隨著摩爾定律發(fā)展，芯片工藝不斷向更小的節(jié)點(diǎn)發(fā)展，傳統(tǒng)的深紫外（DUV）光刻技術(shù)已經(jīng)遇到了物理極限，無(wú)法滿(mǎn)足更高分辨率和更低成本的要求。因此，極紫外（EUV）光刻技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它使用13.5nm波長(zhǎng)的光線，可以實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的圖案化，并減少多重曝光的次數(shù)。
當(dāng)下，ASML在光刻機(jī)領(lǐng)域擁有絕對(duì)的影響力，壟斷了全球幾乎80%以上的光刻機(jī)市場(chǎng)，尤其是在EUV光刻機(jī)領(lǐng)域，市占率更是達(dá)到100%。
在過(guò)去，日本在光刻產(chǎn)業(yè)也是占據(jù)了大半壁江山。尼康、佳能與ASML曾經(jīng)并稱(chēng)光刻機(jī)三巨頭，但因?yàn)檫x錯(cuò)了路線，前者錯(cuò)失了ASML 193納米浸沒(méi)式光刻技術(shù)，逐漸沒(méi)落，尤其是在EUV極紫外光刻技術(shù)上毫無(wú)建樹(shù)。
但在EUV光刻環(huán)節(jié)，除了EUV光刻機(jī)這個(gè)最受矚目的設(shè)備產(chǎn)品外，EUV光源、EUV掩模和EUV光刻膠以及其他配套設(shè)備等一直是EUV光刻的重要技術(shù)組成部分。
芯片光刻流程圖
光刻的原理是在硅片表面覆蓋一層具有高度光敏感性光刻膠，再用光線透過(guò)掩模照射在光刻膠和硅片表面，被光線照射到的光刻膠會(huì)發(fā)生反應(yīng)。
此后用特定溶劑洗去被照射/未被照射的光刻膠，就實(shí)現(xiàn)了電路圖從掩模到硅片的轉(zhuǎn)移。光刻完成后對(duì)沒(méi)有光刻膠保護(hù)的硅片部分進(jìn)行刻蝕，最后洗去剩余光刻膠，就實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體器件在硅片表面的構(gòu)建過(guò)程。
雖然日本沒(méi)有先進(jìn)的晶圓廠，也錯(cuò)失了EUV光刻機(jī)，但其在EUV光刻領(lǐng)域仍有很重要的布局，保留著對(duì)供應(yīng)鏈關(guān)鍵部分的控制，例如半導(dǎo)體材料和設(shè)備。
據(jù)了解，芯片制造涉及19種關(guān)鍵材料，且多數(shù)都具有較高技術(shù)壁壘，而日本企業(yè)在其中14種關(guān)鍵材料中占據(jù)了全球超過(guò)50%的市場(chǎng)份額，在其余幾種材料的龍頭企業(yè)中也不乏日本企業(yè)的身影。
資料來(lái)源：遠(yuǎn)川研究所
可見(jiàn)日本在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)上游制造環(huán)節(jié)的布局廣泛，實(shí)力雄厚。據(jù)SEMI數(shù)據(jù)顯示，日本企業(yè)在全球半導(dǎo)體材料和制造設(shè)備市場(chǎng)所占的份額分別高達(dá)52%和30%。
01 “壟斷”EUV掩膜市場(chǎng)
掩膜版（Photomask），又稱(chēng)光罩、光掩膜、掩膜等，是微電子制造過(guò)程中的圖形轉(zhuǎn)移工具或母版，光刻過(guò)程將掩膜版上的設(shè)計(jì)圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上，再經(jīng)過(guò)刻蝕，將圖形刻到襯底上，從而實(shí)現(xiàn)圖形到硅片的轉(zhuǎn)移。
Digital Journal數(shù)據(jù)顯示，2021年全球半導(dǎo)體光掩膜市場(chǎng)規(guī)模為46.87億美元。
