近日，荷蘭的光刻機(jī)制造商阿斯麥（ASML）發(fā)布2020年度財(cái)報(bào)，全年凈銷(xiāo)售額達(dá)到140億歐元，毛利率達(dá)到48.6%。ASML同時(shí)宣布實(shí)現(xiàn)第100套極紫外光刻（EUV）系統(tǒng)的出貨，至2020年年底已有2600萬(wàn)片晶圓采用EUV系統(tǒng)進(jìn)行光刻。

　　隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，光刻的精度不斷提高，2021年先進(jìn)工藝將進(jìn)入5nm/3nm節(jié)點(diǎn)，極紫外光刻成為必修課，EUV也成為半導(dǎo)體龍頭廠(chǎng)商競(jìng)相爭(zhēng)奪采購(gòu)的焦點(diǎn)。

　　未來(lái)，極紫外光刻技術(shù)將如何發(fā)展？產(chǎn)業(yè)格局如何演變？我國(guó)發(fā)展半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)應(yīng)如何解決光刻技術(shù)的難題？

　　01

　　半導(dǎo)體大廠(chǎng)：競(jìng)相購(gòu)買(mǎi)EUV

　　在摩爾定律不斷挑戰(zhàn)物理極限的當(dāng)下，半導(dǎo)體先進(jìn)工藝領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)形勢(shì)，用“得EUV者得先進(jìn)工藝”來(lái)形容并不為過(guò)。臺(tái)積電、三星電子等廠(chǎng)商均加速了導(dǎo)入EUV的進(jìn)程。也是這個(gè)原因，EUV正在成為半導(dǎo)體巨頭在先進(jìn)工藝領(lǐng)域爭(zhēng)奪優(yōu)勢(shì)地位的焦點(diǎn)。

　　2020年以來(lái)，三星電子與ASML高層互訪(fǎng)消息頻出。2020年10月，三星電子副會(huì)長(zhǎng)李在镕訪(fǎng)問(wèn)ASML，與ASML CEO Peter Wennink、CTO Martin van den Brink進(jìn)行會(huì)談。2020年年底又傳出Peter Wennink回訪(fǎng)三星電子的消息。

　　有業(yè)界人士指出，這樣頻繁的互訪(fǎng)，核心當(dāng)然在于EUV設(shè)備。三星電子希望ASML提供更多的EUV設(shè)備，同時(shí)希望ASML協(xié)助三星電子更加順利地使用已經(jīng)購(gòu)買(mǎi)的EUV。

　　據(jù)了解，ASML 2021年EUV產(chǎn)能約為45～50臺(tái)。而臺(tái)積電就搶下當(dāng)中的30臺(tái)，剩下的才由三星、英特爾及SK海力士等競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手瓜分。如此一來(lái)，三星電子勢(shì)必在2021年EUV設(shè)備數(shù)量上輸給臺(tái)積電。三星電子此前提出“半導(dǎo)體愿景2030計(jì)劃”，計(jì)劃于2030年在晶圓代工領(lǐng)域趕超臺(tái)積電。這是三星高層親自出訪(fǎng)ASML的主要原因。

　　事實(shí)上，半導(dǎo)體邏輯制程技術(shù)進(jìn)入到7納米以下后，由于線(xiàn)寬過(guò)細(xì)，需要使用EUV作為曝光媒介。全球當(dāng)前有能力并且有意愿進(jìn)入7納米世代的晶圓廠(chǎng)僅剩臺(tái)積電、三星和英特爾，加之EUV設(shè)備供給有限，ASML便成為三大半導(dǎo)體巨頭爭(zhēng)相拉攏的重要對(duì)象。

　　02

　　5nm/3nm：極紫外光刻成為必修課

　　隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，光刻的精度不斷提高，已由微米級(jí)、亞微米級(jí)、深亞微米級(jí)，細(xì)化到當(dāng)前的納米級(jí)，曝光光源的波長(zhǎng)也由436納米（G線(xiàn)）、365納米（Ⅰ線(xiàn)），發(fā)展到248納米（KrF）、193納米（ArF），再到13.5納米（EUV）。

