近日,，荷蘭的光刻機制造商阿斯麥（ASML）發(fā)布2020年度財報,，全年凈銷售額達到140億歐元，毛利率達到48.6%。ASML同時宣布實現(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年先進工藝將進入5nm/3nm節(jié)點,，極紫外光刻成為必修課，EUV也成為半導(dǎo)體龍頭廠商競相爭奪采購的焦點,。

　　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,？

　　01

　　半導(dǎo)體大廠：競相購買EUV

　　在摩爾定律不斷挑戰(zhàn)物理極限的當(dāng)下，半導(dǎo)體先進工藝領(lǐng)域的競爭形勢,，用“得EUV者得先進工藝”來形容并不為過,。臺積電、三星電子等廠商均加速了導(dǎo)入EUV的進程,。也是這個原因,，EUV正在成為半導(dǎo)體巨頭在先進工藝領(lǐng)域爭奪優(yōu)勢地位的焦點。

　　2020年以來,，三星電子與ASML高層互訪消息頻出,。2020年10月，三星電子副會長李在镕訪問ASML,，與ASML CEO Peter Wennink,、CTO Martin van den Brink進行會談。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,，同時希望ASML協(xié)助三星電子更加順利地使用已經(jīng)購買的EUV。

　　據(jù)了解,，ASML 2021年EUV產(chǎn)能約為45～50臺,。而臺積電就搶下當(dāng)中的30臺，剩下的才由三星,、英特爾及SK海力士等競爭對手瓜分,。如此一來，三星電子勢必在2021年EUV設(shè)備數(shù)量上輸給臺積電,。三星電子此前提出“半導(dǎo)體愿景2030計劃”,，計劃于2030年在晶圓代工領(lǐng)域趕超臺積電,。這是三星高層親自出訪ASML的主要原因。

　　事實上,，半導(dǎo)體邏輯制程技術(shù)進入到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入7納米世代的晶圓廠僅剩臺積電,、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)體巨頭爭相拉攏的重要對象,。

　　02

　　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,、亞微米級、深亞微米級,，細(xì)化到當(dāng)前的納米級,，曝光光源的波長也由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)研報告顯示,，半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)的難點和關(guān)鍵點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)中需要進行20~30次的光刻,，耗時占到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)省成本和時間,，提高良品率。也正是這個原因,，盡管ASML的EUV售價高達1.2億美元,，三星和臺積電等廠商依然積極采購。

　　臺積電在日前舉行的法說會上宣布，2021年主要用于設(shè)備采購的資本支出約為250億至280億美元,，較2020年的172億美元增長了45%～62%,。臺積電首席財務(wù)官黃仁昭表示，為應(yīng)對先進工藝與特殊工藝技術(shù)發(fā)展,，并順應(yīng)客戶需求的增長,，公司將上調(diào)2021年資本支出，其中80%將用于3nm,、5nm及7nm等先進工藝,。

　　資料顯示，臺積電的5納米節(jié)點相比7納米節(jié)點,，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)點將在十層以上的設(shè)備上使用EUV，這使臺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，先進工藝將繼續(xù)推進,，至3納米,、2納米，甚至是1納米,。屆時,，EUV將發(fā)揮更大的作用。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，即使工藝微縮化達到1納米后,，摩爾定律也會繼續(xù)適用,。

　　03

　　存儲芯片：下一個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海力士等存儲芯片大廠在量產(chǎn)DRAM時也將采用EUV設(shè)備,。

　　半導(dǎo)體專家莫大康指出，存儲器主要分為兩種：一種是DRAM,，另一種是3D NAND,。3D NAND目前的競爭主要集中在層數(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,。屆時,，存儲器廠商訂的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DRAM,。三星電子采用EUV生產(chǎn)的第四代10納米級別的DRAM晶圓出貨量達到100萬個,。

　　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M14晶圓廠的設(shè)備，同時在即將啟用的新廠——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,。美光科技高級副總裁兼移動產(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)勢更加明顯?，F(xiàn)在我們已經(jīng)推進到1α節(jié)點，我們覺得做到1β,、1γ節(jié)點,，現(xiàn)有的多重圖形曝光技術(shù)在成本上都會更加有優(yōu)勢。但是在1γ之后,，我們有可能會嘗試采用EUV,。我們會進行成本效率分析，如果證明成本效率更優(yōu)就會考慮采用,。當(dāng)然,，前期我們會投入資金進行相關(guān)工藝的探索和開發(fā)?！?/p>

　　04

　　極紫外光刻產(chǎn)業(yè)：不僅只有EUV

　　光刻機供應(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)上與之競爭,。可即使在DUV領(lǐng)域,，ASML也擁有62％的市場份額,。

　　然而，極紫外光刻產(chǎn)業(yè)又并不僅僅只有EUV光刻機,。

　　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,。

　　光掩膜缺陷檢測設(shè)備可檢測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)營企劃室室長三澤祐太朗指出：“隨著微縮化的發(fā)展,，在步入2納米制程時,，DUV的感光度可能會不夠充分?！辈捎肊UV光源的檢測設(shè)備的需求有望進一步增長,。

　　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)體材料進行顯影。

　　作為光刻機的輸入（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指出，如果EUV的導(dǎo)入能促進整個工序的技術(shù)進步的話,，與EUV沒有直接聯(lián)系的工序數(shù)也會增加,。

　　國內(nèi)設(shè)備廠芯源微日前表示，公司前道涂膠顯影機與國際光刻機聯(lián)機的技術(shù)問題已經(jīng)攻克并通過驗證,，可以與包括ASML,、佳能等國際品牌，以及上海微電子（SMEE）的光刻機聯(lián)機應(yīng)用,。

　　光刻膠對分辨率,、對比度、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)、美國羅門哈斯等,，所占市場份額超過85%,，市場集中度非常高。

　　目前,，中國已經(jīng)可以量產(chǎn)G線,、I線、KrF三大類光刻膠,。南大光電計劃通過3年的建設(shè),、投產(chǎn)及實現(xiàn)銷售，達到年產(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,。

　　05

　　解決光刻難題：從非核心開始起步

　　我國發(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。

　　對此,，莫大康指出,，高性能光刻技術(shù)對中國企業(yè)來說成本高昂，但是其戰(zhàn)略意義不容忽視,。中國要推進完整的光刻工業(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,、浸沒式光刻機,，以及周邊設(shè)備材料等，EUV是整套體系中最困難的一塊,。

　　“要實現(xiàn)強大的功能,，EUV就必須克服電能消耗以及光源等因素的影響,?！敝袊娮涌萍技瘓F公司第四十五研究所集團首席專家柳濱表示，EUV雖然售價超過了一億美元,，但是高額的價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光刻機的10倍,，因為極紫外光的波長僅有13.5nm,，投射到晶圓表面曝光的強度只有光進入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/小時的耗電成本將是14nm的傳統(tǒng)光刻生產(chǎn)效率在240片/小時的耗電成本的一倍,，這還不算設(shè)備購置成本和掩膜版設(shè)計制造成本,。

　　除了電能以及光源，光刻膠也是EUV技術(shù)另一個需要面對的問題,。據(jù)專家介紹,，光刻膠本身對于光的敏感度就十分高，但是對于不同波長的光源,，光刻膠的敏感度也有差異,，這就對EUV光刻機產(chǎn)生了一些要求。光刻機選擇的波長必須和光刻膠對應(yīng)的波長處于同一個波段,，這樣才能提升光刻膠對于光源的吸收率,，從而更好地實現(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的空間。因此,，國內(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,，不失為一個有效的策略。