EUV光刻機(jī)
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2021-10-08
EUV光刻機(jī)的實(shí)例教程
基于上述假設(shè)，從2020年-2023年，臺(tái)積電一年內(nèi)（想要）引入的EUV光刻機(jī)數(shù)量如下圖所示。
▲臺(tái)積電所需的EUV數(shù)量估算
首先，到2020年，當(dāng)5nm大規(guī)模生產(chǎn)及3nm試產(chǎn)啟動(dòng)時(shí)，據(jù)計(jì)算將需要35臺(tái)新EUV光刻機(jī)，計(jì)算結(jié)果與圖3中的實(shí)際值幾乎相同。
到2021年，5nm生產(chǎn)規(guī)模將擴(kuò)大，3nm風(fēng)險(xiǎn)生產(chǎn)將啟動(dòng)，經(jīng)計(jì)算所需的新EUV光刻機(jī)數(shù)量達(dá)54臺(tái)；到2022年，當(dāng)3nm大規(guī)模生產(chǎn)、2nm試產(chǎn)啟動(dòng)，需要的新EUV光刻機(jī)數(shù)量被計(jì)算為57臺(tái)。
此外，到2023年，當(dāng)3nm生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大、2nm開始風(fēng)險(xiǎn)生產(chǎn)時(shí)，所需新EUV光刻機(jī)數(shù)達(dá)到58臺(tái)。到2024年2nm大規(guī)模生產(chǎn)啟動(dòng)及2025年生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大時(shí)，所需新EUV光刻機(jī)數(shù)被計(jì)算為62臺(tái)。
三星晶圓廠EUV需求如何？
三星副董事長李在镕于2020年10月13日訪問ASML，并要求ASML在2020年交付9臺(tái)EUV光刻機(jī)、在2021年后每年交付20臺(tái)EUV光刻機(jī)。
此外，根據(jù)專家提供的信息，三星副董事長李在镕在10月13日訪問ASML期間要求的“2020年9臺(tái)EUV光刻機(jī)”中，至少有4臺(tái)將在2020年抵達(dá)三星，其余5臺(tái)預(yù)計(jì)將在2021年初被引入。此外。
展開 作為全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體設(shè)備供應(yīng)商，這家來自荷蘭的企業(yè)提供了全球芯片生產(chǎn)都繞不開的關(guān)鍵設(shè)備——光刻機(jī)。尤其是在EUV光刻機(jī)方面，市場的關(guān)注度更是空前。這一方面是因?yàn)檫@個(gè)設(shè)備是芯片制造工藝走向7nm以下的關(guān)鍵；另一方面，這個(gè)設(shè)備的售價(jià)高達(dá)上億美金，且只有ASML一家能做。因此其吸引了全球那么多的目光也情有可原。
正如很多分析人士所說，EUV光刻機(jī)真可以稱得上是芯片制造的“皇冠”。
以EUV光刻機(jī)為例，ASML技術(shù)開發(fā)副總裁Tony Yen在今年三月接受媒體采訪的時(shí)候曾經(jīng)表示，EUV光刻機(jī)由超過10萬個(gè)精密零部件組成；相關(guān)報(bào)道也指出，EUV光刻機(jī)重量達(dá)180噸，體積十分龐大，需要0.125萬千瓦的電力，來維持250瓦的功率；紐約時(shí)報(bào)在之前一篇介紹ASML的文章中更是強(qiáng)調(diào)，EUV光刻機(jī)的運(yùn)送需要使用40個(gè)集裝箱、20輛卡車和三架波音747飛機(jī)。
這樣一個(gè)龐然大物，不但需要在晶圓上做一些精度極高的工作，而且還需要保持更高的產(chǎn)能，從其部件構(gòu)成上看，正如其名字“光刻機(jī)”所定義的一樣，“光”就成為了EUV光刻機(jī)中的重要一環(huán)。要明白這一切，就首先得從光刻機(jī)的工作原理談起。
展開 因?yàn)槿毙荆懊刻於荚趻暝?在荷蘭南部靠近比利時(shí)邊境的小鎮(zhèn)費(fèi)爾德霍芬（Veldhoven），坐落著世界上唯一一家能夠生產(chǎn)極紫外光刻機(jī)（EUV）的企業(yè)——阿斯麥（ASML）。在為數(shù)據(jù)中心、汽車和iPhone提供算力的先進(jìn)半導(dǎo)體制造中，EUV光刻是最昂貴的一步。
“阿斯麥在極紫外光刻機(jī)制造方面處于壟斷地位，我們今天使用的每一塊先進(jìn)處理器都需要用到EUV光刻機(jī)。”美國塔夫茨大學(xué)（Tufts University）弗萊徹學(xué)院助理教授克里斯?米勒表示，每一臺(tái)EUV光刻機(jī)都是有史以來最復(fù)雜的設(shè)備之一，這種機(jī)器重達(dá)180噸。
