,也是光刻機造價昂貴的重要原因,光刻機物鏡系統一般由 15~20 個直徑為 200~300mm 的透鏡組成。

光刻機工作原理圖。資料來源:電子發燒友網

2、光刻機的發展

光刻機的最小解析度由公示 R=kλ/NA,其中 R 代表可分辨的最小尺寸,對於光刻技術來說,R越小越好;k是工藝常數;λ是光刻機所用光源的波長;NA代表物鏡數值孔徑,與光傳播介質的折射率相關,折射率越大,NA越大。

根據所使用光源的改變,光刻機光源波長的降低,光刻機經歷了 5 代產品的發展,每次光源的改進都顯著提升了光刻機所能實現的最小工藝節點。此外各類工藝創新如雙工作檯、浸沒式光刻等技術也在不斷提升光刻機的工藝製程水平及工作效率和良率。

第四代ArF光刻機進行了大量工藝創新,其中,2007年ASML成功推出第一台浸沒式光刻機TWINSCAN XT:1900i,該設備採用折射率達到1.44的去離子水做為媒介,所以ArF加浸入技術實際等效的波長為193nm/1.44=134nm,在液體中鏡頭的NA參數也有了較大的突破,從而實現了45nm的製程工藝。F2準分子雷射之所以沒有得以發展的一個重大原因是,157nm波長的光線不能穿透純凈水,無法和浸入技術結合。所以,準分子雷射光源只發展到了ArF。而當時的另兩大光刻巨頭尼康、佳能主推的157nm光源乾式光刻機被市場拋棄,不僅損失了巨大的人力物力,也在產品線上顯著落後於ASML,這也是尼康、佳能由盛轉衰,ASML一家獨大的重要轉折點。

第五代EUV光刻機主要採用的辦法是將準分子雷射照射在錫等靶材上,激發出13.5nm的光子,作為光刻機光源。極紫外光刻光學技術代表了當前應用光學發展最高水平,一是所需的光源功率遲遲無法達到250瓦的工作功率需求,二是光學透鏡、反射鏡系統對於光學精度的要求極高,生產難度極大。2012年ASML黨的三大客戶三星、台積電、英特爾共同向ASML投資52.59億歐元,用於支持EUV光刻機的研發。此後ASML收購了全球領先的準分子雷射器供應商Cymer,並以10億歐元現金入股光學系統供應商卡爾蔡司,加速EUV光源和光學系統的研發進程。EUV光刻機的量產也意味著ASML稱霸光刻機行業。

(1)第四代ArF光刻機的工藝創新

第四代ArF光刻機:是最具代表性的光刻機產品,也是目前使用仍然最廣的光刻機。由於比ArF波長更低的光源在實現光刻的過程中,光源波長越低越容易被各類材料吸收,在上世紀九十年代,極紫外光刻機的概念就已經被提出,但實際需克服材料、功率等問題,商業化極紫外線光刻機極其困難。因此在第四代光刻機上進行了大量的工藝創新,來滿足更小製程和更高效率的生產需要。

創新一:實現步進式掃描投影。此前的掃描投影式光刻機在光刻時矽片處於靜止狀態,通過掩模的移動實現矽片不同區域的曝光。1986年ASML首先推出步進式掃描投影光刻機,實現了光刻過程中,掩模和矽片的同步移動,並且採用了縮小投影鏡頭,縮小比例達到5:1,有效提升了掩模的使用效率和曝光精度,將晶片的製程和生產效率提升了一個台階。

創新二:雙工作檯光刻機。矽片在進入光刻流程前要先進行測量和對準,過去光刻機只有一個工作檯,測量、對準、光刻等所有流程都在這一個工作檯上完成。2001 年 ASML 推出了雙工作檯系統(TWINSCAN system),雙工作檯系統使得光刻機能夠在不改變初始速度和加速度的條件下,當一個工作檯在進行曝光工作的同時,另外一個工作檯可以同時進行曝光之前的預對準工作,使得光刻機的生產效率提升大約35%。

雖然從結果上來看,僅僅是增加了一個工作檯,但其中的技術難度卻不容小覷,雙工作檯系統對於換台的速度和精度有極高的要求,如果換台速度慢,則影響光刻機工作效率;如果換台精度不夠,則可能影響後續掃描光刻等步驟的正常開展。