在半導(dǎo)體芯片掩膜版市場(chǎng)，晶圓廠自行配套的掩膜版工廠占據(jù)65%的份額。如臺(tái)積電、三星、英特爾、中芯國(guó)際等全球晶圓代工廠，其所用的掩膜版絕大部分由自己的專(zhuān)業(yè)工廠生產(chǎn)；在獨(dú)立第三方掩膜版市場(chǎng)，半導(dǎo)體芯片掩膜版技術(shù)主要由日本DNP（大日本印刷）、Toppan（凸版）、HOYA（豪雅）和美國(guó)Photronics、韓國(guó) LG-IT等公司掌握，市場(chǎng)集中度高，寡頭壟斷嚴(yán)重。
DNP是世界上最大規(guī)模的綜合印刷公司，自1876年創(chuàng)業(yè)以來(lái)專(zhuān)注于印刷技術(shù)。作為光掩膜廠家，DNP在2016年全球首例導(dǎo)入多電子光束繪制設(shè)備，且大幅度縮短了新一代半導(dǎo)體光掩膜的繪制時(shí)間，從而滿(mǎn)足了半導(dǎo)體廠家對(duì)高產(chǎn)率、高質(zhì)量的需求。2020年，DNP開(kāi)發(fā)了相當(dāng)于5nm工藝的EUV光刻光掩模制造工藝。
近日，DNP宣布開(kāi)發(fā)出用于3nm等效EUV（極紫外）光刻的光掩模制造工藝。
DNP將增加多電子束掩模光刻設(shè)備的數(shù)量，計(jì)劃于2024年下半年開(kāi)始運(yùn)營(yíng)。通過(guò)這一舉措，DNP將為采用尖端工藝的半導(dǎo)體制造領(lǐng)域提供所需的光掩模。
此外DNP還將通過(guò)與IMEC合作，推進(jìn)2nm以后的更細(xì)微的工藝研發(fā)。
TOPPAN采用超精細(xì)加工技術(shù)制造半導(dǎo)體工藝制程中必不可少的各種零部件，如用于半導(dǎo)體制程前道工序的光掩模、用于后道工序封裝的FC-BGA基板，以及引線框架等。自1961年以來(lái)，凸版一直通過(guò)制造光掩膜來(lái)大力支持半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展。同時(shí)，為了滿(mǎn)足不斷發(fā)展的LSI對(duì)更精細(xì)圖案的需求，正在不斷開(kāi)發(fā)移相掩膜和采用下一代曝光技術(shù)的更先進(jìn)的光掩膜產(chǎn)品。
TOPPAN的中國(guó)上海廠是于 1995 年開(kāi)始投產(chǎn)。據(jù)悉，該廠前身是美國(guó)杜邦，杜邦的光掩模事業(yè)部布局中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的時(shí)間點(diǎn)非常早，甚至早于許多中國(guó)一線半導(dǎo)體晶圓廠，不過(guò)杜邦在2004年將上海廠賣(mài)給日本TOPPAN后，陸續(xù)退出該產(chǎn)業(yè)。
日本TOPPAN陸續(xù)將高端技術(shù)轉(zhuǎn)移到上海廠，該廠在2015年導(dǎo)入90納米的光掩模技術(shù)設(shè)備，并在2018年開(kāi)始生產(chǎn)65/55納米技術(shù)，之后在2018年進(jìn)入邏輯制程28/14納米，以及DRAM的1X/1Y制程的光掩模生產(chǎn)。
除了投入高端技術(shù)工藝，日本TOPPAN也在數(shù)年前就投入EUV光刻機(jī)用的光掩模，通過(guò)高能量、波長(zhǎng)短的光源，將電路圖案轉(zhuǎn)印到晶圓，EUV光源波長(zhǎng)比目前深紫外線DUV光源波長(zhǎng)短少約15倍，因此能達(dá)到持續(xù)將線寬尺寸縮小的目的。
EUV光掩模與傳統(tǒng)光掩模的不同之處在于，傳統(tǒng)光掩模是有選擇性地傳輸193nm波長(zhǎng)的光線，將電路圖案投射到晶圓上，但當(dāng)采用13.5nm波長(zhǎng)的EUV微影技術(shù)時(shí)，所有的光掩模材料都是不透光的，因此具復(fù)合多涂層反射鏡的光掩?？蓪㈦娐穲D案反射到晶圓上。
02 EUV薄膜
值得注意的是，EUV掩模最困難的環(huán)節(jié)之一就是EUV薄膜（Pellicle）。
EUV薄膜是一種超薄薄膜形態(tài)的、需要定期更換的高端消耗品，放置在EUV掩模的頂層，同時(shí)允許高EUV光透射率。它安裝在光掩模表面上方幾毫米處，在EUV曝光工藝中保護(hù)EUV掩模表面免受空氣中顆?；蛭廴疚镉绊?。