　　EUV是線(xiàn)寬突破10納米，甚至之后的7納米、5納米、3納米工藝的關(guān)鍵。

　　華創(chuàng)證券調(diào)研報(bào)告顯示，半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)在于將電路圖從掩膜上轉(zhuǎn)移至硅片上，這一過(guò)程需要通過(guò)光刻來(lái)實(shí)現(xiàn)。光刻的工藝水平直接決定芯片的制程水平和性能水平。芯片在生產(chǎn)中需要進(jìn)行20~30次的光刻，耗時(shí)占到IC生產(chǎn)環(huán)節(jié)的50%左右，占芯片生產(chǎn)成本的1/3。如果采用EUV，晶圓廠(chǎng)可以減少將芯片設(shè)計(jì)縮小所遇到的光學(xué)麻煩，并在此過(guò)程中省去一些多重圖形曝光（multi-patterning）步驟，在理想情況下能夠節(jié)省成本和時(shí)間，提高良品率。也正是這個(gè)原因，盡管ASML的EUV售價(jià)高達(dá)1.2億美元，三星和臺(tái)積電等廠(chǎng)商依然積極采購(gòu)。

　　臺(tái)積電在日前舉行的法說(shuō)會(huì)上宣布，2021年主要用于設(shè)備采購(gòu)的資本支出約為250億至280億美元，較2020年的172億美元增長(zhǎng)了45%～62%。臺(tái)積電首席財(cái)務(wù)官黃仁昭表示，為應(yīng)對(duì)先進(jìn)工藝與特殊工藝技術(shù)發(fā)展，并順應(yīng)客戶(hù)需求的增長(zhǎng)，公司將上調(diào)2021年資本支出，其中80%將用于3nm、5nm及7nm等先進(jìn)工藝。

　　資料顯示，臺(tái)積電的5納米節(jié)點(diǎn)相比7納米節(jié)點(diǎn)，可以使性能提高15％（在相同的功率和復(fù)雜度下），功耗降低30％（在相同的頻率和復(fù)雜度下），晶體管密度最高提高1.8倍（并非適用于所有結(jié)構(gòu)）。此外，5納米節(jié)點(diǎn)將在十層以上的設(shè)備上使用EUV，這使臺(tái)積電減少了掩膜的使用數(shù)量，減少了多重圖形曝光的使用次數(shù)。

　　未來(lái)，先進(jìn)工藝將繼續(xù)推進(jìn)，至3納米、2納米，甚至是1納米。屆時(shí)，EUV將發(fā)揮更大的作用。imec CEO兼總裁Luc Van den hove指出，imec通過(guò)與ASML通力合作研發(fā)并實(shí)現(xiàn)新一代高解析度EUV光刻技術(shù)（高NA EUV Lithography），將促使摩爾定律繼續(xù)發(fā)揮作用，即使工藝微縮化達(dá)到1納米后，摩爾定律也會(huì)繼續(xù)適用。

　　03

　　存儲(chǔ)芯片：下一個(gè)EUV大戶(hù)

　　不僅邏輯芯片制造工藝需要使用EUV設(shè)備，未來(lái)美光、SK海力士等存儲(chǔ)芯片大廠(chǎng)在量產(chǎn)DRAM時(shí)也將采用EUV設(shè)備。

　　半導(dǎo)體專(zhuān)家莫大康指出，存儲(chǔ)器主要分為兩種：一種是DRAM，另一種是3D NAND。3D NAND目前的競(jìng)爭(zhēng)主要集中在層數(shù)上，雖然也需要線(xiàn)寬的微縮化，但需求不那么迫切。而DRAM存儲(chǔ)器則不同，如果做到1z（12～14nm）以下，就有可能需要用到EUV光刻機(jī)。屆時(shí)，存儲(chǔ)器廠(chǎng)商訂的EUV設(shè)備將有大的爆發(fā)。

　　據(jù)悉，三星電子目前已經(jīng)嘗試將EUV應(yīng)用于1z DRAM的生產(chǎn)當(dāng)中。2020年8月，三星電子宣布在平澤工廠(chǎng)新建的第二座生產(chǎn)線(xiàn)開(kāi)始生產(chǎn)16Gbit LPDDR5移動(dòng)DRAM。三星電子采用EUV生產(chǎn)的第四代10納米級(jí)別的DRAM晶圓出貨量達(dá)到100萬(wàn)個(gè)。

