未來極紫外光刻技術(shù)將如何發(fā)展?產(chǎn)業(yè)格局如何演變?

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)體龍頭廠商競相爭奪采購的焦點(diǎn)。未來，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？

半導(dǎo)體大廠

競相購買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)域的競爭形勢，用“得EUV者得先進(jìn)工藝”來形容并不為過。臺積電、三星電子等廠商均加速了導(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)域爭奪優(yōu)勢地位的焦點(diǎn)。

近期，三星電子與ASML高層互訪消息頻出。2020年10月，三星電子副會長李在镕訪問ASML，與ASML CEO Peter Wennink、CTO Martin van den Brink進(jìn)行會談。2020年年底又傳出Peter Wennink回訪三星電子的消息。

有業(yè)界人士指出，這樣頻繁的互訪，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)購買的EUV。據(jù)了解，ASML 2021年EUV產(chǎn)能約為45～50臺。而臺積電就搶下當(dāng)中的30臺，剩下的才由三星、英特爾及SK海力士等競爭對手瓜分。如此一來，三星電子勢必在2021年EUV設(shè)備數(shù)量上輸給臺積電。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)域趕超臺積電。這是三星高層親自出訪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，由于線寬過細(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納米世代的晶圓廠僅剩臺積電、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)體巨頭爭相拉攏的重要對象。

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、亞微米級、深亞微米級，細(xì)化到當(dāng)前的納米級，曝光光源的波長也由436納米（G線）、365納米（Ⅰ線），發(fā)展到248納米（KrF）、193納米（ArF），再到13.5納米（EUV）。

EUV是線寬突破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，這一過程需要通過光刻來實(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，三星和臺積電等廠商依然積極采購。

臺積電在日前舉行的法說會上宣布，2021年主要用于設(shè)備采購的資本支出約為250億至280億美元，較2020年的172億美元增長了45%～62%。臺積電首席財(cái)務(wù)官黃仁昭表示，為應(yīng)對先進(jìn)工藝與特殊工藝技術(shù)發(fā)展，并順應(yīng)客戶需求的增長，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，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。半導(dǎo)體研究機(jī)構(gòu)imec CEO兼總裁Luc Van den hove指出，imec通過與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，摩爾定律也會繼續(xù)適用。

存儲芯片

下一個(gè)EUV大戶

不僅邏輯芯片制造工藝需要使用EUV設(shè)備，未來美光、SK海力士等存儲芯片大廠在量產(chǎn)DRAM時(shí)也將采用EUV設(shè)備。半導(dǎo)體專家莫大康指出，存儲器主要分為兩種：一種是DRAM，另一種是3D NAND。3D NAND目前的競爭主要集中在層數(shù)上，雖然也需要線寬的微縮化，但需求不那么迫切。而DRAM存儲器則不同，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)，存儲器廠商訂的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新建的第二座生產(chǎn)線開始生產(chǎn)16Gbit LPDDR5移動(dòng)DRAM。三星電子采用EUV生產(chǎn)的第四代10納米級別的DRAM晶圓出貨量達(dá)到100萬個(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M14晶圓廠的設(shè)備，同時(shí)在即將啟用的新廠——M16晶圓廠中安裝EUV光刻系統(tǒng)。

美光也在布局對EUV的使用。有消息稱，美光正在尋找管理EUV設(shè)備的工程師。美光科技高級副總裁兼移動(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)勢更加明顯?，F(xiàn)在我們已經(jīng)推進(jìn)到1α節(jié)點(diǎn)，我們覺得做到1β、1γ節(jié)點(diǎn)，現(xiàn)有的多重圖形曝光技術(shù)在成本上都會更加有優(yōu)勢。但是在1γ之后，我們有可能會嘗試采用EUV。我們會進(jìn)行成本效率分析，如果證明成本效率更優(yōu)就會考慮采用。當(dāng)然，前期我們會投入資金進(jìn)行相關(guān)工藝的探索和開發(fā)?！?/p>

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，還有日本廠商尼康和佳能。隨著EUV變得越來越重要，ASML的優(yōu)勢正變得越來越明顯。佳能和尼康僅能在“深紫外線”（DUV）光刻系統(tǒng)上與之競爭。可即使在DUV領(lǐng)域，ASML也擁有62％的市場份額。

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)體專家莫大康的介紹，與EUV相關(guān)的還包括光掩膜缺陷檢測和涂覆顯影等周邊設(shè)備，以及光刻膠等關(guān)鍵材料。光掩膜缺陷檢測設(shè)備可檢測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)營企劃室室長三澤祐太朗指出：“隨著微縮化的發(fā)展，在步入2納米制程時(shí)，DUV的感光度可能會不夠充分?！辈捎肊UV光源的檢測設(shè)備的需求有望進(jìn)一步增長。

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社長指出，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，與EUV沒有直接聯(lián)系的工序數(shù)也會增加。國內(nèi)設(shè)備廠芯源微日前表示，公司前道涂膠顯影機(jī)與國際光刻機(jī)聯(lián)機(jī)的技術(shù)問題已經(jīng)攻克并通過驗(yàn)證，可以與包括ASML、佳能等國際品牌，以及上海微電子（SMEE）的光刻機(jī)聯(lián)機(jī)應(yīng)用。

光刻膠對分辨率、對比度、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)、美國羅門哈斯等，所占市場份額超過85%，市場集中度非常高。目前，中國已經(jīng)可以量產(chǎn)G線、I線、KrF三大類光刻膠。南大光電計(jì)劃通過3年的建設(shè)、投產(chǎn)及實(shí)現(xiàn)銷售，達(dá)到年產(chǎn)25噸193nm（ArF干式和浸沒式）光刻膠產(chǎn)品的生產(chǎn)規(guī)模，未來將攻關(guān)EUV光刻膠。

解決光刻難題

從非核心開始起步

我國發(fā)展半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，光刻技術(shù)是繞不開的課題，以國內(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)。對此，莫大康指出，高性能光刻技術(shù)對中國企業(yè)來說成本高昂，但是其戰(zhàn)略意義不容忽視。中國要推進(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娮涌萍技瘓F(tuán)公司第四十五研究所集團(tuán)首席專家柳濱表示，EUV雖然售價(jià)超過了一億美元，但是高額的價(jià)格并不是它最大的問題。EUV最大的問題是電能消耗。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)需要面對的問題。據(jù)專家介紹，光刻膠本身對于光的敏感度就十分高，但是對于不同波長的光源，光刻膠的敏感度也有差異，這就對EUV光刻機(jī)產(chǎn)生了一些要求。光刻機(jī)選擇的波長必須和光刻膠對應(yīng)的波長處于同一個(gè)波段，這樣才能提升光刻膠對于光源的吸收率，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，國內(nèi)廠商先在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)中存在的問題，把產(chǎn)業(yè)做扎實(shí)，不失為一個(gè)有效的策略。
責(zé)任編輯:tzh