如果污染物落在EUV薄膜上，由于這些顆粒離焦，不會(huì)曝光在晶圓上，從而最大限度地減少曝光缺陷。但是，在EUV光刻工藝中，極紫外光通過(guò)EUV薄膜兩次，一次入射到EUV掩模，另外一次出射到EUV投影光學(xué)系統(tǒng)，這導(dǎo)致EUV薄膜的溫度將升高600-1000攝氏度。
不攜帶（左）和攜帶EUV薄膜的EUV掩模示意圖
EUV薄膜在EUV光刻中保護(hù)極其昂貴的EUV掩模，使其遠(yuǎn)離可能落在其表面的顆粒。
EUV薄膜對(duì)于CPU芯片的生產(chǎn)最為重要，因?yàn)镃PU芯片使用的是單芯片掩模，任何一個(gè)EUV掩模缺陷就會(huì)有可能使整個(gè)晶圓失效。因此，對(duì)于大面積的芯片，沒(méi)有EUV薄膜的保護(hù)是萬(wàn)萬(wàn)不能的。
有專(zhuān)家強(qiáng)調(diào)，“試圖在沒(méi)有EUV薄膜的情況下進(jìn)行EUV光刻是痛苦的。這需要更多的檢測(cè)，而且仍有可能導(dǎo)致產(chǎn)量損失”。
對(duì)此，日本EUV薄膜供應(yīng)商三井化學(xué)積極布局。
前不久，比利時(shí)的納米電子和數(shù)字技術(shù)研究和創(chuàng)新中心Imec與三井化學(xué)建立戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，共同開(kāi)發(fā)用于EUV光刻的基于碳納米管(CNT)的薄膜。
根據(jù)協(xié)議，三井化學(xué)將把imec基于碳納米管的薄膜開(kāi)發(fā)整合到其碳納米管薄膜技術(shù)中，以實(shí)現(xiàn)完整的生產(chǎn)規(guī)格，目標(biāo)是在2025-2026年內(nèi)將其引入大功率EUV系統(tǒng)的制造中。
該薄膜用于保護(hù)光掩膜在極紫外光照射時(shí)不受污染，具有高極紫外光透射率(≧94%)、低極紫外光反射率和最小光學(xué)影響，這是先進(jìn)半導(dǎo)體制造中高產(chǎn)量和高吞吐量的關(guān)鍵特性。
光刻路線圖項(xiàng)目預(yù)計(jì)在2025-2026年期間推出新的薄膜，屆時(shí)下一代ASML 0.33NA EUV光刻系統(tǒng)將支持600W或更高功率的光源。
另一方面，三井化學(xué)也在助力三星實(shí)現(xiàn)新突破。
最近在釜山舉行的“KISM2023”學(xué)術(shù)會(huì)議上，三星表示其EUV光刻技術(shù)取得了重大進(jìn)展。
據(jù)悉，三星EUV技術(shù)的關(guān)鍵在于EUV薄膜的使用，這是半導(dǎo)體制造中光刻工藝所必需的材料，能夠起到保護(hù)作用，防止外來(lái)顆粒造成缺陷。據(jù)透露，三星使用的EUV薄膜的透光率已經(jīng)達(dá)到90%，計(jì)劃將其提高到94-96%。
三星在部分先進(jìn)的EUV代工生產(chǎn)線上為主要客戶(hù)引進(jìn)了EUV薄膜。據(jù)三星DS事業(yè)部研究員Kang Young-seok表示，日本三井是目前唯一的供應(yīng)商。雖然FST和S&S Tech等韓國(guó)企業(yè)正在積極開(kāi)發(fā)EUV薄膜，但尚未達(dá)到量產(chǎn)的階段。
03 光罩刻錄機(jī)
除了在EUV掩膜和EUV薄膜上具有優(yōu)勢(shì)外，日本在光罩刻錄機(jī)方面也有深厚積累。
目前，光罩通常采用激光刻錄機(jī)制造，還有基于電子束技術(shù)的光罩刻錄機(jī)，前者的通用性比較強(qiáng)，后者多被用于在最先進(jìn)的制程節(jié)點(diǎn)上制作關(guān)鍵光罩，因?yàn)樗梢援a(chǎn)生比傳統(tǒng)激光刻錄機(jī)更小的特征尺寸，但這種刻錄機(jī)的速度相對(duì)較慢，此外，其價(jià)格昂貴，體積也大。
在先進(jìn)制程集成電路的制造過(guò)程中，最底層需要精細(xì)光刻，相應(yīng)的光罩也更精細(xì)，多采用基于電子束技術(shù)的光罩刻錄機(jī)，而上邊那些層的光罩，廠商更傾向于使用更便宜、效率更高的激光刻錄機(jī)。
