EUV光刻，最終勝出！

來源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察

半個(gè)多世紀(jì)以來，半導(dǎo)體行業(yè)按照摩爾定律不斷發(fā)展，驅(qū)動(dòng)了一系列的科技創(chuàng)新。隨著器件尺寸越來越逼近物理極限，摩爾定律對(duì)新一代工藝節(jié)點(diǎn)研發(fā)是否依然奏效成為當(dāng)前全行業(yè)都在討論的問題。
其中，光刻是摩爾定律的前沿陣地。
自從1958年世界上出現(xiàn)第一塊平面IC開始，微電子技術(shù)之所以能夠創(chuàng)造如此偉大的奇跡，光刻技術(shù)立下了汗馬功勞。在所有半導(dǎo)體產(chǎn)品制造中，都需要通過光刻技術(shù)將電路圖形轉(zhuǎn)移到單晶表面或介質(zhì)層上，光刻技術(shù)的不斷突破推動(dòng)著集成電路密度、性能不斷翻倍，成本也愈加優(yōu)化。在過去的60年發(fā)展歷程中，光刻技術(shù)一次又一次突破分辨率極限，使得IC制造技術(shù)的工藝極限不斷被打破，摩爾定律不斷在延伸。
回顧光刻技術(shù)發(fā)展歷程，隨著工藝節(jié)點(diǎn)的不斷縮小，光刻技術(shù)主要經(jīng)歷了紫外光刻技術(shù)（UV）、深紫外光刻技術(shù)（DUV）和極紫外光刻技術(shù)（EUV）。光刻技術(shù)采用的光波長(zhǎng)也隨之從436nm、365nm、248nm，向193nm、13.5nm等延伸迭代。
1980s以來，光刻技術(shù)采用的光波長(zhǎng)變化（圖源：ASML）回溯產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)程，光刻光源被卡在193nm無法進(jìn)步長(zhǎng)達(dá)20年。從上圖也能看到，從193nm到13.5nm光波長(zhǎng)之間，出現(xiàn)了一大段“真空地帶”，光波長(zhǎng)從193nm到EUV的13.5nm中間，曾經(jīng)歷過哪些波折，留下了哪些故事。
時(shí)間退回到20世紀(jì)60年代，彼時(shí)距離ASML成立還有二十余年，集成電路已在美國(guó)加州海岸發(fā)展得如火如荼。
在集成電路制造全部流程中，光刻是最為關(guān)鍵的一環(huán)。光刻機(jī)的原理其實(shí)像幻燈機(jī)一樣簡(jiǎn)單，就是把光通過帶電路圖的掩膜(Mask)投影到涂有光敏膠的晶圓上。早期60年代的光刻，掩膜版是1:1尺寸緊貼在晶圓片上，那時(shí)的晶圓也只有1英寸大小。
圍繞光刻技術(shù)，GCA、Perkin-Elmer等公司開始了最初的技術(shù)與市場(chǎng)積累。在荷蘭飛利浦實(shí)驗(yàn)室終于開始研發(fā)光刻機(jī)之際，GCA已經(jīng)開發(fā)出了重復(fù)曝光光刻機(jī)，并將其推入了市場(chǎng)。
隨著集成電路結(jié)構(gòu)逐漸縮小，接觸式光刻逐漸難以滿足精度需求，產(chǎn)業(yè)開始尋求光刻技術(shù)全新的突破。
1970年代末，Perkin-Elmer憑借投影掃描光刻機(jī)獲得了90%的光刻市場(chǎng)，一躍成為半導(dǎo)體行業(yè)最大的設(shè)備供應(yīng)商。GCA也迅速推出第一臺(tái)步進(jìn)光刻機(jī)，與前者展開正面博弈。
直到1980年代初，美國(guó)的Prekin-Elmer和GCA主導(dǎo)著全球光刻機(jī)市場(chǎng)，日本的尼康、佳能開始顯現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭，開始從GCA和P&E手里奪下一個(gè)接一個(gè)大客戶。而荷蘭的飛利浦卻陷入了停滯狀態(tài)，1983年終于答應(yīng)與ASM合作，此時(shí)其光刻機(jī)研發(fā)已經(jīng)走到了窮途末路。
