光刻机三巨头的殊途同归

  说到光刻机,大家第一反应是什么?笔者第一反应是ASML,第二反应是价格特别昂贵,第三反应是我国卡脖子技术。不知不觉中,ASML似乎成了光刻机的代名词,这个想法如果被上世纪八九十年代的尼康和佳能知道,可能要气得直吹胡子,“哪里来的毛头小子,也敢和我比肩”。

  不过,现实就是这么残忍,正所谓“三十年河东,三十年河西”。在四五十年后的今天,当初的毛头小子成为了如今手持几十台“印钞神兽”的霸主,占据了全球80%的光刻机营收份额,而曾今的巨头只能沦为二三线,但说到底也是曾经称霸一方的巨头,即使远不敌当年骁勇,但也不会轻易舍弃光刻机这一杯羹。

  面对越来越火热的芯片产业,ASML在EUV道路上一路狂奔,佳能和尼康却“独辟蹊径”,试图在独特路线上通过差异化来获取竞争优势。

  “如果我们交不出EUV,摩尔定律就会从此停止。”ASML首席执行官Peter Wennink在2017年曾如是说过,这句话很嚣张,但无人可以反驳。从本世纪初开始,就不断有人预言摩尔定律将死,如今摩尔定律已经成功迎来了第57个年头,全球芯片工艺进程也在向3nm,甚至更先进的方向迈进,而实现这一切的大功臣就是ASML的EUV光刻机。

  EUV光刻机也叫做极紫外光刻机,工艺极其复杂。ASML EUV光刻机使用 13.5 nm 的波长,由来自全球近800家供货商的多个模块和数十万个零件组成,每个模块都在ASML遍布全球的60个工厂中完成生产,然后运往维尔德霍温进行组装,运输一套EUV曝光机需要20辆卡车,或者三架满载的波音747飞机。其内部结构大概如下:

  从ASML 官方消息来看,EUV技术从1994年就开始工业化,由ASML参加的联盟交付了第一个原型。2006 年 8 月,ASML向美国奥尔巴尼的纳米科学与工程学院和比利时鲁汶的 imec 运送了世界上第一台 EUV 光刻演示工具。2013年,第一个 EUV 生产系统 TWINSCAN NXE:3300 发货。

  站在现在回看过去,寥寥数笔似乎就可以概括当时研发EUV光刻机的那段历史,但事实上研发过程十分艰难,主要问题在于EUV研发实在是太费钱了,风险巨大。在当时看来,它就像一个无底吞金“黑洞”,大把大把的钱砸进去都不一定能听到个响。但ASML砸了,官方消息显示,ASML 在 17 年间在 EUV 研发上投入了超过 60 亿欧元。

  如今,先进制程已经来到了3nm的交叉路口,台积电和三星都表示将在今年量产3nm,而他们量产所用的光刻机应该就是ASML最新一代0.33 NA光刻系统TWINSCAN NXE:3600D。那么3nm以后,摩尔定律又该如何“续命”?ASML日本(东京都品川区)的藤原祥二郎社长表示,“摩尔定律预计未来10年后还会持续下去,以此为中心支撑的是最先进的EUV光刻机”。近期,阿斯麦公众号也指出:“只要我们还有想法,摩尔定律就会继续生效!”

  从ASML 透露的消息可以看出,ASML正在开发下一代 EUV 平台,将数值孔径 (NA) 从 0.33 增加到 0.55,可以支持多个未来节点。

  据了解,ASML 下一代EUV 0.55 NA平台有望使芯片尺寸减小1.7倍,进一步提高分辨率,并将微芯片密度提高近3倍。第一个EUV 0.55 NA平台早期接入系统预计将在2023年投入使用,预计客户将在2024-2025年开始研发,2025-2026年进入客户的大批量生产。ASML预计在2025年之前拥有大约20台0.55 High-NA EUV。

  在产能方面,过去十年,ASML总共售出大约140套EUV光刻机。但在未来,EUV光刻机想必会越来越吃香,毕竟除了逻辑芯片外,一直采用成熟制程的存储芯片厂商也开始加入战局。

  去年8月,美光CEO Sanjay Mehrotra在采访中确认,美光已将EUV技术纳入DRAM技术蓝图,将由10nm世代中的1γ(gamma)工艺节点开始导入。作为长期批量协议的一部分, 美光已从 ASML 订购了多种 EUV 工具。此外,SK 海力士也强调了 EUV 的重要用途,与非 EUV 光刻相比,其 10nm DRAM 产品的每片晶圆的单位产量增加了 25%。

  为了满足不断增长的光刻机需求,ASML方面指出,于22Q1提高了产能扩张计划,预计到2024年产能扩张25%左右,到2025年形成90台0.33 NA EUV和约600台DUV产能。

  佳能在上世纪输出还是很猛的,在1970年发售了日本首台半导体光刻机PPC-1;1975年发售的FPA-141F光刻机,在世界上首次实现了1微米以下的光刻;1984年推出了FPA-1500FA,分辨率为 1.0 μm;1994 年发布第一款 FPA-3000 系列,配备了分辨率为 0.35 μm 的 i-line 镜头,是当时世界上分辨率最高的镜头之一。

  算了算,今年是佳能正式投入半导体光刻机领域的第52周年,在上世纪被著名的干湿路线之争绊了一跤之后,佳能就有些赶不上ASML的步伐了。如今,佳能专注于低端产品,官网显示,佳能出售的光刻机涉及i-line到KrF级别,并没有浸入式光刻机,与EUV光刻机区别就在于光源波长的不同,EUV 技术所使用的光源波长为13·5纳米,而KrF技术则是248纳米,i线纳米。众所周知,对于光刻机来说,所用光源波长越短,越能描绘微细线宽的半导体电路。所以能感受到两者之间的差距了吧。