全球能夠制造多波束光罩刻錄機(jī)的廠商并不多，主要是日本的JEOL、Nuflare公司，德國(guó)的Vistec和奧地利的IMS公司等。其中，Nuflare公司實(shí)力強(qiáng)勁，拿下了全球90%的份額，也是第一家具備3nm制程光罩制備能力的廠商。
隨著光刻技術(shù)的發(fā)展，特別是ASML不斷更新EUV光刻機(jī)，對(duì)相應(yīng)的產(chǎn)品和設(shè)備也提出了更高要求，光罩刻錄機(jī)也在此行業(yè)背景下不斷演進(jìn)。
綜合來(lái)看，光掩膜在微納加工技術(shù)中具有舉足輕重的地位，是實(shí)現(xiàn)集成電路制造的關(guān)鍵因素。隨著制程技術(shù)的不斷演進(jìn)，掩膜的精度、分辨率和成本要求將不斷提高，這將對(duì)掩膜制造商，以及薄膜和光罩刻錄機(jī)等產(chǎn)業(yè)鏈提出更高的挑戰(zhàn)，也帶來(lái)更大的需求。
04 EUV光刻膠，實(shí)力強(qiáng)勁
光刻膠是一種特殊的材料，它涂覆在晶圓表面，可以根據(jù)曝光與否發(fā)生化學(xué)變化，從而形成所需的圖案。EUV光刻膠則是制造難度更高的產(chǎn)品，也是7nm及以下先進(jìn)制程芯片加工過(guò)程中的核心原材料。
光刻膠的發(fā)展是摩爾定律運(yùn)行的核心驅(qū)動(dòng)力。
隨著芯片制程由微米級(jí)（2μm-1μm）、亞微米級(jí)（1-0.35μm）、深亞微米級(jí)（0.35μm以下）、納米級(jí)（90-22nm）甚至進(jìn)入14-7nm階段。
對(duì)光刻膠分辨率等性能要求不斷提高，光刻技術(shù)隨著集成電路的發(fā)展經(jīng)歷了從G線（436nm）光刻，H線（405nm）光刻，I線（365nm）光刻，到深紫外線DUV光刻（KrF248nm和ArF193nm）、193nm浸沒(méi)式加多重成像技術(shù)（32nm-7nm），再到EUV極端紫外線（＜13.5nm）光刻的發(fā)展，甚至采用非光學(xué)光刻（電子束曝光、離子束曝光），以相應(yīng)波長(zhǎng)為感光波長(zhǎng)的各類(lèi)光刻膠也應(yīng)用而生。
與其它光刻膠相比，EUV光刻膠有以下特點(diǎn)：
高吸收率：由于EUV光線在空氣中會(huì)被吸收，因此需要在真空環(huán)境下進(jìn)行曝光。同時(shí)，為了提高曝光效率和減少劑量，EUV光刻膠需要具有高吸收率，即能夠吸收更多的入射光子。
高靈敏度：由于EUV光源功率有限，每個(gè)晶圓上打到的光子數(shù)量較少，因此EUV光刻膠需要具有高靈敏度，即能夠在較低劑量下發(fā)生足夠的化學(xué)反應(yīng)。
高分辨率：為了實(shí)現(xiàn)更小的特征尺寸和更密集的圖案布局，EUV光刻膠需要具有高分辨率，即能夠保持清晰和平滑的線邊緣。
高穩(wěn)定性：由于EUV光刻過(guò)程涉及多種化學(xué)物質(zhì)和物理?xiàng)l件，因此EUV光刻膠需要具有高穩(wěn)定性，即能夠抵抗各種干擾和變化。
綜合來(lái)看，隨著半導(dǎo)體節(jié)點(diǎn)向更小的規(guī)模發(fā)展，保持分辨率、靈敏度和圖形保真度變得更加復(fù)雜和具有挑戰(zhàn)性。EUV光刻膠需要憑借上述特點(diǎn)和能力，以應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)并實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的小型化。
據(jù)業(yè)內(nèi)人士披露，日本企業(yè)在半導(dǎo)體光刻膠領(lǐng)域占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。半導(dǎo)體光刻膠主要生產(chǎn)企業(yè)包括日本東京應(yīng)化、JSR、住友化學(xué)、信越化學(xué)、富士膠片，以及韓國(guó)東進(jìn)世美肯和美國(guó)陶氏杜邦，其中日本企業(yè)占據(jù)約90%市場(chǎng)份額。
縱觀光刻膠產(chǎn)業(yè)的發(fā)展史，實(shí)際上日本的壟斷地位是“后來(lái)居上”。