　　在內(nèi)存業(yè)內(nèi)，目前的代際劃分是1x、1y、1z、1α和1β。SK海力士表示，正在為使用EUV的DRAM的大規(guī)模生產(chǎn)做準(zhǔn)備。SK海力士計(jì)劃從2021年起將EUV應(yīng)用于1αDRAM，2022年將EUV應(yīng)用于1βDRAM。SK海力士規(guī)劃升級(jí)M14晶圓廠(chǎng)的設(shè)備，同時(shí)在即將啟用的新廠(chǎng)——M16晶圓廠(chǎng)中安裝EUV光刻系統(tǒng)。

　　美光也在布局對(duì)EUV的使用。有消息稱(chēng)，美光正在尋找管理EUV設(shè)備的工程師。美光科技高級(jí)副總裁兼移動(dòng)產(chǎn)品事業(yè)部總經(jīng)理拉杰·塔魯里認(rèn)為，是否采用EUV考量的關(guān)鍵在于芯片生產(chǎn)的成本和效率。

　　“我們現(xiàn)在使用的多重圖形曝光技術(shù)相比使用EUV在成本和效率上的優(yōu)勢(shì)更加明顯?，F(xiàn)在我們已經(jīng)推進(jìn)到1α節(jié)點(diǎn)，我們覺(jué)得做到1β、1γ節(jié)點(diǎn)，現(xiàn)有的多重圖形曝光技術(shù)在成本上都會(huì)更加有優(yōu)勢(shì)。但是在1γ之后，我們有可能會(huì)嘗試采用EUV。我們會(huì)進(jìn)行成本效率分析，如果證明成本效率更優(yōu)就會(huì)考慮采用。當(dāng)然，前期我們會(huì)投入資金進(jìn)行相關(guān)工藝的探索和開(kāi)發(fā)?！?/p>

　　04

　　極紫外光刻產(chǎn)業(yè)：不僅只有EUV

　　光刻機(jī)供應(yīng)商除ASML之外，還有日本廠(chǎng)商尼康和佳能。隨著EUV變得越來(lái)越重要，ASML的優(yōu)勢(shì)正變得越來(lái)越明顯。佳能和尼康僅能在“深紫外線(xiàn)”（DUV）光刻系統(tǒng)上與之競(jìng)爭(zhēng)。可即使在DUV領(lǐng)域，ASML也擁有62％的市場(chǎng)份額。

　　然而，極紫外光刻產(chǎn)業(yè)又并不僅僅只有EUV光刻機(jī)。

　　根據(jù)半導(dǎo)體專(zhuān)家莫大康的介紹，與EUV相關(guān)的還包括光掩膜缺陷檢測(cè)和涂覆顯影等周邊設(shè)備，以及光刻膠等關(guān)鍵材料。

　　光掩膜缺陷檢測(cè)設(shè)備可檢測(cè)光掩膜中存在的缺陷，如果承載原始電路的光掩膜存在缺陷，則芯片的缺陷率將相應(yīng)增加。因此該設(shè)備也十分重要。日本Lasertec是這一領(lǐng)域的主要制造商。

　　Lasertec公司的經(jīng)營(yíng)企劃室室長(zhǎng)三澤祐太朗指出：“隨著微縮化的發(fā)展，在步入2納米制程時(shí)，DUV的感光度可能會(huì)不夠充分?！辈捎肊UV光源的檢測(cè)設(shè)備的需求有望進(jìn)一步增長(zhǎng)。

　　EUV涂膠顯影設(shè)備用于將特殊的化學(xué)液體涂在硅片上作為半導(dǎo)體材料進(jìn)行顯影。

　　作為光刻機(jī)的輸入（曝光前光刻膠涂覆）和輸出（曝光后圖形的顯影），涂膠/顯影機(jī)的性能直接影響到細(xì)微曝光圖案的形成，其顯影工藝的圖形質(zhì)量和缺陷控制對(duì)后續(xù)諸多工藝（諸如蝕刻、離子注入等）圖形轉(zhuǎn)移結(jié)果也有著深刻的影響。

　　東京電子是該領(lǐng)域的主要供應(yīng)商。東京電子的河合利樹(shù)社長(zhǎng)指出，如果EUV的導(dǎo)入能促進(jìn)整個(gè)工序的技術(shù)進(jìn)步的話(huà)，與EUV沒(méi)有直接聯(lián)系的工序數(shù)也會(huì)增加。