到了1984年，尼康已經(jīng)和GCA平起平坐，各享三成市占率。Ultratech占約一成，Eaton、P&E、佳能、日立等剩下幾家每家都不到5%。
同年，飛利浦與ASM合資創(chuàng)建的ASML成立，受不到重視的ASML被迫在飛利浦大廈外面的木板簡(jiǎn)易房里工作。
在競(jìng)爭(zhēng)與演進(jìn)中，時(shí)間來到八十年代中期，半導(dǎo)體市場(chǎng)陷入大滑坡。導(dǎo)致一幫光刻機(jī)廠商都碰到嚴(yán)重的財(cái)務(wù)問題，其中，入不敷出的ASM賣身自保，同時(shí)從ASML撤資；同樣受到影響的還有GCA和Prekin-Elmer，由于新產(chǎn)品開發(fā)停滯不前，這兩家曾經(jīng)的巨頭先后于1988年和1990年被General Signal和SVG收購(gòu)。
而彼時(shí)ASML還規(guī)模尚小，所遭損失不大，還可以按既有計(jì)劃開發(fā)新產(chǎn)品，得以在亂世中傴僂前行。而1980年還占據(jù)大半壁江山的美國(guó)三雄，到80年代末地位完全被日本雙雄取代。這時(shí)ASML還只有大約10%的市場(chǎng)占有率。
光刻技術(shù)的岔路口從另一個(gè)角度來看，光刻市場(chǎng)的變化也對(duì)應(yīng)著光刻技術(shù)的變遷。長(zhǎng)期以來，摩爾定律被集成電路產(chǎn)業(yè)奉為圭臬。為了延續(xù)摩爾定律，光刻技術(shù)就需要每?jī)赡臧哑毓怅P(guān)鍵尺寸(CD)降低30%-50%。這就引出一個(gè)公式：CD=K1*λ/NA。從公式可以看出，曝光關(guān)鍵尺寸與波長(zhǎng)、數(shù)值孔徑以及制程因子三個(gè)參數(shù)有關(guān)。根據(jù)訴求，降低曝光關(guān)鍵尺寸，只需降低波長(zhǎng)λ、增大數(shù)值孔徑NA或降低制程因子K1。
其中，縮短波長(zhǎng)是較為直接的手段。20世紀(jì)60年代到80年代中期的接觸式光刻機(jī)、接近式光刻機(jī)和投影式光刻機(jī)主要采用汞燈光源，其光譜線分別為g線（436nm）、h線（405nm）和i線（365nm）。
隨著技術(shù)演進(jìn)，后續(xù)陸續(xù)開始使用248nm的KrF激光，進(jìn)入1990年代，干式微影技術(shù)已經(jīng)難以維系摩爾定律的演進(jìn)，最終停滯在193nm波長(zhǎng)的DUV光刻技術(shù)上，這就是著名的ArF準(zhǔn)分子激光。
光刻機(jī)的光源波長(zhǎng)被卡死在193nm，成為了擺在全產(chǎn)業(yè)面前的一道難關(guān)，也導(dǎo)致芯片制程在65/45nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)上遇到了困難。
上世紀(jì)90年代后半期，大家都在尋找取代193nm光刻光源的技術(shù)，為了把193nm的光波“磨”細(xì)，大半個(gè)半導(dǎo)體業(yè)界都參與了進(jìn)來，分成兩隊(duì)人馬躍躍欲試：
尼康、佳能等公司主張用在前代技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用157nm波長(zhǎng)光源，走穩(wěn)健道路；新生的EUV LLC聯(lián)盟則押注更激進(jìn)的極紫外技術(shù)（EUV），用僅有十幾納米的極紫外光，刻10納米以下的芯片制程。
但技術(shù)都已經(jīng)發(fā)展到了這地步，不管哪一種方法做起來都不容易。
生不逢時(shí)的157nm干式光刻技術(shù)上面提到，光刻技術(shù)在追求更短波長(zhǎng)光源的技術(shù)上卡住了。