創新三:浸沒式光刻系統。到了 45nm 製程節點時,ArF光刻機也遇到了解析度不足的問題,此時業內對下一代光刻機的發展提出了兩種路線圖。一是開發波長更低的157nmF2準分子雷射做為光源,二是由2002年台積電林本堅提出的浸沒式光刻。此前的光刻機都是乾式機台,曝光顯影都是在無塵室中,以空氣為媒介進行。如果用折射率大於1的水做為媒介進行光刻,將等效的光源波長縮小到了134nm。不僅如此,在液體中鏡頭的NA參數也有了較大的突破。根據ASML產品數據信息,採用浸入技術之後,NA值由0.50–0.93發展到了0.85–1.35,從而進一步提高了解析度。林本堅提出浸沒式光刻設想後,ASML開始與台積電合作開發浸沒式光刻機,並在2007年成功推出第一台浸沒式光刻機TWINSCAN XT:1900i,該設備採用折射率達到1.44的去離子水做為媒介,實現了45nm的製程工藝,並一舉壟斷市場。

(2)第五代EUV光刻機的技術難點

1-4代光刻機使用的光源都屬於深紫外光,第五代EUV光刻機使用的則是波長13.5nm的極紫外光。早在上世紀九十年代,極紫外光刻機的概念就已經被提出,但直到2010年ASML才研發出第一台 EUV 原型機,2017年才實現量產,比預計時間晚了十幾年。

技術難點:

第一,真空環境約束。光蝕刻系統製造的精細程度取決於很多因素。但是實現跨越性進步的有效方法是降低使用光源的波長。幾十年來,光刻機廠商的做法都是將晶圓曝光工具從人眼可見的藍光端開始逐漸減小波長,直到光譜上的紫外線端(UV)。ASML最終選擇的 13.5nm 波長射線,可以輕易地被很多材料吸收,所以EUV光刻機只能在真空下運行。

第二,彎曲射線。由於EUV能被玻璃吸收,所以必須在機器中改變其走向,如此一來則必須用反射鏡來代替透鏡,而且必須使用布拉格反射器(一種多層鏡面,可以將很多小的反射集中成一個單一而強大的反射)。

第三,強大光源。一個 EUV 光束在經過長途跋涉後,只有不到 2% 的光線能保留下來。為了減少成本,射線光源必須足夠強,這個強度需要達到中心焦點功率達到250W。這種強度的光可以使機器每小時處理約125個晶片,其批量處理的效率僅有現今使用的高級193nm技術的一半。目前全球最領先的技術也不過是能夠在實驗室中實現200W功率(ASML2017 年上半年實現)。

第四,獨特光刻膠。現有的光刻膠是化學放大光刻膠,由分子鏈聚合而成,可以增強入射光子的效果。但這些材料對 EUV 的吸收效果並不好。此外,由於入射光引起的放大反應在材料內部散射,光刻膠形成的圖像會有輕微模糊。

第五,保護掩模板。在193nm液浸式光刻機中,掩模版由一層被薄膜(即護膜)保護著,這層薄膜距離掩模版有一點懸空的距離,像保鮮膜一樣緊繃在上方,其作用在於當灰塵落在護膜上時影響聚焦而不能在晶圓上形成圖案,因此不會損壞整個晶圓。但193nm的護膜不適用於13.5nm的光,EUV會損壞護膜,若不使用護膜則很可能是最終良率為0。所以解決這個難題的關鍵在於研究製造出能夠抵抗EUV破壞的護膜。

背景

光刻機是半導體產業中最關鍵設備,也被譽為半導體產業皇冠上的明珠。集成電路里的電晶體是通過光刻工藝在晶圓上做出來的,光刻工藝決定了半導體線路的線寬,同時也決定了晶片的性能和功耗。

工欲善其事,必先利其器,要想半導體產業突破技術封鎖,要想開發先進的半導體製程,就必需要有先進的光刻機。

近期,關於光刻機,中芯國際、長江存儲、華虹先後傳來好消息。

中芯國際(SMIC)訂購的是最新型的使用EUV(極紫外線)技術的晶片製造機器光刻機,價值1.2億歐元,與其去年凈利潤1.264億美元大致相當。長江存儲裝入193nm浸潤式光刻機,售價7200萬美元(約合人民幣4.6億元),可用於14-20nm工藝。華虹集團旗下上海華力集成電路製造有限公司裝入193nm雙級沉浸式光刻機,用於10nm級(14~20nm)晶圓生產。