回溯光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展史，早在1950年，美國(guó)柯達(dá)公司就開(kāi)發(fā)出了KTFR光刻膠，隨后1980年美國(guó)的IBM公司突破了KrF光刻技術(shù)，之后的15年里，IBM領(lǐng)導(dǎo)并壟斷了KrF光刻膠。
也就是在這個(gè)時(shí)候，日本半導(dǎo)體也正在迅速崛起，尤其是在光刻技術(shù)方面，尼康和佳能憑借在基礎(chǔ)化工領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)積累和政府的大力扶持，迅速崛起。
盡管彼時(shí)迅速崛起的日本半導(dǎo)體已經(jīng)受到了美國(guó)的壓力和限制，增速放緩。但由于業(yè)內(nèi)對(duì)光刻膠的重視程度較低，且市場(chǎng)占有率過(guò)低，光刻膠不在美國(guó)限制日本半導(dǎo)體發(fā)展的產(chǎn)品范圍內(nèi)。
于是，日本抓住“一線生機(jī)”，開(kāi)始大力研發(fā)光刻膠。
借此機(jī)遇，日本迅速涌現(xiàn)出了一批優(yōu)秀的光刻膠企業(yè)，比如東京應(yīng)化于1995年研發(fā)出KrF光刻膠并實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化，這標(biāo)志著光刻膠正式進(jìn)入日本廠商“稱(chēng)霸”的時(shí)代。2011年，JSR與SEMATECH聯(lián)合開(kāi)發(fā)出EUV光刻膠，使得日本光刻膠站上了金字塔的頂端。
同時(shí)，由于日本的尼康和佳能在光刻機(jī)領(lǐng)域也曾經(jīng)長(zhǎng)期壟斷全球市場(chǎng)，這些為日本發(fā)展光刻膠提供了非常良好的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，并且日本在精細(xì)化工等方面也具有雄厚的實(shí)力，經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展積累了大量的理論知識(shí)和光刻膠相關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)，最終形成了日本企業(yè)在光刻膠領(lǐng)域的絕對(duì)統(tǒng)治力。
有業(yè)內(nèi)專(zhuān)家表示，如今10nm以下制程的光刻膠，幾乎只有日本的企業(yè)能夠生產(chǎn)。這也意味著在EUV光刻膠方面，日本企業(yè)的市場(chǎng)份額遙遙領(lǐng)先。其中最大的兩家供應(yīng)商是JSR和東京應(yīng)化，就占據(jù)了約75%的市場(chǎng)份額。
東京應(yīng)化成立于1936年，為全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體光刻膠生產(chǎn)商，產(chǎn)品覆蓋橡膠型負(fù)性光刻膠、g線光刻膠、i線光刻膠、KrF光刻膠、ArF光刻膠、EUV光刻膠、電子光束光刻膠等。目前東京應(yīng)化在光刻膠領(lǐng)域綜合實(shí)力位列第一，除了在ArF 光刻膠領(lǐng)域以16%的市占率位于JSR（25%）、信越化學(xué)（22%）、住友化學(xué)（17%）之后，在其他三個(gè)領(lǐng)域的份額均位列第一，其中在EUV光刻膠領(lǐng)域獨(dú)占鰲頭，一家占據(jù)一半以上的份額。
JSR產(chǎn)品種類(lèi)豐富，可滿(mǎn)足各種工藝需求，自1979年開(kāi)始銷(xiāo)售光刻膠以來(lái)，以滿(mǎn)足半導(dǎo)體行業(yè)的需求為宗旨，40多年來(lái)不斷的向全球客戶(hù)提供光刻材料、CMP材料和封裝材料。產(chǎn)品包括：用于離子注入、柵極和配線工藝圖案的光刻膠，用于CMP工藝的研磨液和清洗劑，以及用于封裝各個(gè)工藝流程的臨時(shí)鍵合材料、厚膜加工用光刻膠和感光性絕緣膜材料等。JSR的光刻膠產(chǎn)品覆蓋成熟至先進(jìn)制程，提供i/g-line、KrF、ArF、多層材料等完整產(chǎn)品線，并且可以實(shí)現(xiàn)EUV光刻膠的量產(chǎn)。目前JSR正在研發(fā)和銷(xiāo)售適用于5nm及以下制程的EUV光刻膠，以維持和擴(kuò)大公司在先進(jìn)光刻材料的市場(chǎng)份額。
