世界上最进步前辈的EUV光刻机,为什么只有荷兰阿斯麦公司做出来了?

世界上最进步前辈的EUV光刻机,为什么只有荷兰阿斯麦公司做出来了?

湔雪= 湔雪

在制造芯片的过程中,光刻工艺无疑最关键、最复杂和占用时间比最大的步骤。光刻定义了晶体管的尺寸,是芯片生产中最核心的工艺,占晶圆制造耗时的40%到50%。光刻机在晶圆制造设备投资额中约占23%,再考虑到光刻工艺步骤中的光刻胶、光刻气体、光罩(光掩膜板)、涂胶显影设备等诸多配套设施和材料投资,实则整个光刻工艺占到了芯片成本的三分之一左右。

简单来说,光刻的原理是,在硅片上覆盖一层具有高度光敏感性的光刻胶,再用紫外光透过掩模照射在硅片上,被光线照射到的光刻胶会发生化学反应。此后用特定显影液洗去被照射/未被照射的光刻胶,就完成了把电路图从掩模转移到硅片上。一般的光刻工艺,要经过气相成底膜、旋转涂胶、软烘、对准与曝光、曝光后烘培、显影、坚膜烘培、显影检查等工序。

研发和制造光刻机,并非某个企业就能够单独完成。光刻作为晶圆制造过程中最复杂、最重要的步骤,主要体现在光刻产业链高度复杂,需要很多顶尖企业相互配合才可以完成。一是作为光刻核心设备的光刻机组件复杂,包括光源、镜头、激光器、工作台等组件技术往往只被全球少数几家公司掌握;二是作为与光刻机配套的光刻胶、光刻气体、光罩等半导体材料和涂胶显影设备等,同样拥有不低的技术含量。

上个世纪50年代末,仙童半导体发明了掩膜版曝光刻蚀技米,由此拉开了现代光刻机发展的序幕。在阿斯麦(ASML)成立以前,用于光刻机的光源还是以高压汞灯为主,ArF、KrF等准分子激光光源概念刚刚被人提出,光刻机工艺技术从接触式,接近式发展到步进投影式。而于1984年成立的阿斯麦公司,目前已是全球光刻机市场的霸主。在浸没式DUV深紫外光刻机市场的占有率达97%,在EUV极紫外光刻机市场的占有率更是达到100%。根据阿斯麦的营收规模,现在也已跻身全球前三大半导体设备厂商之一。

回顾阿斯麦在过去36年的发展历程,面对美国、日本等商业竞争对手,阿斯麦主要通过两个关键节点逐步登上全球光刻机霸主的宝座,分别是浸没式系统的应用和EUV产业链的构建。按这两个节点,阿斯麦的发展历程大致分三个阶段:从1984年到20世纪末,阿斯麦凭借PAS5500系列在光刻领域占得一席之地;从2000年到2010年。阿斯麦凭借浸没式光刻技术实现弯道超车,而且一举击溃尼康,自此成为全球头号光刻机设备厂商;2010年以后,阿斯麦全力打通EUV光刻机产业鏈,且成功推出EUV光刻机,在高端光刻市场占据绝对垄断的地位。也可以说,全球有且只有阿斯麦一家厂商,能够向台积电、三星电子和英特尔等下游客户出货EUV光刻机。

阿斯麦长期致力于打通全球光刻产业链。是逐渐垄断整个光刻市场的关键所在。由于阿斯麦在全球高端光刻市场居于统治地位,众多配套材料和设备厂商纷纷追随阿斯麦产品的技术工艺。配套光刻气体方面,美国空气化工产品、英国林德集团均有相应布局,日本合成橡胶、东京应化、信越化学和富士胶片等日本企业,则统治了光刻胶市场,仅有美国杜邦公司有一定竞争力。配套设备方面,光刻工序中的涂胶显影设备主要被日本东京电子、DNS、德国苏斯微,以及中国台湾亿力鑫占据。阿斯麦已经为自己构建了世界上最全面且最强大的光刻机供应链体系。

摩尔定律的进步伴随着工艺与设备的双重突破,而光刻设备又是作为推动摩尔定律一路向前行的核心设备。迄今为止,光刻机先后历经了五代。伴随着制程工艺的精度持续提升,光刻机的复杂程度随之提高。当前,全球最先进的光刻机,便是阿斯麦生产制造的EUV光刻机。很多人好奇的是,只有阿斯麦能够供应的EUV光刻机到底有多难造呢?

