ASML分享新一代光刻机进展，国产的怎么样了？

为了顺利用上极紫外光刻（EUV）技术来生产芯片，半导体行业耗费了十多年时间才走到今天这一步。不过从荷兰阿斯麦（ASML）最近更新的 2024-2025 路线图来看，抵达具有高数值孔径的下一阶段，所需时间将要少得多。据悉，当前市面上最先进的芯片，已经用上了 5 / 4 nm 的制造工艺。

（via AnandTech）

借助 ASML Twinscan NXE:3400C 或类似的系统，结合具有 0.33 数值孔径（NA）的光学旗舰，机器能够提供 13 nm 的精度。

对于单模方法的 7 / 6 nm（间距 36~38 nm）和 5nm（间距 30~32 nm）的工艺节点来说，这样的精度已经足够。

对随着半导体行业向 5 nm 以下（间距 < 30 nm）转进，未来几年可能就需要用到双光刻曝光了。

而在后 3nm 节点，ASML 及其合作伙伴正在开发一套全新的 EVU 工具 —— 它就是具有 0.55 高 NA 镜头、能够实现 8 nm 精度、有望消除在更先进制程节点上使用多重曝光的 Twinscan EXE:5000 系列。

新款高 NA 扫描仪仍在开发之中，预计其结构将异常复杂、庞大、且昂贵 —— 每台成本将超过 4 亿美元。

几周前，ASML 透露其高数值孔径 Twinscan EXE:5200 系统（EUV 0.55 NA）在 2022 年 1 季度收到了来自逻辑和 DRAM 客户的多份订单。

此外路透社上周报道称，该公司在五月份澄清将于 2024 年交付试点用的高 NA 扫描仪订单，并将从 2025 年开始交付具有更高生产力的后续型号（超 5 份订单）。

有趣的是，早在 2020 - 2021 年，ASML 就表示已收到来自三大客户的 High-NA 购买意向（无疑是英特尔、三星、台积电），且总计达到了 12 套。

至于 ASML 已开始着手打造的首套 High-NA 系统，其将于 2023 年完工，以供 Imec 和 ASML 客户开展相关研发工作。

光刻技术是使微电子和纳米电子器件在过去半个世纪中不断微缩的基础技术之一，光刻制造是晶圆制造最关键、最复杂和时间占比最高的环节。

目前，全球光刻机已由荷兰ASML、日本尼康和佳能公司完全垄断。据芯思想研究院（ChipInsights）数据，2020年上述三家公司半导体用光刻机出货413台，较2019年的359台增加54台，涨幅为15%。其中，ASML公司出货258台，占比62.47%；尼康公司出货31台，占比7.51%；佳能公司出货122台，占比29.54%。

在10纳米节点以下，ASML稳稳占据100%的市场，佳能和尼康等同业竞争对手已无力追赶。如果芯片制造商想要生产10纳米节点以下的芯片，必须得有ASML供应的EUV光刻机及相应的支持服务。

 

欧洲微电子研究中心（IMEC）宣布了3纳米及以下光刻工艺的技术细节，并表明ASML公司已经明确了3纳米、2纳米、1.5纳米、1纳米甚至1纳米以下的芯片制程技术路线图。而日本、美国等国的许多半导体公司出于成本考虑，已经停止了光刻工艺小型化的研究。IMEC和ASML的合作或将进一步推动超精细芯片制程的研发，延续“摩尔定律”。

新款EUV光刻机重达 200 多吨，有“双层巴士”那么大，旨在生产可用于手机、笔记本电脑、汽车以及人工智能等领域的计算机芯片上所需的微观电路。EUV，即 ASML 最先进的机器所使用的光波波长，是指电磁波谱中波长从 121 纳米到 10 纳米电磁辐射所在的频段。

ASML 的机器每台成本高达 1.6 亿美元，但是机器短缺是芯片制造商正面临的瓶颈。因此，芯片制造商们计划在未来几年花费 1000 多亿美元建造额外的制造工厂，以便满足客户需求。此前，台积电在 2010 年代末首次整合了 ASML 的 EUV 机器，借此一举超越竞争对手。

在缩小芯片制程上，EUV 光刻机承担着重要作用。“High-NA”技术有望将电路面积降低 66%。在芯片制造中，越小的才越好。因为在同一空间中封装的晶体管越多，芯片就越快、越节能。