2002年以前，業(yè)界普遍認(rèn)為193nm光刻無法延伸到65nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)，而157nm將成為主流技術(shù)。
157nm光刻被稱為光學(xué)方法的極限，其光源采用氟氣準(zhǔn)分子激光，發(fā)出波長(zhǎng)157nm附近的真空紫外光，最初的應(yīng)用目標(biāo)是65nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)。
實(shí)際上，157nm波長(zhǎng)的光刻技術(shù)其實(shí)在2003年就有光刻機(jī)了。然而，157nm光刻技術(shù)遭遇到了來自光刻機(jī)透鏡的巨大挑戰(zhàn)。這是由于絕大多數(shù)材料會(huì)強(qiáng)烈地吸收157nm的光波，只有二氟化鈣（CaF2）勉強(qiáng)可以使用。但研磨得到的CaF2鏡頭缺陷率和像差很難控制，并且價(jià)格相當(dāng)昂貴，雪上加霜的是它的使用壽命也極短，頻繁更換鏡頭讓芯片制造業(yè)無法容忍。另外，157nm對(duì)193nm的波長(zhǎng)進(jìn)步只有不到25%，研發(fā)投入產(chǎn)出比太低。
正當(dāng)眾多研究者在157nm浸入式光刻面前躊躇不前時(shí)，時(shí)任臺(tái)積電資深處長(zhǎng)的林本堅(jiān)提出了193nm浸入式光刻的概念。
林本堅(jiān)認(rèn)為，與其在157nm上“撞墻”，倒不如倒退到193nm波長(zhǎng)但將介質(zhì)從空氣改為水，以水為透鏡在晶圓和光源間注入純水，目前主流采用的純凈水的折射率為1.44，所以ArF加浸入技術(shù)實(shí)際等效的波長(zhǎng)為193 nm/1.44=134 nm，從而實(shí)現(xiàn)更高的分辨率。
然而在當(dāng)時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)卻被尼康、佳能等頭部企業(yè)拒之門外，他們依然對(duì)干式光刻技術(shù)寄予厚望不想額外增加成本，而只有當(dāng)時(shí)并不亮眼的ASML接受了浸入式光刻技術(shù)。
浸入式光刻的成功開發(fā)是臺(tái)積電與ASML這兩家企業(yè)的重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)。2004年，ASML在臺(tái)積電的幫助下成功研發(fā)出首臺(tái)浸入式光刻機(jī)，并一舉拿下了多家大客戶的訂單。這后來也極大的促進(jìn)了臺(tái)積電和ASML的合作發(fā)展，為ASML后來超越尼康和佳能埋下了伏筆。隨后幾年，浸入式光刻占據(jù)了先進(jìn)節(jié)點(diǎn)工藝的主導(dǎo)地位，一直持續(xù)優(yōu)化，把工藝節(jié)點(diǎn)突破到22nm。
加上后來不斷改進(jìn)的高NA鏡頭、多光罩、FinFET、Pitch-split、波段靈敏的光刻膠等技術(shù)，浸入式193nm光刻機(jī)一直做到了芯片的7nm制程(蘋果A12和華為麒麟980)。
浸入式光刻的出現(xiàn)無形當(dāng)中宣判了干式微影光刻技術(shù)的死亡，在ASML推出浸入式193nm產(chǎn)品的前后腳，尼康也宣布其157nm產(chǎn)品以及EPL產(chǎn)品樣機(jī)完成。然而，浸入式屬于小改進(jìn)大效果，產(chǎn)品成熟度非常高，所以幾乎沒有人去訂尼康的新品。隨后，尼康也將目光轉(zhuǎn)向浸入式光刻技術(shù)，但始終落后一程。
