EUV光刻，最終勝出！
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來(lái)源：半導體行業(yè)觀(guān)察
其中，光刻是摩爾定律的前沿陣地。
自從1958年世界上出現第一塊平面IC開(kāi)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。在所有半導體產(chǎn)品制造中，都需要通過(guò)光刻技術(shù)將電路圖形轉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(zhù)集成電路密度、性能不斷翻倍，成本也愈加優(yōu)化。
在過(guò)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(zhù)工藝節點(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(cháng)也隨之從436nm、365nm、248nm，向193nm、13.5nm等延伸迭代。
1980s以來(lái)，光刻技術(shù)采用的光波長(cháng)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(wú)法進(jìn)步長(cháng)達20年。從上圖也能看到，從193nm到13.5nm光波長(cháng)之間，出現了一大段“真空地帶”，光波長(cháng)從193nm到EUV的13.5nm中間，曾經(jīng)歷過(guò)哪些波折，留下了哪些故事。時(shí)間退回到20世紀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)。光刻機的原理其實(shí)像幻燈機一樣簡(jiǎn)單，就是把光通過(guò)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(kāi)始了最初的技術(shù)與市場(chǎng)積累。在荷蘭飛利浦實(shí)驗室終于開(kāi)始研發(fā)光刻機之際，GCA已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了重復曝光光刻機，并將其推入了市場(chǎng)。
隨著(zhù)集成電路結構逐漸縮小，接觸式光刻逐漸難以滿(mǎn)足精度需求，產(chǎn)業(yè)開(kāi)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獲得了90%的光刻市場(chǎng)，一躍成為半導體行業(yè)最大的設備供應商。GCA也迅速推出第一臺步進(jìn)光刻機，與前者展開(kāi)正面博弈。
直到1980年代初，美國的Prekin-Elmer和GCA主導著(zhù)全球光刻機市場(chǎng)，日本的尼康、佳能開(kāi)始顯現出強勁的發(fā)展勢頭，開(kāi)始從GCA和P&E手里奪下一個(gè)接一個(gè)大客戶(hù)。而荷蘭的飛利浦卻陷入了停滯狀態(tài)，1983年終于答應與ASM合作，此時(shí)其光刻機研發(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。
在競爭與演進(jìn)中，時(shí)間來(lái)到八十年代中期，半導體市場(chǎng)陷入大滑坡。導致一幫光刻機廠(chǎng)商都碰到嚴重的財務(wù)問(wèn)題，其中，入不敷出的ASM賣(mài)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(kāi)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。
而彼時(shí)ASML還規模尚小，所遭損失不大，還可以按既有計劃開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品，得以在亂世中傴僂前行。而1980年還占據大半壁江山的美國三雄，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(lái)看，光刻市場(chǎng)的變化也對應著(zhù)光刻技術(shù)的變遷。長(cháng)期以來(lái)，摩爾定律被集成電路產(chǎn)業(yè)奉為圭臬。為了延續摩爾定律，光刻技術(shù)就需要每?jì)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(cháng)、數值孔徑以及制程因子三個(gè)參數有關(guān)。根據訴求，降低曝光關(guān)鍵尺寸，只需降低波長(cháng)λ、增大數值孔徑NA或降低制程因子K1。
其中，縮短波長(cháng)是較為直接的手段。20世紀60年代到80年代中期的接觸式光刻機、接近式光刻機和投影式光刻機主要采用汞燈光源，其光譜線(xiàn)分別為g線(xiàn)（436nm）、h線(xiàn)（405nm）和i線(xiàn)（365nm）。
隨著(zhù)技術(shù)演進(jìn)，后續陸續開(kāi)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(cháng)的DUV光刻技術(shù)上，這就是著(zhù)名的ArF準分子激光。
光刻機的光源波長(cháng)被卡死在193nm，成為了擺在全產(chǎn)業(yè)面前的一道難關(guān)，也導致芯片制程在65/45nm技術(shù)節點(diǎn)上遇到了困難。
上世紀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，大半個(gè)半導體業(yè)界都參與了進(jìn)來(lái)，分成兩隊人馬躍躍欲試：
尼康、佳能等公司主張用在前代技術(shù)的基礎上，采用157nm波長(cháng)光源，走穩健道路；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(lái)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(cháng)光源的技術(shù)上卡住了。
