ASML光刻機是怎樣一步步走上絕路的

作為最早在網(wǎng)上連載《光刻機之戰》系列和翻譯出版ASML傳記《光刻巨人》的始作俑者，我近兩年一直躲開(kāi)這個(gè)話(huà)題。一方面因為深入技術(shù)討論的門(mén)檻越來(lái)越高，另外一方面實(shí)在也怕沸騰派以理服人。

昨天ASML宣布聯(lián)席總裁溫寧克和范登布林克明年4月份退休，讓我突然想給過(guò)去的一點(diǎn)歷史做個(gè)小注腳?？催^(guò)《光刻巨人》的朋友一定對范登布林克(Martin van den Blink)記憶猶新，他也正是三十年來(lái)ASML的技術(shù)領(lǐng)路人。去年范登布林克在接受采訪(fǎng)時(shí)，曾暗示目前即將出貨的High-NA EUV光刻機(NA=0.55)可能是ASML最后一代產(chǎn)品。雖然業(yè)界已經(jīng)開(kāi)始在討論Hyper-NA(超NA，即NA>0.7)，但老范認為它的成本會(huì )恐怖到不可能，大概原因是他能看到這一代產(chǎn)品已經(jīng)把合作伙伴們逼到極限。(注：NA簡(jiǎn)單地說(shuō)，是來(lái)描述系統可以收集和聚焦多少的光)用比EUV更短波長(cháng)的光(射線(xiàn))呢？也被否決了。因為波長(cháng)再降低，反射角調整會(huì )導致光損失到難以承受，光路上反射鏡如果增大很多倍會(huì )導致光刻機變成個(gè)難以生產(chǎn)和運輸的大怪物。接下來(lái)，我們回顧一下，ASML光刻機是怎樣一步步走上“絕路”的。一、光刻這個(gè)詞，全名叫Photolithography，簡(jiǎn)稱(chēng)Lithography或者Litho。Litho原義是一種印刷方法，利用油和水不相容的原理，把文字和空白分開(kāi)?，F代的膠板印刷，也是一模一樣的原理：印版搞到滾筒上，滾筒上有無(wú)圖文部分親水而有圖文部分親油(油墨)。彩色印刷呢，CMYK四種顏色的油墨依次上筒，但顯然要保證每次套印一定要對齊。請記住套印這個(gè)詞(overlay)，也是把光刻機一步一步逼瘋的關(guān)鍵之一。光刻里面的overlay，一般也是指不同層的圖案對準的精度。印刷機的套印精度大概是0.05mm，據說(shuō)這樣就夠騙過(guò)人眼了，而最先進(jìn)的光刻機overlay精度是<1nm，兩者差了5萬(wàn)倍。早期光刻機的原理和印刷確實(shí)也是一毛一樣的，有圖案和沒(méi)圖案的地方通過(guò)光敏膠曝光再刻蝕分開(kāi)，多次曝光要對齊，所以叫對齊機(Aligner)，臺灣地區干脆叫它曝光機。但你要真以為印刷就這么簡(jiǎn)單，那就天真了。印刷機的設計不僅要精細計算印版的吸附表面能，也要考慮水和油墨的表面張力和流變特性，而且印刷速度越快溫度越來(lái)越高，它們的粘度和厚度又會(huì )怎樣變化？怎樣保證不同顏色不會(huì )互相污染？不同紙張對不同油墨的滲透是不是不一樣？我們要解釋光刻機的難度，同樣需要理解它怎樣處理各種印刷的精度和材料及溫度特性等問(wèn)題。二、光刻機從Aligner到Stepper(步進(jìn)光刻機)，是一次微機電的升級，從一次曝光一整片晶圓到光頭在晶圓上一步一步(Step and repeat)移動(dòng)曝光一個(gè)小方塊，那時(shí)還用的是簡(jiǎn)單的汞燈。Stepper升級到Scanner(掃描光刻機)，因為激光光源越來(lái)越珍貴，光頭從方塊光場(chǎng)變成一條線(xiàn)掃描(和復印機那一條光原理橫掃一樣)。Scanner的機械實(shí)現技術(shù)難度成指數級數的上升，因為這條光需要同步掃描光罩和晶圓。光罩(Reticle)也叫掩模(Mask)，似乎光罩更能清晰表示它和晶圓不是貼在一起的。