JSR EUV光刻膠研發(fā)
今年6月，日本光刻膠供應(yīng)商巨頭JSR宣布，已同意由日本政府支持的基金以約9,093億日元（約63.5億美元）的價(jià)格收購(gòu)，該交易意味著這家半導(dǎo)體材料巨頭將被日本國(guó)有化。
據(jù)報(bào)道，主導(dǎo)該交易的是由日本政府主導(dǎo)、日本產(chǎn)業(yè)界共同出資的日本投資公司（JIC），此舉受到日本貿(mào)易部的監(jiān)督，是日本政府加強(qiáng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)控制的最新舉措，旨在重新奪回日本在先進(jìn)芯片生產(chǎn)方面的領(lǐng)先地位。
此外，住友化學(xué)、信越化學(xué)和富士膠片等日本材料巨頭也均在EUV光刻膠領(lǐng)域有所布局。
從產(chǎn)業(yè)鏈價(jià)值來(lái)看，光刻膠產(chǎn)值不算大，僅占全球半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模的1%，卻對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)至關(guān)重要。
三星集團(tuán)CEO曾表示：“如果光刻機(jī)缺少了光刻膠，那么光刻機(jī)就是一堆廢鐵?！?/p>
可見(jiàn)，EUV光刻膠更是半導(dǎo)體材料皇冠上最璀璨的明珠。日本在“壟斷”該領(lǐng)域之余，也面臨挑戰(zhàn)。
2019年日本限制對(duì)韓國(guó)的EUV光刻膠出口后，韓國(guó)光刻膠廠商?hào)|進(jìn)世美肯開(kāi)始研發(fā)EUV光刻膠，并在2021年通過(guò)了三星電子的可靠性認(rèn)證；2022年12月三星電子在其一條量產(chǎn)線上使用了東進(jìn)半導(dǎo)體的EUV光刻膠產(chǎn)品，標(biāo)志著韓國(guó)也實(shí)現(xiàn)了EUV光刻膠的國(guó)產(chǎn)化量產(chǎn)突破。
另一方面，干式光刻膠或?qū)⒊蔀樾碌陌l(fā)展路徑。
TECHCET報(bào)告表示，隨著半導(dǎo)體先進(jìn)制程的競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，以及EUV制程層數(shù)的增加，光刻膠材料市場(chǎng)規(guī)模激增。其中，干式光刻膠成為廣受關(guān)注的新型EUV光刻材料之一，相比傳統(tǒng)濕式光刻膠能顯著降低生產(chǎn)成本，能源消耗更少，且原料需求量比以往大幅度減少。
隨著芯片尺寸不斷縮小，傳統(tǒng)的濕式光刻膠開(kāi)始遇到技術(shù)瓶頸，比如傳統(tǒng)的濕式光刻膠的化學(xué)成分容易造成光子散射，因此若想實(shí)現(xiàn)大劑量的曝光，需要增加光刻機(jī)的功率，而這一舉動(dòng)也會(huì)大大影響光刻機(jī)的工作效率。
對(duì)此，業(yè)內(nèi)曾提出兩種解決方案：一種是將光源提高到500W-1000W，并因此獲得更高的能量來(lái)確保量產(chǎn)，但目前500W以上的光源仍在研發(fā)中。而第二種解決方案，便是通過(guò)改善EUV光刻膠技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)曝光功率以及機(jī)器工作效率的平衡，干式光刻膠也因此受到市場(chǎng)的關(guān)注。
據(jù)了解，日本的東京應(yīng)化、JSR集團(tuán)等光刻膠巨頭企業(yè)生產(chǎn)的均為傳統(tǒng)的濕式光刻膠。而在兩年前，美國(guó)公司Lam Research憑借干式光刻膠技術(shù)“攪局”，成功打破了巨頭們?cè)诠饪棠z領(lǐng)域的壟斷，這也讓干式光刻膠正式走進(jìn)了人們的視野。同時(shí)，干式光刻膠的概念也得到ASML、三星、英特爾、臺(tái)積電等龍頭企業(yè)的青睞，紛紛與Lam Research針對(duì)干式光刻膠領(lǐng)域開(kāi)展合作研究，尋求平衡曝光功率以及機(jī)器工作效率的方法。