儘管它們裝入或訂購的光刻機型號不同,但它們來自同一個荷蘭公司——ASML。

還有一個共同點不難發現,就是光刻機單價是極高的。由於光刻機涉及系統集成、精密光學、精密運動、精密物料傳輸、高精度微環境控制等多項先進技術,是所有半導體製造設備中技術含量最高的設備,因此也具備極高的單台價值量。

● 光源:

光源是光刻機核心之一,光刻機的工藝能力首先取決於其光源的波長。下表是各類光刻機光源的具體參數:

最早光刻機的光源是採用汞燈產生的紫外光源(UV: Ultraviolet Light),從g-line一直發展到i-line,波長縮小到365nm,實際對應的解析度大約在200nm以上。

隨後,業界採用了準分子雷射的深紫外光源(DUV: Deep Ultraviolet Light)。將波長進一步縮小到ArF的193nm。不過原本接下來打算採用的157nm的F2準分子雷射上遇到了一系列技術障礙以後,ArF加浸入技術(Immersion Technology)成為了主流。

所謂浸入技術,就是讓鏡頭和矽片之間的空間浸泡於液體之中。由於液體的折射率大於1,使得雷射的實際波長會大幅度縮小。目前主流採用的純凈水的折射率為1.44,所以ArF加浸入技術實際等效的波長為193nm/1.44=134nm。從而實現更高的解析度。F2準分子雷射之所以沒有得以發展的一個重大原因是,157nm波長的光線不能穿透純凈水,無法和浸入技術結合。所以,準分子雷射光源只發展到了ArF。

這之後,業界開始採用極紫外光源(EUV: Extreme Ultraviolet Light)來進一步提供更短波長的光源。目前主要採用的辦法是將準分子雷射照射在錫等靶材上,激發出13.5nm的光子,作為光刻機光源。目前,各大Foundry廠在7nm以下的最高端工藝上都會採用EUV光刻機,其中三星在7nm節點上就已經採用了。而目前只有荷蘭ASML一家能夠提供可供量產用的EUV光刻機。

● 解析度:

光刻機的解析度(Resolution)表示光刻機能清晰投影最小圖像的能力,是光刻機最重要的技術指標之一,決定了光刻機能夠被應用於的工藝節點水平。但必須注意的是,雖然解析度和光源波長有著密切關係,但兩者並非是完全對應。具體而言二者關係公式是:

公式中R代表解析度;λ代表光源波長;k1是工藝相關參數,一般多在0.25到0.4之間;NA(Numerical Aperture)被稱作數值孔徑,是光學鏡頭的一個重要指標,一般光刻機設備都會明確標註該指標的數值。

所以我們在研究和了解光刻機性能的時候,一定要確認該值。在光源波長不變的情況下,NA的大小直接決定和光刻機的實際解析度,也等於決定了光刻機能夠達到的最高的工藝節點。

關於這個參數的具體含義和詳細解釋,有興趣的朋友可以參考維基百科:https://en.wikipedia.org/wiki/Numerical_aperture

● 套刻精度:

套刻精度(Overlay Accuracy)的基本含義時指前後兩道光刻工序之間彼此圖形的對準精度(3σ),如果對準的偏差過大,就會直接影響產品的良率。對於高階的光刻機,一般設備供應商就套刻精度會提供兩個數值,一種是單機自身的兩次套刻誤差,另一種是兩台設備(不同設備)間的套刻誤差。

套刻精度其實是光刻機的另一個非常重要的技術指標,不過有時非專業人士在研究學習光刻機性能時會容易忽略。我們在後面的各大供應商產品詳細列表里,特意加上了這個指標。

● 工藝節點:

工藝節點(nodes)是反映集成電路技術工藝水平最直接的參數。目前主流的節點為0.35um、0.25um、0.18um、90nm、65nm、40nm、28nm、20nm、16/14nm、10nm、7nm等。傳統上(在28nm節點以前),節點的數值一般指MOS管柵極的最小長度(gate length),也有用第二層金屬層(M2)走線的最小間距(pitch)作為節點指標的。

