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EUV光刻,终成主角!

激石外汇2024-02-04 11:56:55外汇资讯29

激石Pepperstone(https://www.paraat.net/)报道:

EUV到底有多火,可能很多人没有概念。

在光刻机巨头ASML发布的2023年第三季度的报告中,EUV光刻机的预定额为5亿欧元,而到了第四季度,预定额陡然增加到了56亿欧元,整整翻了十倍之多。

要知道,这部分订购的光刻机大部分都不会在2024年内交付,至少要等到2025年,但包括台积电、三星和英特尔等巨头依旧只能乖乖交钱买期货,原因很简单,就是ASML目前仍然是蓝星上唯一一家能够量产EUV光刻机的厂商。

对于半导体行业来说,技术领先就意味着能赚钱,而独占了EUV这一重要市场后,就意味着ASML能有源源不断的收入:根据国外 MarketsandMarkets 的最新报告,EUV 光刻市场预计将从 2023 年的 94 亿美元增至 2028 年的 253 亿美元,2023-2028 年期间复合年增长率为21.8 %。

作为对比,ASML在2023年的总营收为276亿欧元,折合近300亿美元,五年后,光是EUV就能撑起ASML现在大半年的营收,在可预见的未来,不管是3nm、2nm、1nm或是更先进制程,它们都需要用到ASML所生产的EUV光刻机,台积电这样的代工厂赚得越多,ASML数钱就数得越开心。

问题来了,为什么EUV能这么赚钱?

日本技术,被欧洲“偷走”

对于传统的DUV,EUV的优势是显而易见的:

在生产方面,由于EUV光刻技术可以在单个芯片上封装更多的晶体管,因此可以以更低的成本批量生产芯片;在性能方面,采用EUV光刻技术生产的芯片具有更强的处理能力,能耗更低,性能更高;在工艺方面,与多重图案化相比,EUV 可减少掩模数量,打印更多的二维设计,从而在工艺简化方面带来巨大优势;

对于有志于先进制程的晶圆厂来说,EUV具备极大的吸引力,但上述这几个优势,却花费了数十年的时间,穷尽了无数人的努力,才终于来到我们面前。

EUV的故事,还要从20 世纪 80 年代中期的日本讲起。

上世纪80年代的半导体光刻仍然依赖于汞灯,整个行业正在寻找更先进的光刻办法,希望利用波长更短的光来延续摩尔定律,让芯片的性能更进一步,而当时还在日本电报电话公司(NTT)供职的木下博夫,在工作时萌生了EUVL(极紫外光刻)的想法。

为了实现EUVL,木下博夫开始寻找更短波长的 X 射线,但问题也逐步浮现,其中包括缺乏能够聚焦 X 射线用于光刻的透镜或镜子。而在此时,他看到了 Jim Underwood 和 Troy Barbee的一篇论文,报告中描述了第一个波长为 10 至 100 nm(我们现在称为 EUV)的多层反射镜。

与掠射角反射镜相比,多层反射镜是一个巨大的进步,当时唯一可用于较短波长 X 射线的就是掠射角反射镜,而多层反射镜更进一步,为 EUV 波长的光刻技术铺好了道路。木下博夫成功实现了 EUV 中图像的首次聚焦,并在 1986 年日本应用物理学会的一次会议上报告了他的成就。

与大部分人想象的不同,EUV的初次登场没有鲜花没有掌声,迎来的却是一片质疑, “不幸的是,观众对我的演讲高度怀疑,” 木下博夫后来在一次有关 EUV 光刻技术出现的特邀演讲中说道,“但是,我的信念没有改变。”

木村博夫如今已被公认为是EUV光刻技术的奠基人,当时的他大概没想到,EUV光刻日后需要耗费三十多年时间、数十亿美元资金以及数千名工程师和科学家的努力来实现落地,最终成为摩尔定律的最坚定的捍卫者。

虽然NTT 不看好EUV,选择押宝在其他光刻技术,但公司本身并没有阻止木村的研究,1993 年,木村组织了一次有关EUV技术的美日会议,吸引了约 50 名研究人员参加,并由此建立了两国之间在EUV光刻技术上的联系。