05 EUV光刻周邊設(shè)備，不容小覷
雖然在EUV相關(guān)設(shè)備市場(chǎng)中，ASML壟斷了核心光刻機(jī)，但在EUV光刻周邊設(shè)備中，日本廠商有著不容小覷的市占率，尤其在檢測(cè)、感光材料涂覆、成像等相關(guān)設(shè)備方面，日本企業(yè)的實(shí)力不容忽視。
掩模在制造和使用過(guò)程中難免會(huì)出現(xiàn)污染物沾污、圖形異常等缺陷，需要進(jìn)行檢測(cè)和修復(fù)，是提升產(chǎn)品的良率和節(jié)省成本的關(guān)鍵。在這個(gè)領(lǐng)域，日本的Lasertec是全球領(lǐng)先的測(cè)試機(jī)制造商，是首家實(shí)現(xiàn)用EUV光源檢測(cè)EUV掩模的企業(yè)。
Lasertec之所以能夠取得如此大的突破，最重要的原因是押對(duì)EUV光刻這個(gè)方向。
據(jù)了解，芯片工藝在推向7nm及以下的時(shí)候，工業(yè)界分成兩撥，一波是繼續(xù)改進(jìn)DUV技術(shù)，另一波則是選擇走向EUV光刻。DUV技術(shù)之所以困難重重，就是因?yàn)楫?dāng)工藝節(jié)點(diǎn)推進(jìn)到7nm時(shí)采用該技術(shù)需要四重曝光，對(duì)多層對(duì)齊是極大的挑戰(zhàn)。
同樣，多重曝光意味著需要多次更換掩膜，這在經(jīng)濟(jì)上也增加了成本。因此，繼續(xù)使用DUV技術(shù)將面臨更多挑戰(zhàn)。而EUV光刻系統(tǒng)能夠通過(guò)單次曝光，完美解決上述問(wèn)題。
但是，由于EUV的波長(zhǎng)只有13.5nm，這給EUV掩膜檢測(cè)造成了極大挑戰(zhàn)。過(guò)去EUV掩膜都是通過(guò)193nm的深紫外光(DUV)系統(tǒng)來(lái)檢測(cè)，但這個(gè)系統(tǒng)沒(méi)有辦法分辨EUV掩膜圖案，導(dǎo)致只能粗略判斷掩膜板上是否有缺陷，無(wú)法檢測(cè)EUV掩模是否存在多層膜相位型缺陷，迫切需要更高分辨率的掩膜檢測(cè)手段。
對(duì)此，日本Lasertec于2018年成功開(kāi)發(fā)了光化圖形掩模檢測(cè)系統(tǒng)ACTIS A150，加速EUV光刻走向成熟化和經(jīng)濟(jì)化，這也加速了半導(dǎo)體界開(kāi)始全面倒向EUV技術(shù)。2019年，Lasertec又推出了對(duì)已印有晶圓設(shè)計(jì)的模板進(jìn)行檢測(cè)的設(shè)備，成為了這一領(lǐng)域的壟斷者。
日本在光刻機(jī)周邊設(shè)備領(lǐng)域的龍頭并非只有一個(gè)Lasertec， 另一個(gè)占據(jù)極高市場(chǎng)份額的是東京電子的EUV涂覆顯影設(shè)備，該設(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。1993年，東京電子開(kāi)始銷(xiāo)售FPD生產(chǎn)設(shè)備涂布機(jī)/顯影機(jī)，2000年交付了1000臺(tái)涂布機(jī)/顯影機(jī)“ CLEAN TRACK ACT 8”。
06 光刻機(jī)領(lǐng)域，念念不忘
雖然曾經(jīng)的光刻機(jī)巨頭在EUV領(lǐng)域已經(jīng)被ASML拋離，但日本在光刻機(jī)方面仍在不斷努力。
佳能研發(fā)了納米壓印技術(shù)(NIL)，無(wú)需EUV就能制造5納米芯片。
紫外納米壓印光刻與光學(xué)光刻流程對(duì)比（圖源：果殼硬科技）
不僅如此，據(jù)佳能最新消息表示，還在將該掩模技術(shù)進(jìn)一步改進(jìn)，未來(lái)納米壓印光刻有望實(shí)現(xiàn)最小線寬為10納米的電路圖案，相當(dāng)于最先進(jìn)邏輯半導(dǎo)體技術(shù)所需要的2納米節(jié)點(diǎn)。