從市場(chǎng)角度出發(fā)，作為上世紀(jì)九十年代最大的光刻機(jī)巨頭，尼康的衰落，始于157nm光源干刻法與193nm光源濕刻法的技術(shù)之爭(zhēng)。也正是這次冒險(xiǎn)的****注，ASML徹底擺脫了以往的窘境。與此同時(shí)，英特爾倒向ASML使得尼康失去了挑戰(zhàn)摩爾定律的勇氣。憑借浸入式光刻技術(shù)，ASML于2007年以60%的市占率超越尼康，成為光刻市場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)者。
對(duì)157nm來講，2003年是個(gè)銘記于心的年份，5月份英特爾公司突然宣布放棄157nm技術(shù)，將繼續(xù)使用193nm浸入式光刻技術(shù)進(jìn)行65nm及45nm的制程，并繼續(xù)拓展193nm浸入式光刻技術(shù)，使之能夠適應(yīng)更深層次的工藝需求，同時(shí)計(jì)劃采用極紫外光（EUV）來制作22nm以下的制程。
英特爾的此舉尤如重量級(jí)炸彈一樣，因?yàn)閷?shí)則上將157nm技術(shù)跳了過去。眾所周知，彼時(shí)的英特爾是全球光刻設(shè)備最大的買主，其任何動(dòng)作都將在全球半導(dǎo)體業(yè)界引起極大反響。而不采購(gòu)157nm光刻相關(guān)設(shè)備，則意味著英特爾放棄了這個(gè)被稱為傳統(tǒng)意義上光學(xué)極限的光刻技術(shù)。ITRS 2005路線圖實(shí)際上已經(jīng)把157nm光刻技術(shù)拋棄（圖源：中關(guān)村在線）到2010年，193nm液浸式光刻系統(tǒng)已能實(shí)現(xiàn)32nm制程產(chǎn)品，并在20nm以下節(jié)點(diǎn)發(fā)揮重要作用，浸沒式光刻技術(shù)憑借展現(xiàn)出巨大優(yōu)勢(shì)，成為EUV之前能力最強(qiáng)且最成熟的技術(shù)。光刻技術(shù)分水嶺（圖源：西南電子）作為ASML遇到的第一個(gè)“貴人”。臺(tái)積電在技術(shù)、人才、資金方面給了ASML很大幫助。憑借臺(tái)積電的“浸入式光刻技術(shù)”方案，ASML將光源波長(zhǎng)一舉從193nm縮短到134nm。此后，ASML開啟了快速蠶食光刻機(jī)市場(chǎng)的時(shí)代。
EUV光刻漸成主流
在業(yè)界尋求突破193nm光刻瓶頸時(shí)，EUV也是其中一個(gè)方向，然而受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，這項(xiàng)技術(shù)一直沒能實(shí)現(xiàn)。從1997年成立到2003年解散，EUV LLC聯(lián)盟集中全產(chǎn)業(yè)鏈之力，推進(jìn)了EUV光刻技術(shù)的研究進(jìn)程。

在22nm節(jié)點(diǎn)之后，DUV已經(jīng)很難再繼續(xù)優(yōu)化了。在研究了1990年代的幾種預(yù)期技術(shù)之后，半導(dǎo)體行業(yè)逐漸達(dá)成共識(shí)，極紫外（EUV）波長(zhǎng)的光刻技術(shù)是最好的前進(jìn)之路，成為近年來英特爾、臺(tái)積電、三星等芯片公司追捧的新寵。
由于157nm波長(zhǎng)的光線不能穿透純凈水，無法和浸入技術(shù)結(jié)合。因此，準(zhǔn)分子激光光源只發(fā)展到了ArF。通過浸沒式光刻和雙重光刻等工藝，第四代ArF光刻機(jī)最高可以實(shí)現(xiàn)22nm制程的芯片生產(chǎn)，但是在摩爾定律的推動(dòng)下，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)對(duì)于芯片制程的需求已經(jīng)發(fā)展到 14nm、10nm，甚至7nm，ArF光刻機(jī)已無法滿足這一需求，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)將希望寄予第五代EUV光刻機(jī)。