節點的尺寸數值基本上和電晶體的長寬成正比關係,每一個節點基本上是前一個節點的0.7倍。這樣以來,由於0.7X0.7=0.49,所以每一代工藝節點上電晶體的面積都比上一代小大約一半,也就是說單位面積上的電晶體數量翻了一番。這也是著名的摩爾定律(Moore's Law)的基礎所在。一般而言,大約18~24個月,工藝節點就會發展一代。

但是到了28nm之後的工藝,節點的數值變得有些混亂。一些Foundry廠可能是出於商業宣傳的考量,故意用一些圖形的特徵尺寸(Feature Size)來表示工藝節點,他們往往用最緻密周期圖形的半間距長度來作為工藝節點的數值。這樣一來,雖然工藝節點的發展依然是按照0.7倍的規律前進,但實際上電晶體的面積以及電性能的提升則遠遠落後於節點數值變化。更為麻煩的是,不同Foundry的工藝節點換算方法不一,這便導致了很多理解上的混亂。根據英特爾的數據,他們20nm工藝的實際性能就已經相當於三星的14nm和台積電的16nm工藝了。

上圖為英特爾公布的10nm節點詳細工藝參數對比。由圖可以明顯看到,同樣10nm工藝節點上,英特爾的電晶體密度大約是三星和台積電的兩倍。(圖片來源:與非網:遲來的英特爾10nm工藝,憑啥說比台積電/三星強?)

以上內容簡單介紹了集成電路工藝節點的相關知識,有興趣的讀者可以參考Semiconductor Engineering上的文章Nodes Vs. Nodelets來了解更多關於工藝節點的知識(文章連結:https://semiengineering.com/nodes-vs-node-lets/)。 不過本文著重要討論光刻機對於工藝節點發展的影響和貢獻。

在65nm工藝及以前,工藝節點的數值幾乎和光刻機的最高解析度是一致的。由於鏡頭NA的指標沒有太大的變化,所以工藝節點的水平主要由光源的波長所決定。ArF 193nm的波長可以實現的最高工藝節點就是65nm。

而到了65nm以後,由於光源波長難於進一步突破,業界採用了浸入式技術,將等效的光源波長縮小到了134nm。不僅如此,在液體中鏡頭的NA參數也有了較大的突破。根據ASML產品數據信息,採用浸入技術之後,NA值由0.50–0.93發展到了0.85–1.35,從而進一步提高了解析度。同時,在相移掩模(Phase-Shift Mask)和OPC(Optical Proximity Correction)等技術的協同助力之下,在光刻設備的光源不變的條件下,業界將工藝節點一直推進到了28nm。

而到了28nm以後,由於單次曝光的圖形間距已經無法進一步提升,所以業界開始廣泛採用Multiple Patterning的技術來提高圖形密度,也就是利用多次曝光和刻蝕的辦法來產生更緻密圖形。

Multiple Patterning的技術路徑很多,本文不做展開介紹,有興趣的讀者可以參考維基百科:https://en.wikipedia.org/wiki/Multiple_patterning

值得特別注意的是,Multiple Patterning技術的引入導致了掩模(Mask)和生產工序的增加,直接導致了成本的劇烈上升,同時給良率管理也帶來一定的麻煩。同時由於前述的原因,節點的提升並沒有帶來晶片性能成比例的增加,所以目前只有那些對晶片性能和功耗有著極端要求的產品才會採用這些高階工藝節點技術。於是,28nm便成為了工藝節點的一個重要的分水嶺,它和下一代工藝之間在性價比上有著巨大的差別。大量不需要特別高性能,而對成本敏感的產品(比如IOT領域的晶片)會長期對28nm工藝有著需求。所以28nm節點會成為一個所謂的長節點,在未來比較長的一段時間裡都會被廣泛應用,其淘汰的時間也會遠遠慢於其它工藝節點。

根據業界的實際情況,英特爾和台積電一直到7nm工藝節點都依然使用浸入式ArF的光刻設備。但是對於下一代的工藝,則必須採用EUV光源的設備了。目前全球只有ASML一家能夠提供波長為13.5nm的EUV光刻設備。毫無疑問,未來5nm和3nm的工藝,必然是EUV一家的天下。事實上,三星在7nm節點上便已經採用了EUV光刻設備,而中芯國際最近也訂購了一台EUV用於7nm工藝的研發。