2002年以前，業(yè)界普遍認為193nm光刻無(wú)法延伸到65nm技術(shù)節點(diǎn)，而157nm將成為主流技術(shù)。
157nm光刻被稱(chēng)為光學(xué)方法的極限，其光源采用氟氣準分子激光，發(fā)出波長(cháng)157nm附近的真空紫外光，最初的應用目標是65nm技術(shù)節點(diǎn)。
實(shí)際上，157nm波長(cháng)的光刻技術(shù)其實(shí)在2003年就有光刻機了。然而，157nm光刻技術(shù)遭遇到了來(lái)自光刻機透鏡的巨大挑戰。這是由于絕大多數材料會(huì )強烈地吸收157nm的光波，只有二氟化鈣（CaF2）勉強可以使用。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(wú)法容忍。另外，157nm對193nm的波長(cháng)進(jìn)步只有不到25%，研發(fā)投入產(chǎn)出比太低。
正當眾多研究者在157nm浸入式光刻面前躊躇不前時(shí)，時(shí)任臺積電資深處長(cháng)的林本堅提出了193nm浸入式光刻的概念。
林本堅認為，與其在157nm上“撞墻”，倒不如倒退到193nm波長(cháng)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(cháng)為193 nm/1.44=134 nm，從而實(shí)現更高的分辨率。
然而在當時(shí)，這項技術(shù)卻被尼康、佳能等頭部企業(yè)拒之門(mén)外，他們依然對干式光刻技術(shù)寄予厚望不想額外增加成本，而只有當時(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(kāi)發(fā)是臺積電與ASML這兩家企業(yè)的重要轉折點(diǎn)。2004年，ASML在臺積電的幫助下成功研發(fā)出首臺浸入式光刻機，并一舉拿下了多家大客戶(hù)的訂單。這后來(lái)也極大的促進(jìn)了臺積電和ASML的合作發(fā)展，為ASML后來(lái)超越尼康和佳能埋下了伏筆。隨后幾年，浸入式光刻占據了先進(jìn)節點(diǎn)工藝的主導地位，一直持續優(yōu)化，把工藝節點(diǎn)突破到22nm。
加上后來(lái)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光刻機一直做到了芯片的7nm制程(蘋(píng)果A12和華為麒麟980)。
浸入式光刻的出現無(wú)形當中宣判了干式微影光刻技術(shù)的死亡，在A(yíng)SML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(méi)有人去訂尼康的新品。隨后，尼康也將目光轉向浸入式光刻技術(shù)，但始終落后一程。
從市場(chǎng)角度出發(fā)，作為上世紀九十年代最大的光刻機巨頭，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。也正是這次冒險的****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)導者。
對157nm來(lái)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)，將繼續使用193nm浸入式光刻技術(shù)進(jìn)行65nm及45nm的制程，并繼續拓展193nm浸入式光刻技術(shù)，使之能夠適應更深層次的工藝需求，同時(shí)計劃采用極紫外光（EUV）來(lái)制作22nm以下的制程。
英特爾的此舉尤如重量級炸彈一樣，因為實(shí)則上將157nm技術(shù)跳了過(guò)去。眾所周知，彼時(shí)的英特爾是全球光刻設備最大的買(mǎi)主，其任何動(dòng)作都將在全球半導體業(yè)界引起極大反響。而不采購157nm光刻相關(guān)設備，則意味著(zhù)英特爾放棄了這個(gè)被稱(chēng)為傳統意義上光學(xué)極限的光刻技術(shù)。
ITRS 2005路線(xiàn)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(xiàn)）到2010年，193nm液浸式光刻系統已能實(shí)現32nm制程產(chǎn)品，并在20nm以下節點(diǎn)發(fā)揮重要作用，浸沒(méi)式光刻技術(shù)憑借展現出巨大優(yōu)勢，成為EUV之前能力最強且最成熟的技術(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”。臺積電在技術(shù)、人才、資金方面給了ASML很大幫助。憑借臺積電的“浸入式光刻技術(shù)”方案，ASML將光源波長(cháng)一舉從193nm縮短到134nm。此后，ASML開(kāi)啟了快速蠶食光刻機市場(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，然而受限于當時(shí)的技術(shù)水平，這項技術(shù)一直沒(méi)能實(shí)現。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節點(diǎn)之后，DUV已經(jīng)很難再繼續優(yōu)化了。在研究了1990年代的幾種預期技術(shù)之后，半導體行業(yè)逐漸達成共識，極紫外（EUV）波長(cháng)的光刻技術(shù)是最好的前進(jìn)之路，成為近年來(lái)英特爾、臺積電、三星等芯片公司追捧的新寵。
由于157nm波長(cháng)的光線(xiàn)不能穿透純凈水，無(wú)法和浸入技術(shù)結合。因此，準分子激光光源只發(fā)展到了ArF。通過(guò)浸沒(méi)式光刻和雙重光刻等工藝，第四代ArF光刻機最高可以實(shí)現22nm制程的芯片生產(chǎn)，但是在摩爾定律的推動(dòng)下，半導體產(chǎn)業(yè)對于芯片制程的需求已經(jīng)發(fā)展到 14nm、10nm，甚至7nm，ArF光刻機已無(wú)法滿(mǎn)足這一需求，半導體產(chǎn)業(yè)將希望寄予第五代EUV光刻機。