筆者此前在《納米壓印，終于走向臺(tái)前？》文章中對(duì)該技術(shù)做過(guò)詳細(xì)解讀，在此不過(guò)多贅述。
另一邊，尼康12月10日宣布將于2024年1月正式推出ArF 193納米浸沒(méi)式光刻機(jī)“NSR-S636E”。對(duì)比當(dāng)前型號(hào)，該設(shè)備整體生產(chǎn)效率可提高10-15%，創(chuàng)下尼康光刻設(shè)備的新高，每小時(shí)可生產(chǎn)280片晶圓，停機(jī)時(shí)間也更短。
據(jù)悉，在不犧牲生產(chǎn)效率的前提下，新光刻機(jī)可在需要高重疊精度的半導(dǎo)體制造中提供更高的性能。新光刻機(jī)的光源技術(shù)是20世紀(jì)90年代就已經(jīng)成熟的“i-line”，再加上相關(guān)零件、技術(shù)的成熟化，價(jià)格將比競(jìng)品便宜20-30%左右。
不過(guò)，目前尚不清楚尼康這款光刻機(jī)能制造多少納米的芯片。
07 寫(xiě)在最后
日本之所以在包括EUV光刻膠、掩膜等半導(dǎo)體材料，以及EUV周邊設(shè)備領(lǐng)域具備強(qiáng)大實(shí)力，有幾個(gè)關(guān)鍵原因：
半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的長(zhǎng)期發(fā)展：上世紀(jì)80年代，日本的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)非常發(fā)達(dá)，但隨后受到美國(guó)的制裁和打壓。為了保持半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，日本企業(yè)轉(zhuǎn)向半導(dǎo)體材料的研發(fā)和生產(chǎn)，并投入大量資源。依托于日本原本雄厚的半導(dǎo)體基礎(chǔ)，日本迅速崛起為全球半導(dǎo)體材料領(lǐng)域的領(lǐng)軍國(guó)家。
基礎(chǔ)研究實(shí)力和經(jīng)驗(yàn)積累：半導(dǎo)體材料的制造工藝復(fù)雜多樣，需要扎實(shí)的基礎(chǔ)研究和豐富的經(jīng)驗(yàn)積累。日本企業(yè)一直以來(lái)注重基礎(chǔ)研究，擁有優(yōu)秀的科學(xué)家和工程師團(tuán)隊(duì)，致力于材料制備和性能優(yōu)化的研究。此外，日本企業(yè)以“匠人精神”自居，精益求精，強(qiáng)調(diào)制造的精準(zhǔn)和質(zhì)量，這也是日本半導(dǎo)體材料實(shí)力強(qiáng)大的一個(gè)重要原因。
長(zhǎng)期穩(wěn)定的合作關(guān)系：半導(dǎo)體企業(yè)在選擇解決方案和供應(yīng)商時(shí)非常謹(jǐn)慎，不輕易更換合作伙伴。日本半導(dǎo)體企業(yè)經(jīng)過(guò)多年的努力和優(yōu)秀表現(xiàn)，與其他企業(yè)建立了長(zhǎng)期穩(wěn)定的合作關(guān)系，形成了高度綁定的合作模式。這使得其他廠商想要進(jìn)入這個(gè)市場(chǎng)變得非常困難。
整體來(lái)看，日本在半導(dǎo)體材料領(lǐng)域地位突出，得益于日本企業(yè)多年來(lái)在材料研發(fā)和制造方面的努力，以及長(zhǎng)期穩(wěn)定的合作關(guān)系。無(wú)論是在光刻膠、掩膜材料、化學(xué)機(jī)械拋光材料還是其他關(guān)鍵材料和設(shè)備方面，日本企業(yè)都展現(xiàn)出了強(qiáng)大的實(shí)力和優(yōu)勢(shì)。
但當(dāng)前科技競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，其他國(guó)家和地區(qū)都在不斷加大研發(fā)投入，并逐步取得了在某些特定領(lǐng)域的突破。對(duì)此，日本企業(yè)或許尚不能“高枕無(wú)憂(yōu)”，仍需要繼續(xù)保持創(chuàng)新能力，加強(qiáng)國(guó)際合作，以應(yīng)對(duì)來(lái)自全球的競(jìng)爭(zhēng)挑戰(zhàn)。