EUV是極紫外光（Extreme Ultraviolet）的縮寫，這是一種波長極短的光，阿斯麥生產(chǎn)的設(shè)備可以大量產(chǎn)生這種光，用于在硅片上雕刻小而復(fù)雜的電路。極紫外光是由二氧化碳激光去轟擊每秒噴出5萬次的液態(tài)錫滴（molten tin）而產(chǎn)生，這種光通過一個(gè)直徑為0.65米的橢球反光鏡送進(jìn)光刻機(jī)內(nèi)。一部分極紫外光微粒被照射到硅片表面，進(jìn)而雕刻出決定每個(gè)芯片功能的微小圖案。
為什么選擇極紫光
光刻機(jī)的分辨率是光刻機(jī)能夠清晰投影最小圖像的能力，這一關(guān)鍵指標(biāo)決定了這臺(tái)光刻機(jī)可以用于何種工藝節(jié)點(diǎn)。R=k1*λ/NA代表了與其相關(guān)的多個(gè)參數(shù)，其中R為分辨率，k1為光刻工藝系數(shù)，λ為波長，NA為數(shù)值孔徑。
很明顯，要想壓縮分辨率有三種方法，減小光刻工藝系數(shù)，減小波長或是增加數(shù)值孔徑。k1系數(shù)取決于芯片制造工藝的多種因素，ASML通過控制光線擊中光罩的方式和FlexPupil自由照明器光瞳整形技術(shù)，使得k1接近于0.3。
展開 在ASML官網(wǎng)的進(jìn)一步聲明發(fā)布之前，網(wǎng)友紛紛猜測中芯國際本次購買的是DUV光刻機(jī)還是EUV光刻機(jī)？那么兩者有什么區(qū)別呢？
簡單來說，DUV是深紫外線（Deep Ultraviolet Lithography），EUV是極深紫外線（Extreme Ultraviolet Lithography）。
兩種不同的光源讓光刻機(jī)獲得了不同的曝光能力，從而獲得不一樣的工藝制程范圍。
所有的DUV光刻機(jī)，用的光源都是193nm波長的ArF excimer laser，之前的一代DUV，用的光源是248nm波長的KrF excimer laser。另外，EUV光刻機(jī)的光源，是13.3nm的laser pulsed tin plasma。
DUV光刻機(jī)最多只能做到25nm，英特爾曾憑借雙工作臺(tái)的模式做到了10nm，但是卻無法達(dá)到10nm以下，
后來胡正明教授（梁孟松的老師）發(fā)明了FinFET工藝之后，極盡所能的壓榨了這臺(tái)機(jī)器的潛能，讓它走到了7nm制程。
但是即使采用了FinFET工藝，芯片再想往5nm、3nm先進(jìn)工藝?yán)^續(xù)延伸，那就不得不使用EUV光刻機(jī)了。因此，DUV光刻機(jī)和EUV光刻機(jī)的價(jià)格差別也很大。
要是想制造工藝尺寸更小的芯片，
換光源是比較直接且立竿見影的辦法。
展開 隨著三星宣布7nm EUV工藝的量產(chǎn)，2018年EUV光刻工藝終于商業(yè)化了，這是EUV工藝研發(fā)三十年來的一個(gè)里程碑。不過EUV工藝要想大規(guī)模量產(chǎn)還有很多技術(shù)挑戰(zhàn)，目前的光源功率以及晶圓產(chǎn)能輸出還沒有達(dá)到理想狀態(tài)，EUV工藝還有很長的路要走。
在現(xiàn)有的EUV之外，ASML與IMEC比利時(shí)微電子中心還達(dá)成了新的合作協(xié)議，雙方將共同研發(fā)新一代EUV光刻機(jī)，NA數(shù)值孔徑從現(xiàn)有的0.33提高到0.5，可以進(jìn)一步提升光刻工藝的微縮水平，制造出更小的晶體管。
NA數(shù)值孔徑對(duì)光刻機(jī)有什么意義？這個(gè)問題我們?cè)谥暗某苷n堂：單價(jià)1.2億美元的光刻機(jī)，全球只有一家公司生產(chǎn)一文中做過簡單解釋，決定光刻機(jī)分辨率的公式如下：
光刻機(jī)分辨率=k1*λ/NA
k1是常數(shù)，不同的光刻機(jī)k1不同，λ指的是光源波長，NA是物鏡的數(shù)值孔徑，所以光刻機(jī)的分辨率就取決于光源波長及物鏡的數(shù)值孔徑，波長越短越好，NA越大越好，這樣光刻機(jī)分辨率就越高，制程工藝越先進(jìn)。
現(xiàn)在的EUV光刻機(jī)使用的是波長13.5nm的極紫外光，而普通的DUV光刻機(jī)使用的是193nm的深紫外光，所以升級(jí)到EUV光刻機(jī)可以大幅提升半導(dǎo)體工藝水平，實(shí)現(xiàn)7nm及以下工藝。
但是改變波長之后再進(jìn)一步提升EUV光刻機(jī)的分辨率就要從NA指標(biāo)上下手了，目前的光刻機(jī)使用的還是NA=0.33的物鏡系統(tǒng)，下一代的目標(biāo)就是NA=0.5及以上的光學(xué)系統(tǒng)了。
