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(jìng)相爭(zhēng)奪采購(gòu)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(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?
半導(dǎo)體大廠
競(jìng)相購(gòu)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(jìng)爭(zhēng)形勢(shì),用“得EUV者得先進(jìn)工藝”來形容并不為過。臺(tái)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(zhēng)奪優(yōu)勢(shì)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(huì)長(zhǎng)李在镕訪問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(gòu)買的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,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(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。
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)、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(tái)積電等廠商依然積極采購(gòu)。
臺(tái)積電在日前舉行的法說會(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,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(huì)繼續(xù)適用。
存儲(chǔ)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(chǔ)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(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(jí)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(jí)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(duì)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(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。現(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(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)工藝的探索和開發(fā)。”
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(shì)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(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。”采用EUV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,與EUV沒有直接聯(lián)系的工序數(shù)也會(huì)增加。國(guó)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(guó)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(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)羅門哈斯等,所占市場(chǎng)份額超過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、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(guó)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(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)來說成本高昂,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。”中國(guó)電子科技集團(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(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)的問題。據(jù)專家介紹,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
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