為方便讀者理解,上圖是我們整理的各個工藝節點和工藝及光刻機光源類型的關係圖。

光刻設備及供應商概覽

了解了光刻設備的基本知識,接下來我們便可以具體了解目前全球幾家主要供應商的光刻機的情況了。

目前市場上主要的光刻機供應商有荷蘭的ASML、日本的NIKON和CANON,以及中國大陸的上海微電子裝備(SMEE)。

上圖是從幾家供應商的網站上收集到的目前在售的所有光刻機的列表及相關參數。需要注意的是,目前光刻設備按照曝光方式分為Stepper和Scanner兩種。

Stepper是傳統地一次性將整個區域進行曝光;而Scanner是鏡頭沿Y方向的一個細長空間曝光,矽片和掩模同時沿X方向移動經過曝光區動態完成整個區域的曝光。和Stepper相比,Scanner不僅圖像畸變小、一致性高,而且曝光速度也更快。所以目前主流光刻機都是Scanner,只有部分老式設備依舊是Stepper。上表中如果沒有特別註明,都是屬於Scanner類型。

國外光刻機發展

● 荷蘭ASML:強大的研發能力換來業界話語權

ASML (全稱: Advanced Semiconductor Material Lithography,ASML Holding N.V),中文名稱為阿斯麥(中國大陸)、艾司摩爾(台灣),是總部設在荷蘭Veldhoven的全球最大的半導體設備製造商之一,向全球複雜集成電路生產企業提供領先的綜合性關鍵設備。ASML的股票分別在阿姆斯特丹及紐約上市。另外,ASML的大股東是英特爾,三星和台積電(TSMC)。

由於ASML是業界公認的領頭羊,我們便以它為對象進行研究。由上表可知,ASML的產品一共有四個系列,非嚴格地,我們正好可以將其按照技術水平分為四個檔次。

從其它三家的產品列表中可以看到,目前其它幾家都沒有正式發布的EUV級別產品能夠和ASML一較高下,只有Nikon NRS系列有ArF浸入式光刻機,參數指標上勉強可以達到ASML高端產品的水準。但是從業界的反饋來看,Nikon高端系列實際性能相比ASML同檔次設備仍有不小差距,尤其是在套刻精度上遠遠達不到官方宣稱水準,以至於Nikon光刻設備在售價不到ASML同類產品一半的前提下,依舊銷售不佳。

ASML一直以來保持了高研發投入(甚至讓自己的客戶掏錢),因此其專利申請量也長期保持高位。第一波高速上漲來自2000至2004年,這一時期Intel、AMD、VIA及IBM等企業設計的半導體晶片性能快速提升,為了克制晶片在高頻率運行時產生的高溫,他們對半導體製程提出了越來越高的要求,這間接導致了光刻機技術的不斷提升。不過由於光物理性質的影響,在光刻機發展到193nm後,研發陷入了困局。幾大晶片巨頭合力將193nm沉浸式光刻技術延伸至15nm令光刻機企業研發及專利申請下滑。但是沉浸式光刻終於在7nm之後難以再次發展,EUV成為了解決這一問題的關鍵,近些年裡ASML相關技術專利申請再次進入增長階段。

作為一家荷蘭的企業,ASML的專利地理布局上卻值得我們思考。其在全球各地專利申請量的排名,依次是美國、日本、台灣、韓國以及中國。這個順序的有意思之處在於ASML的專利地理布局是根據客戶及競爭對手兩個因素進行布局。美國既有ASML的幾大客戶,如Intel和德州儀器,又有ABM、Applied Materials、Lam Research、及Rudolph Technologies等競爭對手,自然是重中之重。

上圖顯示了ASML公司近3年的研發方向和關注技術的時間變化趨勢。通過了解過去3年內重點技術的專利戰略,我們藉此來分析ASML公司近來關注重點的變化。如H01L半導體器件的方面ASML的申請量下滑,可能意味著其已經完成了EUV光刻機半導體器件的設計;而G02B 光學元件及H05G X射線技術兩個IPC分類下專利申請量的增加,也行意味著ASML還在改善光刻技術中光學組件的性能以及X射線的強度。