如今ASML與IMEC合作的就是高NA的EUV工藝了，雙方將成立一個(gè)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，在EXE：5000型光刻機(jī)上使用NA=0.55的光學(xué)系統(tǒng)，更高的NA有助于將EVU光源投射到更廣闊的晶圓上從而提高半導(dǎo)體工藝分辨率，減少晶體管尺寸。
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EUV光刻機(jī)的最新內(nèi)容
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全球第一大光刻機(jī)設(shè)備商，同時(shí)也是全球唯一可提供7nm及以下先進(jìn)制程的EUV光刻機(jī)設(shè)備商。Q3'23半導(dǎo)體業(yè)務(wù)營收同比增長24.4%，2022年ASML主要由于Fast shipment，需要客戶完成工廠驗(yàn)證才能確認(rèn)營收，延遲至2023年?duì)I收開始增長。
此前，三星電子宣布計(jì)劃到2025年擁有100臺(tái)EUV光刻機(jī)。市場估計(jì)三星目前的EUV機(jī)群約為40臺(tái)。如果這50臺(tái)設(shè)備的能夠順利交付，那么三星到 2028 年將能夠擁有約 100 臺(tái)設(shè)備。
CINNO Research產(chǎn)業(yè)資訊，日本佳能官網(wǎng)宣布，公司自2023年10月13日起開始發(fā)售一款型號(hào)為“FPA-1200NZ2C”的半導(dǎo)體納米壓印設(shè)備，該設(shè)備“擔(dān)當(dāng)”半導(dǎo)體制程中最重要的工序一一圖形轉(zhuǎn)移。該設(shè)備采用的是一種名為NIL（Nanoimprint Lithography，納米壓印光刻技術(shù)）的技術(shù)形成半導(dǎo)體線路圖案，且該技術(shù)不同于傳統(tǒng)“投影曝光”。佳能此次發(fā)售的新設(shè)備，不僅擴(kuò)充了公司產(chǎn)品
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全球第一大光刻機(jī)設(shè)備商，同時(shí)也是全球唯一可提供7nm及以下先進(jìn)制程的EUV光刻機(jī)設(shè)備商。1H'23半導(dǎo)體業(yè)務(wù)營收同比增長54.7%，2022年ASML主要由于Fast shipment，需要客戶完成工廠驗(yàn)證才能確認(rèn)營收，延遲至2023年?duì)I收開始增長。
然而，迭代至今，面對(duì)芯片晶體管線寬已趨近物理極限，以及EUV光刻機(jī)產(chǎn)能有限、成本高等問題，業(yè)界開始加強(qiáng)探索繞開EUV光刻機(jī)生產(chǎn)高端芯片的技術(shù)和工藝。
其中，納米壓印技術(shù)（NIL）走到了臺(tái)前。
當(dāng)2022年英特爾和IMEC公布未來的晶體管發(fā)展路線，1nm以后進(jìn)入CFET時(shí)代后，筆者就深信熔融鍵合和混合鍵合將會(huì)從后道走向前道，和high NA以及hyper NA EUV光刻機(jī)一同引領(lǐng)下一個(gè)15年的半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展之路！
Top 2 阿斯麥（ASML）-荷蘭
全球第一大光刻機(jī)設(shè)備商，同時(shí)也是全球唯一可提供7nm及以下先進(jìn)制程的EUV光刻機(jī)設(shè)備商。2022年半導(dǎo)體業(yè)務(wù)營收同比下降1.2%。
② 供給：在光刻機(jī)方面，美國芯片法案對(duì)中國芯片制造的重點(diǎn)在剛需高端EUV光刻機(jī)的先進(jìn)制程，即14nm及以下的fab、18nm的DRAM、128層的NAND。而目前成熟制程應(yīng)用的DUV光刻機(jī)由日本、歐洲掌握，美國的影響力有限。
但是EUV光刻機(jī)的潛在客戶很少，因?yàn)閮r(jià)格太高，而且實(shí)際使用它們所需的精密制造技術(shù)水平確實(shí)非常高，以至于 ASML 的客戶群永遠(yuǎn)只有幾家或最多十幾家公司。
芯片短缺與哪個(gè)國家有能力生產(chǎn)最先進(jìn)的芯片無關(guān)。
ASML需要超過 60 億歐元和 17 年的時(shí)間來開發(fā)第一批可以銷售的 EUV 光刻機(jī)。但在它們完成之前，美國政府向荷蘭政府施壓，要求其禁止向中國出口，限制該國使用較舊的 DUV（深紫外線）技術(shù)。目前，只有五家公司正在使用或已宣布計(jì)劃使用 ASML EUV 光刻系統(tǒng)：美國的英特爾和美光，韓國的三星和 SK 海力士，以及臺(tái)積電。