“摩尔定律遇到了麻烦,”伯克利国家实验室的David Attwood说,“英特尔指望走在摩尔定律的最前沿,以高价销售其产品。” 当时193 nm 氟化氩激光器已经开始用于光刻技术的开发,但DUV(深紫外光)光刻技术似乎已经走到了尽头,对于英特尔来说,无法继续缩小芯片几何尺寸,就意味着芯片性能难以继续提升,也意味着半导体行业发展的停滞,整个业界都对未来感到焦虑不安。

转折点出现在英特尔研究总监John Carruthers身上,他对英特尔未来的选择进行了审视,并得出结论,想要摩尔定律延续的唯一途径,就是在一个全行业项目上投入十亿美元,来开发EUV光刻这项技术。

当John Carruthers向英特尔高层提出这一方案时,安迪·格鲁夫(Andy Grove)愤怒地拍着桌子,但戈登·摩尔(Gordon Moore)却颇感兴趣,最终让格鲁夫也按下了同意投资的按钮。

这位摩尔定律的提出者在一次行业会议上宣布:“英特尔来了……我们正在下注,我们希望您加入我们。”

这一呼吁取得了成功。1997 年,英特尔、摩托罗拉和 AMD 等长期竞争对手认识到威胁的严重性,联合成立了 Extreme Ultraviolet LLC,开发新一代光刻技术,该联盟与美国能源部合作,开始在伯克利实验室、劳伦斯-利弗莫尔国家实验室和桑迪亚国家实验室展开研究。

将光刻技术转向 EUV 不仅需要新的光源,还需要新的光学器件和光学涂层、光刻胶、测量工具和纳米级精度,DUV的技术积累似乎在EUV上毫无用处,经过数轮的评级比较,最初被评为最后一名的激光产生的锡等离子体源成为了首选。

到 2000 年代中期,研究人员展示了由二氧化碳激光器泵浦的锡等离子体源,但其功率有限,几年来输出功率一直停留在数瓦特的范围内。直到2013 年,加利福尼亚州的 Cymer 公司报告称,通过在主脉冲之前用预脉冲击中锡,可以将将 EUV 功率提升到 10 瓦以上,虽然还远远不能满足生产要求,但颇具先进之明的 ASML公司于当年5月收购了Cymer,并开始投入资金加速EUV光刻技术的研发。

光学要求也是一大难点。EUV光刻机将电路掩膜的图像以所需的纳米分辨率投射到硅表面,需要十几个独立的反射镜,而这里唯一的选择就是多层反射镜,这种反射镜的四分之一波层比 4 nm还薄,且必须保持一致,才能达到生产芯片所需的精度。

为了完成EUV光刻机的开发,ASML又与蔡司花费了 20 年时间合作开发这套复杂光学器件。“将专利概念变成现实需要做大量的工作,”Erik Loopstra 说道,他与 Vadim Banine 一起领导了ASML与蔡司的联合研发团队,“自由曲面光学器件将 EUV 光沿着 10米长的光路聚焦到纳米级光斑,这就像在月球上打高尔夫球一样,而测量是完成任务的关键,一切你能测量的东西,都可以制造。”

2011年7月,ASML/IMEC完成对EUV原型机/概念机的各种内部验证后,第一台研发型EUV光刻机(NXE3100)通过专门的大型货运飞机抵达台积电位于新竹科技园区的研发基地;2013年,ASML交付给了台积电第二台的改进后的EUV光刻机(NXE3300);2016年1月,ASML交付给了台积电接近最后一款改进型的EUV光刻机型号(NXE3350)……

伴随着光源和光学问题的解决,EUV光刻机终于从ASML的工厂走向各大晶圆厂,从试验原型变为量产版本,2019 年,首款采用 EUV 光刻技术的商用产品发布(三星 Galaxy Note10系列),如今的旗舰手机均仰赖于EUV光刻的使用。

2020 年 12 月,ASML 庆祝了 EUV 系统的第 100 次出货,而截至 2021 年底,全球有 127 台最新一代的 EUV 机器在客户处投入使用,ASML的技术高级副总裁 Jos Benschop表示:“我曾经天真地说EUV 会在 2006 年量产,最终它晚了 13 年,但许多人认为这个东西永远不会存在。”

时间拨回到上世纪80年代,大概没人会相信,那位日本工程师的技术创想,会在三十多年后扎根在欧洲荷兰,成为了全世界半导体延续摩尔定律的关键呢?