EUV光學(xué)系統簡(jiǎn)圖（圖源：lithography gets extreme）EUV技術(shù)最明顯的特點(diǎn)是曝光波長(cháng)一下子降到13.5nm，用13.5nm波長(cháng)的EUV取代193nm的DUV光源，在光刻精密圖案方面更具優(yōu)勢，能夠減少工藝步驟，提升良率，也能大幅提升光刻機的分辨率。但也面臨挑戰，因為在如此短波長(cháng)的光源下，幾乎所有物質(zhì)都有很強的吸收性，EUV技術(shù)的關(guān)鍵難點(diǎn)在于材料吸收，因為波長(cháng)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，導致光源到達工作面時(shí)光強很弱，所以設計時(shí)，材料的選取是非常關(guān)鍵，光刻環(huán)境也要要求嚴格的真空環(huán)境。一種新光源光刻機的出現，必定是影響一整條產(chǎn)業(yè)鏈的格局，因為不同光源對掩膜材料，光刻膠材料，光學(xué)鏡頭等都獨特的要求。
從市場(chǎng)進(jìn)展來(lái)看，ASML在2006年推出了EUV光刻機的原型，2007年建造了10000平方米的無(wú)塵工作室，在2010年造出了第一臺研發(fā)用樣機NXE3100，到了2015年終于造出了可量產(chǎn)的樣機，而在這研發(fā)過(guò)程中，英特爾、三星、臺積電這些半導體大廠(chǎng)的也輸了不少血。
2006年全球首臺EUV光刻機原型此后，ASML憑借EUV光刻技術(shù)，逐漸成為光刻機市場(chǎng)不可撼動(dòng)的霸主。2012年，英特爾、臺積電、三星等廠(chǎng)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，從而換取優(yōu)先供貨權。2013年之后，為加速EUV技術(shù)的發(fā)展，ASML不斷進(jìn)行并購整合，陸續收購了光刻光源制造商Cymer、電子束測量工具供應商HMI、荷蘭高科技公司Mapper以及Berliner Glas集團等。聚焦EUV光刻領(lǐng)域，ASML于二十余年內投資超60億歐元，并于2020年實(shí)現了EUV光刻機大規模量產(chǎn)。
作為全球唯一一家能EUV光刻機的廠(chǎng)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，約7000萬(wàn)個(gè)晶圓已曝光。
ASML EUV系統銷(xiāo)量（圖源：ASML）光刻技術(shù)的過(guò)去與未來(lái)根據光刻機所用光源改進(jìn)和工藝創(chuàng )新，光刻機經(jīng)歷了5代產(chǎn)品發(fā)展，每次改進(jìn)和創(chuàng )新都顯著(zhù)提升了光刻機所能實(shí)現的最小工藝節點(diǎn)。
ASML光刻機發(fā)展歷程（圖源：ASML）第一代為接觸接近式光刻機，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，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(cháng)，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，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?huà)呙璧姆绞綄?shí)現曝光，光源也改進(jìn)為248nm的KrF激光，實(shí)現了跨越式發(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，最具代表性的光刻機產(chǎn)品，1986年由ASML首先推出，采用193nm ArF激光光源，實(shí)現了光刻過(guò)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)臺階。
第五代為EUV光刻機，采用波長(cháng)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，半導體產(chǎn)業(yè)對于芯片的需求已經(jīng)發(fā)展到5nm，甚至是3nm，浸入式光刻面臨更為嚴峻的鏡頭孔徑和材料挑戰。第五代 EUV光刻機，可將最小工藝節點(diǎn)推進(jìn)至5nm、3nm。
在現有技術(shù)條件上，NA數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ASML透露，EUV技術(shù)將實(shí)現0.55數值孔徑的EUV光刻機，該項目正在進(jìn)行中。0.55 NA EUV平臺將繼續為未來(lái)節點(diǎn)實(shí)現經(jīng)濟高效的擴展，具有更高數值孔徑的新型光學(xué)設計，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平臺早期接入系統預計將在2023年投入使用，預計客戶(hù)將在2024-2025年開(kāi)始研發(fā)，2025-2026年進(jìn)入客戶(hù)的大批量生產(chǎn)。
ASML EUV系統路線(xiàn)圖（圖源：ASML）在完成第一臺0.55 NA光刻機后，預計在光刻機、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，并使收縮率在下一個(gè)十年得以延續。寫(xiě)在最后縱觀(guān)光刻技術(shù)的發(fā)展歷程，這項最精密復雜、難度最高、價(jià)格高昂的技術(shù)，在漫長(cháng)的發(fā)展過(guò)程中，不斷推動(dòng)著(zhù)摩爾定律的演進(jìn)，讓全球半導體產(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(wú)不在摩爾定律的推動(dòng)下，再迎來(lái)一次又一次突破。
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