对于EUV光刻机,有90%的关键设备来自国外而非荷兰本国;阿斯麦作为整机厂商,只是负责光刻机的研发设计和模块集成,还需要全而精的上游产业链作为坚实支撑。透视阿斯麦的5000多家供应商,其中与产品相关的供应商,即提供直接用于生产光刻系统的材料、设备、零部件和工具,此类别就包括了790家供应商,占阿斯麦公司总开支的65%左右。

EUV的波长只有13.5纳米,穿透物体时散射吸收强度较大,使得光刻机的光源功率要求极高。此外,机器内部得是真空环境,避免空气对EUV的吸收,透镜和反射镜系统也极致精密,配套的抗蚀剂和防护膜的良品率也需要更先进的技术去提升。一台EUV光刻机的重量高达180吨,内部超过10万个零件,需要40个集装箱运输,安装调试也要超过一年的时间。总而言之,EUV光刻机几乎逼近物理学、材料学以及精密制造的极限。所以,EUV光刻机不仅是顶级科学的研究,也是顶级精密制造的学问。

2010年,阿斯麦公司首次推出概念性EUV光刻系统NXE 3100,从而开启光刻系统的新时代。2013年,阿斯麦推出第二代EUV系统NXE 3300B,但是精度与效率不具备10纳米以下制程的生产效益。2015年,阿斯麦又推出第三代EUV光刻系统NXE 3350。2016年,第一批面向生产制造的EUV系统NXE 3400B开始批量发售,NXE 3400B的光学和机电系统在技术上均有所突破,极紫外光源的波长缩短至13纳米,每小时处理晶圆125片,或者每天可处理晶圆1500片,连续4周的平均生产良率可达80%,兼具高生产率和高精度。2019年,阿斯麦推出的NXE 3400C更是将产能提高到每小时处理晶圆175片。目前,阿斯麦在售的EUV光刻机包括NXE 3400B和NXE 3400C两种机型。

EUV光刻机的成功,主要源于阿斯麦全面打通了光刻机上游产业链。在EUV光刻机超过10万个零件中,来自美国硅谷集团的微激光系统、德国蔡司的镜头和西盟科技的EUV光源是最重要的三环。1997年,英特尔牵头创办了EUV LLC联盟,随后阿斯麦作为唯一的光刻机设备制造商加入该联盟,彼此共享研究成果。2000年,阿斯麦收购了美国光刻机巨头硅谷集团(SVGL)。2012年,阿斯麦收购EUV光源提供商西盟科技(Cymer),此前,阿斯麦和西盟就合作已久。到了2016年,阿斯麦取得了光学镜片龙头厂商德国卡尔蔡司24.9%的股份,以加快推进更大数值孔径的EUV光学系统。通过这些收购,阿斯麦几乎參与了整个EUV光刻上游产业链。但收购美国企业的过程,使得阿斯麦必须同意在美国建立一所工厂和一个研发中心,以此满足所有美国本土的产能需求。另外,阿斯麦还需要保证55%左右的零部件均从美国供应商处采购,并接受定期审查,这也为日后阿斯麦向中国公司出口光刻机受到美国管制埋下了伏笔。

由于上游厂商零部件供应不足,比如德国卡尔蔡司的镜头,阿斯麦的EUV光刻机产量一直不高。然而,下游市场对7纳米及以下制程工艺的需求却又十分旺盛。2011年,台积电、三星电子和英特尔共同收购阿斯麦23%的股权,以帮助阿斯麦提升研发预算,同时也享受EUV光刻机的优先供货权。近年来,阿斯麦已经出货的EUV光刻机,主要优先供应给台积电、三星电子和英特尔等有紧密合作关系的下游客户厂商。目前所有中国企业中,只有中芯国际向阿斯麦订购了一台EUV光刻机,原计划于2019年交付,但直到现在,阿斯麦仍没有向中芯国际交付。

自2010年第一台EUV光刻机面世起,阿斯麦的EUV光刻机出货量呈增长趋势,尤其是2017年开始大幅增加产能,到2019年已经实现年出货量26台。由于EUV光刻机有着十分复杂的结构和系统,在市场上的售价也逐年上升,2019年,阿斯麦销售的26台EUV光刻机,占该年光刻机总销售量的11.4%,销售金額达30亿欧元,占该年光刻机总销售金额的33.6%。EUV光刻机的单价达到了惊人的1.15亿欧元,约合1.3亿美元,约合9.2亿元人民币,两倍于浸没式光刻机的售价。

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