EUV光學(xué)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖（圖源：lithography gets extreme）EUV技術(shù)最明顯的特點(diǎn)是曝光波長(zhǎng)一下子降到13.5nm，用13.5nm波長(zhǎng)的EUV取代193nm的DUV光源，在光刻精密圖案方面更具優(yōu)勢(shì)，能夠減少工藝步驟，提升良率，也能大幅提升光刻機(jī)的分辨率。
但也面臨挑戰(zhàn)，因?yàn)樵谌绱硕滩ㄩL(zhǎng)的光源下，幾乎所有物質(zhì)都有很強(qiáng)的吸收性，EUV技術(shù)的關(guān)鍵難點(diǎn)在于材料吸收，因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)太短光子能量很高，基本上大部分材料都會(huì)很容易的吸收EUV光源，導(dǎo)致光源到達(dá)工作面時(shí)光強(qiáng)很弱，所以設(shè)計(jì)時(shí)，材料的選取是非常關(guān)鍵，光刻環(huán)境也要要求嚴(yán)格的真空環(huán)境。一種新光源光刻機(jī)的出現(xiàn)，必定是影響一整條產(chǎn)業(yè)鏈的格局，因?yàn)椴煌庠磳?duì)掩膜材料，光刻膠材料，光學(xué)鏡頭等都獨(dú)特的要求。
從市場(chǎng)進(jìn)展來看，ASML在2006年推出了EUV光刻機(jī)的原型，2007年建造了10000平方米的無塵工作室，在2010年造出了第一臺(tái)研發(fā)用樣機(jī)NXE3100，到了2015年終于造出了可量產(chǎn)的樣機(jī)，而在這研發(fā)過程中，英特爾、三星、臺(tái)積電這些半導(dǎo)體大廠的也輸了不少血。2006年全球首臺(tái)EUV光刻機(jī)原型此后，ASML憑借EUV光刻技術(shù)，逐漸成為光刻機(jī)市場(chǎng)不可撼動(dòng)的霸主。2012年，英特爾、臺(tái)積電、三星等廠商紛紛注資入股ASML，以支持其EUV光刻技術(shù)的改進(jìn)與升級(jí)，從而換取優(yōu)先供貨權(quán)。
2013年之后，為加速EUV技術(shù)的發(fā)展，ASML不斷進(jìn)行并購(gòu)整合，陸續(xù)收購(gòu)了光刻光源制造商Cymer、電子束測(cè)量工具供應(yīng)商HMI、荷蘭高科技公司Mapper以及Berliner Glas集團(tuán)等。聚焦EUV光刻領(lǐng)域，ASML于二十余年內(nèi)投資超60億歐元，并于2020年實(shí)現(xiàn)了EUV光刻機(jī)大規(guī)模量產(chǎn)。
作為全球唯一一家能EUV光刻機(jī)的廠家，ASML自然獲得了大量的訂單。截至2022年第一季度，ASML已出貨136個(gè)EUV系統(tǒng)，約7000萬(wàn)個(gè)晶圓已曝光。ASML EUV系統(tǒng)銷量（圖源：ASML）光刻技術(shù)的過去與未來根據(jù)光刻機(jī)所用光源改進(jìn)和工藝創(chuàng)新，光刻機(jī)經(jīng)歷了5代產(chǎn)品發(fā)展，每次改進(jìn)和創(chuàng)新都顯著提升了光刻機(jī)所能實(shí)現(xiàn)的最小工藝節(jié)點(diǎn)。ASML光刻機(jī)發(fā)展歷程（圖源：ASML）第一代為接觸接近式光刻機(jī)，曝光方式為接觸接近式，使用光源分別為436nm的g-line和365nm的i-line，接觸式光刻機(jī)由于掩模與光刻膠直接接觸，所以易受污染，掩模版和基片容易受到損傷，掩模版壽命短。