  虽然佳能光刻机低端,但近期热度却不小,据华尔街日报去年年底报道,1995年制造的二手光刻机佳能FPA3000i4,在2014年10月只值10万美元,今天则值170万美元。佳能日前公布的财报也指出安全摄像头以及光刻机推动业绩打仗,随着半导体设备投资的增加,佳能的光刻机业务还会持续增长。

  不过“啃老”总归不长久,创新才是真的出路。在EUV领域想要赶超ASML几乎是不可能的了,那不如就换个方向,而佳能选中的就是“纳米压印光刻(NIL)”。佳能官方对NIL是这么介绍的,这种方法具有简单、紧凑、能够以低成本制造芯片的优点。

  确实,相比EUV光刻机复杂的结构以及难以提高生产率,NIL 只需要将形成三维结构的掩膜压在晶圆上被称为液体树脂的感光材料上,同时照射光线,一次性完成结构的转印的方法。不需使用EUV光刻机,也不需要使用镜头,而且还可以将耗电量可压低至EUV技术的10%,并让设备投资降低至仅有EUV设备的40% ,可以说是“省钱小能手”。

  官方消息显示,佳能早在2004 年就开始研发NIL技术,2014年美国分子压印公司(现佳能纳米技术)加入佳能集团的消息公开,明确表示将使用纳米压印法进行开发。2021 年春季,大日本印刷在根据设备的规格进行了内部模拟,发现在电路形成过程中每个晶片的功耗可以降低到使用EUV曝光时的大约1/10,根据大日本印刷的说法,NIL量产技术电路微缩程度则可达5nm节点。2017 年 7 月,佳能纳米压印半导体制造设备“FPA-1200NZ2C”设备交付给东芝存储器四日市工厂。

  东芝存储器四日市工厂调整纳米压印半导体制造设备“FPA-1200NZ2C”

  在佳能开发人员首藤真一看来,这种纳米压印设备是一种将创造未来的设备。未来,半导体会变得更精细,不仅会被封装在智能手机中,未来还会被用作贴纸,比如贴在人体皮肤上或隐形眼镜上。他相信只有纳米压印方式才能以客户要求的成本和速度实现这一点。

  从目前透露的消息来看,和佳能共同开发的NIL技术的铠侠已掌握NIL 15nm的制程量产技术,目前正在进行15nm以下技术研发,预计2025年进一步达成。不过佳能方面还未透露出设备量产的消息,实用化的时期还不明确,我们可以期待下。

  说完了佳能,再来聊聊尼康。尼康在上世纪末是当之无愧的光刻机巨头,从 80 年代后期至本世纪初,尼康光刻机市场占有率超50%,代表着当时光刻机的最高水平。这点从尼康官网半导体光刻系统历史发展也可以看出,1980年出货 NSR-1010G(分辨率:1.0 µm),从1984年开始,几乎每年都会出货至少1款光刻机。

  那时候尼康的光辉事迹密密麻麻可以写满了好几页,不过,和佳能一样,本世纪初的那场干湿路线之争成为了转折点。如今的尼康虽然凭借多年技术积累位居光刻机二线供应商地位,但份额已经极大的缩小了。2021年度,Nikon光刻机业务营收约112亿元人民币,出货了29台集成电路用光刻机,较2020年减少4台。

  目前,在光刻机技术方面,尼康主推ArF浸没式技术,大部分精力都在Arf和i-line光刻机领域。ArF光刻机也就是DUV光刻机,光源波长达到193nm,波长的限制使得DUV无法实现更高的分辨率,因此DUV只能用于制造7nm及以上制程的芯片。

  不过这也说明了,相比佳能,尼康的光刻机更先进一点。虽然DUV光刻机也是ASML的专场,但尼康仍然有野心追赶ASML,专注于研发ArF液浸。尼康官网提到下一代光刻系统是这么说的:随着小型化的进展,达到了阻止现有光刻技术处理较小尺寸的理论障碍,这个问题的解决方案是浸入式光刻技术,尼康将其整合到其半导体光刻系统中。

  尼康常务执行董事滨谷正人曾断言,“ArF液浸作为尖端曝光装置使用的电路尺寸是主战场”。2018年,尼康推出了NSR-S635E ArF 浸没式扫描仪,该光刻机专为5nm工艺制程量产而开发,确保出色的聚焦稳定性并最大限度地减少缺陷以提高产量,以每小时高达 275 个晶圆的超高通量优化可负担性。

  到了2021年10月,尼康宣布开发NSR-S635E进阶版——NSR-S636E ArF 浸没式扫描仪,将提供卓越的覆盖精度和超高吞吐量,以支持最关键的半导体设备的制造,预计将于 2023 年开始销售。虽然尼康并未公布S636E更多的参数,但是作为NSR-S635E进阶版,量产5nm芯片应该不在话下。

  同佳能一样,在芯片热潮的带动下,尼康对光刻机业绩也给了很大的期望。今年3月,尼康发布了2022年度半导体曝光装置销量,预计将超过2019年度的业绩45台,将比2021年度的预测上增加13台以上,达近10年最高销量。此外,尼康今后将以物联网的发展为背景,建设半导体新工厂,预计到2024年度为止,销售台数都将保持稳定。

  结合尼康下一代光刻机的推出时间,我们可以期待两年后的尼康会有怎样的变化。

  如果你来自未来,或许那时候的芯片产业已经成功迈入了埃米时代,回头再看2022年,也许会像ASML过去研发EUV技术一样,寥寥数笔就囊括了所有光刻机厂商们所为之做出的努力。但要记得,在当下,在2022年,他们仍在探索着摩尔定律的“续命之道”。

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