High NA争夺战

EUV的热销并不意味着技术的停滞,而是意味着新一轮的技术发展。

目前ASML的EUV光刻机的光源波长在13.5nm左右,物镜的NA数值孔径是0.33,NA是光学系统的数值孔径,表示光线的入射角度,使用更大的NA透镜可以打印出更小的结构,对于2nm甚至是更先进的制程来说,0.33的NA已经不太够用了。

正在路上的第二代EUV光刻机EXE则做了重大改进:其物镜的NA将提升到0.55,也就是所谓的High NA EUV,进一步提高了光刻精度,ASML表示,与 NXE 一样,EXE同样用到了 EUV,但新平台能够让芯片尺寸减小1.7倍,并将晶体管密度提高2.8倍。

ASML也详细讲述了新机器的几大好处。

成像更清晰。EXE 采用了变形光学的巧妙设计,该系统的镜子不是均匀地缩小正在打印的图案,而是在一个方向上将其缩小 4 倍,在另一个方向上缩小 8 倍。该解决方案减少了光线照射十字线的角度并避免了反射问题。重要的是,它还允许芯片制造商继续使用传统尺寸的掩模版,从而最大限度地减少了新技术对半导体生态系统的影响。

更高的生产效率。而后EXE采用了更快的晶圆和掩模版台, EXE 系统中的晶圆台加速至 8g,是 NXE 晶圆台速度的两倍,EXE 的十字线阶段的加速速度是 NXE 的四倍,也就是32g,其相当于一辆赛车在 0.09 秒内从 0 加速到 100 公里/小时。

更简单的制造工艺。EXE的 CD 为 8 nm,使芯片制造商能够简化其制造流程,也能更经济高效地生产先进微芯片。

更快的投产。ASML尽可能多地重复使用现有的 EUV 技术,并且仅更改提供系统分辨率和生产力增强所需的方面。EXE 系统由可以在集成到完整系统之前进行独立测试的模块组成。这些模块简化了系统的安装和集成到客户晶圆厂的过程,客户将在 2024 年至 2025 年开始研发,并在 2025 年至 2026 年进入大批量生产。

更优秀的芯片,EXE的 8 nm 分辨率意味着厂商可以将更多晶体管封装到单个芯片中,这也就意味着芯片将能够用更少的资源做更多的事情,用相同的面积,实现更强的性能与更优的功耗。

既然High NA这么好,那么现在大家应该都在疯狂给ASML下订单才对,但事实情况并非如此,目前能有魄力向ASML下High-NA EUV 光刻机订单的,除了研究机构外,有且只有三家,分别是台积电、英特尔和三星。

其中,英特尔在High-NA EUV上表现得尤为热衷,据Trendforce 称,英特尔将获得可能于 2024 年发货的 10 台High NA ASML 工具中的 6 台,且还有消息指出,英特尔将获得第一台High NA EUV光刻机。

三星也有明确意向采用High-NA EUV,副董事长 Kyung Kye-hyun 表示“三星已经获得了High NA 设备技术的优先权”,最近ASML还宣布于韩国投资 7.55 亿美元,第二台High-NA EUV有很大可能花落三星。

目前拥有最多EUV光刻机的台积电却好像慢了半拍,台积电于 2022 年底开始量产 3 纳米芯片,并计划于 2025 年开始量产 2 纳米芯片,但在High-NA EUV上,目前没有一个明确的布局,SemiAnalysis 的分析师甚至表示台积电要到 2030 年之后才会真正开始采用High-NA EUV。

这是出了什么问题,难道在台积电看来,High-NA EUV还不够先进吗?