第二代為接近式光刻機(jī)，使用光源也為436nm的g-line和365nm的i-line，曝光方式為掩模版與半導(dǎo)體基片之間為非緊密接觸狀態(tài)，掩模版不容易受到損傷，掩模版壽命長(zhǎng)，但由于掩模版與基片之間有一定間隙，成像質(zhì)量受到影響，分辨率下降。
第三代為掃描投影式光刻機(jī)，利用光學(xué)透鏡可以聚集衍射光提高成像質(zhì)量將曝光方式創(chuàng)新為光學(xué)投影式光刻，以掃描的方式實(shí)現(xiàn)曝光，光源也改進(jìn)為248nm的KrF激光，實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展，將最小工藝推進(jìn)至180-130nm。
第四代為步進(jìn)式掃描投影光刻機(jī)，最具代表性的光刻機(jī)產(chǎn)品，1986年由ASML首先推出，采用193nm ArF激光光源，實(shí)現(xiàn)了光刻過程中，掩模和硅片的同步移動(dòng)，并且采用了縮小投影鏡頭，縮小比例達(dá)到 5:1，有效提升了掩模的使用效率和曝光精度，將芯片的制程和生產(chǎn)效率提升了一個(gè)臺(tái)階。
第五代為EUV光刻機(jī)，采用波長(zhǎng)為13.5nm的激光等離子體光源作為光刻曝光光源。在摩爾定律的推動(dòng)下，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)對(duì)于芯片的需求已經(jīng)發(fā)展到5nm，甚至是3nm，浸入式光刻面臨更為嚴(yán)峻的鏡頭孔徑和材料挑戰(zhàn)。第五代 EUV光刻機(jī)，可將最小工藝節(jié)點(diǎn)推進(jìn)至5nm、3nm。在現(xiàn)有技術(shù)條件上，NA數(shù)值孔徑并不容易提升，目前使用的鏡片NA值是0.33。
下一步，據(jù)ASML透露，EUV技術(shù)將實(shí)現(xiàn)0.55數(shù)值孔徑的EUV光刻機(jī)，該項(xiàng)目正在進(jìn)行中。0.55 NA EUV平臺(tái)將繼續(xù)為未來節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的擴(kuò)展，具有更高數(shù)值孔徑的新型光學(xué)設(shè)計(jì)，有望使芯片尺寸減小1.7倍，進(jìn)一步提高分辨率，并將微芯片密度提高近3倍。第一個(gè)EUV 0.55 NA平臺(tái)早期接入系統(tǒng)預(yù)計(jì)將在2023年投入使用，預(yù)計(jì)客戶將在2024-2025年開始研發(fā)，2025-2026年進(jìn)入客戶的大批量生產(chǎn)。ASML EUV系統(tǒng)路線圖（圖源：ASML）在完成第一臺(tái)0.55 NA光刻機(jī)后，預(yù)計(jì)在光刻機(jī)、掩模和光刻膠方面將有進(jìn)一步的創(chuàng)新，它們將進(jìn)一步降低K1系數(shù)，并使收縮率在下一個(gè)十年得以延續(xù)。
寫在最后縱觀光刻技術(shù)的發(fā)展歷程，這項(xiàng)最精密復(fù)雜、難度最高、價(jià)格高昂的技術(shù)，在漫長(zhǎng)的發(fā)展過程中，不斷推動(dòng)著摩爾定律的演進(jìn)，讓全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)為之前赴后繼。然而，高昂的研發(fā)成本與巨大的研發(fā)難度，讓光刻技術(shù)一次次走到岔路口。市場(chǎng)角逐，巨頭廝殺，無不在摩爾定律的推動(dòng)下，再迎來一次又一次突破。

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