　　國(guó)內(nèi)設(shè)備廠(chǎng)芯源微日前表示，公司前道涂膠顯影機(jī)與國(guó)際光刻機(jī)聯(lián)機(jī)的技術(shù)問(wèn)題已經(jīng)攻克并通過(guò)驗(yàn)證，可以與包括ASML、佳能等國(guó)際品牌，以及上海微電子（SMEE）的光刻機(jī)聯(lián)機(jī)應(yīng)用。

　　光刻膠對(duì)分辨率、對(duì)比度、敏感度，以及粘滯性黏度、粘附性等要求極高。目前全球光刻膠主要企業(yè)有日本合成橡膠（JSR）、東京應(yīng)化（TOK）、住友化學(xué)、信越化學(xué)、美國(guó)羅門(mén)哈斯等，所占市場(chǎng)份額超過(guò)85%，市場(chǎng)集中度非常高。

　　目前，中國(guó)已經(jīng)可以量產(chǎn)G線(xiàn)、I線(xiàn)、KrF三大類(lèi)光刻膠。南大光電計(jì)劃通過(guò)3年的建設(shè)、投產(chǎn)及實(shí)現(xiàn)銷(xiāo)售，達(dá)到年產(chǎn)25噸193nm（ArF干式和浸沒(méi)式）光刻膠產(chǎn)品的生產(chǎn)規(guī)模，未來(lái)將攻關(guān)EUV光刻膠。

　　05

　　解決光刻難題：從非核心開(kāi)始起步

　　我國(guó)發(fā)展半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，光刻技術(shù)是繞不開(kāi)的課題，以國(guó)內(nèi)目前薄弱的基礎(chǔ)，短期內(nèi)攻克EUV設(shè)備并不現(xiàn)實(shí)。

　　對(duì)此，莫大康指出，高性能光刻技術(shù)對(duì)中國(guó)企業(yè)來(lái)說(shuō)成本高昂，但是其戰(zhàn)略意義不容忽視。中國(guó)要推進(jìn)完整的光刻工業(yè)體系的發(fā)展，只能采取從低到高的策略，比如193nm深紫外ArF干式光刻機(jī)、浸沒(méi)式光刻機(jī)，以及周邊設(shè)備材料等，EUV是整套體系中最困難的一塊。

　　“要實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的功能，EUV就必須克服電能消耗以及光源等因素的影響?！敝袊?guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所集團(tuán)首席專(zhuān)家柳濱表示，EUV雖然售價(jià)超過(guò)了一億美元，但是高額的價(jià)格并不是它最大的問(wèn)題。

　　EUV最大的問(wèn)題是電能消耗。其電能消耗是傳統(tǒng)193nm光刻機(jī)的10倍，因?yàn)闃O紫外光的波長(zhǎng)僅有13.5nm，投射到晶圓表面曝光的強(qiáng)度只有光進(jìn)入EUV設(shè)備光路系統(tǒng)前的2%。

　　在與7nm成本比較中，7nm的EUV生產(chǎn)效率在80片/小時(shí)的耗電成本將是14nm的傳統(tǒng)光刻生產(chǎn)效率在240片/小時(shí)的耗電成本的一倍，這還不算設(shè)備購(gòu)置成本和掩膜版設(shè)計(jì)制造成本。

　　除了電能以及光源，光刻膠也是EUV技術(shù)另一個(gè)需要面對(duì)的問(wèn)題。據(jù)專(zhuān)家介紹，光刻膠本身對(duì)于光的敏感度就十分高，但是對(duì)于不同波長(zhǎng)的光源，光刻膠的敏感度也有差異，這就對(duì)EUV光刻機(jī)產(chǎn)生了一些要求。光刻機(jī)選擇的波長(zhǎng)必須和光刻膠對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)處于同一個(gè)波段，這樣才能提升光刻膠對(duì)于光源的吸收率，從而更好地實(shí)現(xiàn)化學(xué)變化。

　　莫大康表示，極紫外光刻雖然領(lǐng)先，但正因如此也存在許多需要改進(jìn)的空間。因此，國(guó)內(nèi)廠(chǎng)商先在DUV等領(lǐng)域站住腳跟，從周邊設(shè)備與材料切入，逐步解決產(chǎn)業(yè)中存在的問(wèn)題，把產(chǎn)業(yè)做扎實(shí)，不失為一個(gè)有效的策略。