正如ASML讓Intel、三星和台積電投資自己,共同承擔EUV的研發成本,ASML也投資了在光刻中起到關鍵作用的光學設備企業Carl Zeiss。

Carl Zeiss是ASML最重要的長期策略合作夥伴,長期以來為ASML的光刻設備提供最關火鍵且高效能的光學系統。在下文的EUV相關專利申請排名上,Carl Zeiss更是占據了頭把交椅,這也說明了其在EUV相關光學設備上無可替代的地位。為了獲得優先供貨和在2020年代初期就能夠讓晶片製造行業使用搭載全新光學系統的新一代EUV光刻設備,ASML 和Carl Zeiss決定進一步強化合作關係。

● 日本Nikon和Canon:退出高端光刻機角逐台

Canon早已在很多年前便放棄了在高端光刻機上的競爭,目前產品主要集中在面板等領域。目前他們還在銷售的集成電路光刻設備在指標標上只相當於ASML的低端產品PAS5500系列。

Nikon作為世界上僅有的三家能夠製造商用光刻機的公司之一,似乎在這個領域不被許多普通人知道,許多人只知道Nikon的相機做的好,卻不知道Nikon光刻機同樣享譽全球。

Nikon (7731.JP)成立於1917年,是總部設在日本東京,主要分四個事業領域,分別精密設備公司、映像公司、儀器公司及其他(包括CMP裝置事業、測量機事業、望遠鏡事業等)。

荷蘭ASML一步步占據市場統治地位,Nikon光刻機唯一剩下的優勢就是同類機型價格不到ASML的一半。但給予Nikon致命一擊的還是英特爾,在新製程中停止採購Nikon的光刻機,據悉,所有主流半導體產線中只有少數低階老機齡的光刻機還是Nikon或者Canon的。畢竟現在英特爾,三星和台積電都成為ASML的股東了。

在EUV技術領域內,ASML已經與其他競爭者之間拉開了差距。雖然其並未排名第一,但是排名第一的卡爾蔡司(Carl Zeiss)屬於光學儀器企業,蔡司為ASML等光刻機企業提供光學組建。而ASML較其直接競爭對手NIKON(尼康)和CANON(佳能)在EUV專利數量上有很大的優勢,甚至比NC兩家之和還要多。

日本一橋大學創新研究中心教授中馬宏之,曾對日本微影雙雄尼康與佳能的敗因深入檢討。他在研究論文指出,ASML微影機台有90%以上零件向外採購,這一比例遠高於競爭對手Nikon和Canon,「這種獨特的採購策略,是ASML成為市場領導者的關鍵。」

中馬宏之認為,高度外包的策略,讓ASML可以快速取得各領域最先進的技術,讓自己專注在客戶的需求,以及系統整合等兩大關鍵重點。

國產光刻機主要廠商

● 上海微電子裝備(SMEE)

作為國內光刻設備的龍頭企業,由於起步較晚且技術積累薄弱,目前最先進的光刻設備也只能提供最高90mn的工藝技術。單從指標上看,基本也和ASML的低端產品PAS5500系列屬於同一檔次。

△ SMEE專利申請趨勢圖(來源:智慧芽專利資料庫)

● 合肥芯碩半導體有限公司

合肥芯碩半導體有限公司成立與2006年4月,是國內首家半導體直寫光刻設備製造商。該公司自主研發的ATD4000,已經實現最高200nm的量產。

△ 合肥芯碩重點專利技術(來源:智慧芽專利資料庫)

● 無錫影速半導體科技有限公司

無錫影速成立與2015年1月,影速公司是由中科院微電子研究所聯合業內資深技術團隊、產業基金共同發起成立的專業微電子裝備高科技企業。影速公司已成功研製用於半導體領域的雷射直寫/製版光刻設備、國際首台雙台面高速雷射直接成像連線設備(LDI),已經實現最高200nm的量產。

△ 無錫影速專利主要發明人(來源:智慧芽專利資料庫)

國內外光刻機發展差距

5月24日「極大規模集成電路製造裝備與成套工藝」專項(02專項)項目「極紫外光刻膠材料與實驗室檢測技術研究」完成了EUV光刻膠關鍵材料的設計、製備和合成工藝研究、配方組成和光刻膠製備、實驗室光刻膠性能的初步評價裝備的研發,達到了任務書中規定的材料和裝備的考核指標。項目共申請發明專利15項(包括國際專利5項),截止到目前,共獲得授權專利10項(包括國際專利授權3項)。