但在复杂部件的集成上，ASML 仍存在巨大挑战，其中就包括由德国卡尔蔡司在真空中制造的抛光、超光滑曲面镜的光学系统。回顾过往，自 2000 年以来，ASML 从日本竞争对手尼康和佳能手中快速夺取了市场份额。自那时至今，ASML 控制着超过 90% 的高端光刻机市场。以至于没有任何竞争对手敢以高开发成本，去构建类似的 EUV 系统。

虽然 ASML 在业内享有近乎垄断的地位，但是“定价取决于机器生产力”。与此同时，有能力生产领先芯片的公司数量正在减少，ASML 又必须向其出售 EUV 工具，其中也包括内存芯片制造商 SK 海力士和美光。

ASML光刻机的工作原理

ASML光刻机的简易工作原理图

简单介绍一下图中各设备的作用：

测量台、曝光台：承载硅片的工作台，也就是双工作台。一般的光刻机需要先测量，再曝光，只需一个工作台，而ASML有个专利，有两个工作台，实现测量与曝光同时进行。而本次“光刻机双工件台系统样机研发”项目则是在技术上突破ASML对双工件台系统的技术垄断。

激光器：也就是光源，光刻机核心设备之一。

光束矫正器：矫正光束入射方向，让激光束尽量平行。

能量控制器：控制最终照射到硅片上的能量，曝光不足或过足都会严重影响成像质量。

光束形状设置：设置光束为圆型、环型等不同形状，不同的光束状态有不同的光学特性。

遮光器：在不需要曝光的时候，阻止光束照射到硅片。

能量探测器：检测光束最终入射能量是否符合曝光要求，并反馈给能量控制器进行调整。

掩模版：一块在内部刻着线路设计图的玻璃板，贵的要数十万美元。

掩膜台：承载掩模版运动的设备，运动控制精度是nm级的。

物镜：物镜由20多块镜片组成，主要作用是把掩膜版上的电路图按比例缩小，再被激光映射的硅片上，并且物镜还要补偿各种光学误差。技术难度就在于物镜的设计难度大，精度的要求高。

硅片：用硅晶制成的圆片。硅片有多种尺寸，尺寸越大，产率越高。题外话，由于硅片是圆的，所以需要在硅片上剪一个缺口来确认硅片的坐标系，根据缺口的形状不同分为两种，分别叫flat、notch。

内部封闭框架、减振器：将工作台与外部环境隔离，保持水平，减少外界振动干扰，并维持稳定的温度、压力。

首台国产28纳米工艺浸没式光刻机有望交付

我国在光刻机方面的技术积累和人才储备相对不足，虽无法制造高端光刻机，但可以制造一些低、中端的光刻机。

2008年起，我国开始重视光刻机的研发。为推动我国集成电路制造产业的发展，国家决定实施科技重大专项“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”项目（又称“02专项”）。在该项目下，我国研究团队一路攻坚克难，国产首套90纳米高端光刻机已经研制成功。

2019年4月，武汉光电国家研究中心甘棕松团队通过2束激光，在自研的光刻胶上，突破光束衍射极限的限制，并使用远场光学的办法，光刻出最小9纳米线宽的线段。该成果一举实现光刻机材料、软件和零部件的三大国产化。

2020年6月，上海微电子设备有限公司透露将在2021—2022年交付首台国产28纳米工艺浸没式光刻机。这意味着国产光刻机工艺从以前的90纳米一举突破到28纳米。

虽然国产28纳米光刻机与已面世的5纳米顶尖制程存在较大差距，但常见的射频芯片、蓝牙芯片、功放芯片、路由器上的芯片、各种电器的驱动芯片等非核心逻辑芯片，仍采用28~90纳米工艺。

在光刻工艺进入28纳米以下制程之后的较长一段时间里，16纳米和14纳米制程的成本一度高于28纳米，与摩尔定律的运行规律相反，这也使得28纳米制程工艺极具性价比。在实际应用中，28纳米光刻机不仅能用来生产28纳米芯片，更有望通过多重曝光的方式生产14纳米、10纳米、7纳米芯片。尽管我国自主光刻机与外国先进水平仍有不小代差，但未来可期。