答案可能和很多人想的不一样,其实还是High-NA EUV太贵了,High-NA EUV 光刻机的价格将介于3.5 亿至 4 亿美元,作为对比,目前热销的EUV 光刻机单价为1.5 亿至2 亿美元,翻了两倍有余,即使是不吝啬于投资的台积电也出现了动摇。

实际上,台积电早期愿意购入 ASML 的 EUV 光刻机,很大程度是因为拿到了苹果的部分补贴,当时苹果正在将其生产从三星转移出去,需要台积电来大规模代工其芯片,而在苹果介入之前,台积电并不是很愿意采用这项昂贵的技术。

如今苹果就没有当初那么大方了,有传言称,这家科技巨头不会为代工厂的High-NA EUV升级买单,没了大老板买单,做小弟的也就不急着自己掏腰包了。

台积电作为一家代工厂,升级设备的驱动力并非来自于自身,而是大客户的需求,这一点极大程度上影响了台积电对于技术升级的选择,包括CoWoS的最初遇冷后,台积电改换包装,推出扇出型晶圆级封装(InFO FOWLP),让苹果为自己的先进封装买单,如今台积电何时上马High-NA EUV,恐怕还得看苹果在2nm之后自研芯片的进度。

而英特尔的热衷,自然是因为在EUV上吃过的亏,台积电正是因为ASML的EUV光刻机的帮助,才在16nm后反超英特尔,至今依旧保持着制程上的领先,正在大力推行IDM 2.0的英特尔,自然不会放过来之不易的机会。

而从另一种角度来说,台积电可能还需要看苹果的脸色吃饭,作为代工厂,它本身的资本也足够雄厚,但它不能自己造芯片来卖,正所谓得也代工,失也代工,如果用上了新技术,但却没有客户愿意多花钱,那不就是自己亏本吗?向来追求平稳本分的台积电,肯定是不愿意冒这个险的。

而英特尔就没有那么多顾忌,自家早已画好了路线图,从Intel 7到Intel 4再到Intel 3,最后进入到20A和18A,只要英特尔还在设计新处理器,那晶圆厂就永远不愁订单,最终买单的实际上是庞大的消费者、企业和机构,相较于背靠一两位“大款”的台积电,英特尔显然更有底气去下High-NA EUV的订单。

今年1月5日,英特尔表示已经收到了ASML High-NA EUV光刻机的主要组件,光是运输它就需要 13 个卡车大小的集装箱和 250 个板条箱,而组装完成后,这台设备会达到 3 层楼的高度,英特尔甚至还要扩建现有的晶圆厂来容纳这个庞然大物。

在High-NA这场角力中,英特尔无疑是占据了上风。

谁是未来?

ASML 早在 2022 年就宣布,会在 2027 年至 2028 年期间每年生产 20 台High-NA EUV 光刻工具,今年早些时候还透露,其High-NA EUV积压订单的数量达到两位数,其认为High-NA EUV会逐步替代EUV成为主流,成为更多厂商的选择。

但有一部分研究机构的分析师提出了质疑,他们表示,至少对于一些芯片制造商来说,使用该公司的下一代High-NA EUV几乎没有经济意义,意指台积电未第一时间采用High-NA EUV光刻机这件事。

ASML当然不会坐视,很快对该观点进行了反驳,在接受Bits and Chips采访时,ASML首席财务官表示,High-NA 正在步入正轨且健康发展,分析师低估了其收益,ASML 首席执行官也在财报电话会议上表示,新技术“显然是逻辑和内存方面最具成本效益的解决方案”。

为什么ASML这么有底气,主要还是EUV目前的瓶颈。台积电在最新的N3B工艺里,为了继续提升晶体管密度,只能在低孔径光刻机上使用双重曝光的方法,这不是台积电第一次这么做了,在7nm节点上,台积电就曾使用过DUV的双重曝光,如今又在EUV上如法炮制。

ASML 认为,采用双重曝光会带来某些缺点,如生产时间更长,良率更低,甚至可能影响芯片的性能,而EXE:5000 的 8 nm关键尺寸 (CD),让芯片制造商可以简化其制造流程,彻底弥补上述这些缺点。

考虑到此前曝出苹果与台积电的秘密协定,即3nm节点上,苹果不会按照标准的晶圆价格付费,仅向台积电支付合格芯片的费用,其良率多半是不容乐观,ASML的说法也不无道理。

没有太多过往包袱的英特尔,已经大步迈向High-NA,而拥有最多EUV光刻机的台积电,它的面前出现了一道两难选择题,是选择一劳永逸去掉双重曝光的步骤,现在就多花成本买入新光刻机?还是先忍一忍低良率和低生产率,将就着用现在的光刻机?

EUV已经在过去10年里成功证明了自己的价值,如今High-NA EUV已成新风潮,谁又能拿下最多的订单,获得未来的主动权呢?         

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标签: EUV光刻
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