近日,中國科學院大學微電子學院與中芯國際集成電路製造有限公司在產學研合作中也取得新進展,成功在光刻工藝模塊中建立了極坐標系下規避顯影缺陷的物理模型。通過該模型可有效減小浸沒式光刻中的顯影缺陷,幫助縮短顯影研發周期,節省研發成本,為確定不同條件下最優工藝參數提供建議。該成果已在國際光刻領域期刊Journal of Micro-Nanolithography MEMS and MOEMS發表。

中國目前有90納米,用90納米的升級到65納米不難。但是45納米就是一個技術台階了。45納米的研發比90納米和65納米難很多。如果解決了45納米那個可以升級到32納米不難。但是下一步升級到22納米,不能直接45納米升級到22納米了。22納米用到了很多新的技術。

中國16個重大專項中的02專項提出光刻機到2020年研發出22納米。2015年出45納米的並且65納米的產業化。45納米是目前主流的光刻機工藝,包括32納米的還有28納米基本都是在45納米的侵入深紫外光刻機上面改進升級來的。所以中國掌握45納米的很重要。45納米光刻機是一個很重要的台階,達到這個水平後,在45納米光刻機上面進行物鏡和偏振光升級可以達到32納米。

另外,用於光刻機的固態深紫外光源也在研發,我國的光刻機研發是並行研發的,22納米光刻機用到的技術也在研發,用在45納米的升級上面。還有電子束直寫光刻機,納米壓印設備,極紫外光刻機技術也在研發。對光刻膠升級,對摺射液升級,並且利用套刻方法可以達到22納米到14納米甚至10納米的水平。相應的升級的用的光刻膠,第3代折射液等也在相應的研發中。

所以,目前單純從技術層面上看,全球光刻設備的格局是:ASML一家獨占鰲頭,成為唯一的一線供應商;Nikon憑藉多年技術積累,勉強保住二線供應商地位;而Canon只能屈居三線;SMEE作為後起之秀,暫時勉強也擠入三線的檔次,但由於光刻設備對技術積累和供應鏈要求極高,未來要想打入二線則非常艱難,短期內難有實質性突破。目前看來,如果沒有特別原因,這一格局在未來的很長時間裡都不會有任何太大變化。

上表為微信公眾號芯思想通過三家上市公司財報統計的2017年度光刻機銷售數量(數據來源:https://mp.weixin.qq.com/s/av2ra1Y8kx4Ptoe0aEr1Lw)。由數據可知,幾家在市場份額的格局上幾乎和技術格局一致,唯一的一些區別是Canon在面板領域擁有較大市場份額,使得它在低端光刻設備上有相對較大的銷售量和份額。

小結

中國目前的光刻機技術還在起步探索階段,雖然取得了一些小成就,但離國外先進技術差距還很大,希望通過目前科研人員的努力,能真正用上性能強,穩定性高的高端國產晶片。

特別是在極紫外光刻光學技術方面,極紫外光刻光學技術代表了當前應用光學發展最高水平,作為前瞻性EUV光刻關鍵技術研究,項目指標要求高,技術難度大、瓶頸多,創新性高,同時國外技術封鎖嚴重。

去年「極大規模集成電路製造裝備及成套工藝」國家科技重大專項「極紫外光刻關鍵技術研究」項目順利通過驗收。項目研究團隊歷經八年的艱苦奮戰,突破了制約我國極紫外光刻發展的超高精度非球面加工與檢測、極紫外多層膜、投影物鏡系統集成測試等核心單元技術,成功研製了波像差優於0.75 nm RMS 的兩鏡EUV 光刻物鏡系統,構建了EUV 光刻曝光裝置,國內首次獲得EUV 投影光刻32 nm 線寬的光刻膠曝光圖形。

評審專家組認為該項目的順利實施將我國極紫外光刻技術研發向前推進了重要一步。但這僅僅是實現光刻機國產化萬里長征的一部分,距離打破ASML的技術壟斷還有很長的路要走。中國想要趕上,絕不是一朝一夕的事,需要各類基礎領域紮實的人才,這也是最難的。


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