眾所周知，日本由于出色的精密機械和加工能力，在80、90年代各種極其精巧的家電中獨占鰲頭，比如錄音機、攝錄像機、Walkman和Diskman等，后來(lái)喬布斯為了給第一代iPod裝上硬幣大小的微硬盤(pán)，也得去找東芝。因此，在Stepper和Scanner的時(shí)代，日本尼康和佳能背靠著(zhù)日本優(yōu)勢的精密儀器產(chǎn)業(yè)，加上兩家本身在光學(xué)上就是世界一流，迅速打垮了美系那些傻大黑粗。但隨著(zhù)摩爾定律的進(jìn)展，芯片尺寸越來(lái)越小曝光多達幾十層，對齊套刻(overlay)的挑戰越來(lái)越高。日系的精密加工也是有極限的，如同日系消費電子產(chǎn)業(yè)從模擬轉換到數字后遭受慘敗，軟件控制是對機械控制的降維打擊?，F代光刻是Stepper+Scanner+高精測量+計算光刻等一堆的集成，所以叫Lithography System(這大概是現在光刻機最正式的英文)。我們在之前的文章里反復提到，日系產(chǎn)品的軟件設計不可思議地奇怪，比如多年后索尼夏普的彩電遙控器上還是密密麻麻的小按鈕。不知道是不是日本文化更重視看得見(jiàn)摸得著(zhù)的硬件，反正日系的軟件基因一直發(fā)育不良。三、網(wǎng)上大家都傳，認為浸入式光刻是尼康敗于A(yíng)SML的關(guān)鍵一戰，我倒不這么認為。浸入式本身也可算是機械實(shí)現，難度不算高，而且尼康也確實(shí)很快做出來(lái)了。導致尼康潰敗的，應該是ASML的雙工臺TwinScan。TwinScan的光刻機有超過(guò)十億行代碼，有無(wú)數的高精傳感器和控制器來(lái)配合軟件做到納米級的測量和定位。日系一直拿不出可以提前精測的雙工臺，這導致其機器的生產(chǎn)效率明顯不如ASML，而且自然差錯率也會(huì )更高。另外一個(gè)需要強依賴(lài)軟件的地方是所謂“計算光刻”。舉例來(lái)說(shuō)，由于光刻膠本身物理和化學(xué)特性加上光本身的折射衍射，真正膠體的變性圖案和模版并不能完全一致，軟件建模和校正則成為殺手锏。工業(yè)軟件的關(guān)鍵就是建模，比如提前算好什么牌子的膠和什么角度的光配合出的線(xiàn)條粗糙度如何，反過(guò)來(lái)再去重新設計光罩，但顯然這需要大量的歷史數據和算法庫。激光本身也會(huì )帶來(lái)鏡片或液體溫度的變化，軟件計算后可以通過(guò)微機械聯(lián)動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)補償。四、由于Mate 60系列的原因，最近大家一直在討論DUV生產(chǎn)7nm芯片，這玩意比現階段使用EUV其實(shí)更復雜：通過(guò)增加CVD層spacer實(shí)現自對準，四次曝光疊加才能完成第一層，這個(gè)overlay的精度需要1nm左右。多重曝光大幅度提高了光刻在總成本中的占比：昂貴的四個(gè)光罩加上四次浸沒(méi)光刻時(shí)間成本，而同理瑕疵也會(huì )倍增導致良率下降。記得梁先生在2020年辭職信里提到，3年多完成從28nm到7nm研發(fā)的神奇三級跳。這種跳躍并沒(méi)有設備上的不同，而是來(lái)自海峽對岸的工程師們在晶圓廠(chǎng)的know-how上面，做出了奇跡般的傳遞。到現在，我們還沒(méi)開(kāi)始討論EUV?，F在大家都已經(jīng)知道，EUV是一個(gè)橫跨超過(guò)二十年的工程奇幻。那么，ASML究竟做對了什么，可以達成這樣一個(gè)不可能的任務(wù)呢？這個(gè)話(huà)題值得寫(xiě)一本書(shū)。不過(guò)，我們想象一下，如果你是公司的老板，你會(huì )怎么做。你會(huì )去全世界找各個(gè)領(lǐng)域最頂尖的制造商，幫你按你的高標準研發(fā)零部件，對吧？但是，一個(gè)機型一年賣(mài)幾十臺，十萬(wàn)個(gè)零件，核心部件全是非標定制，每個(gè)零件的訂貨數量少得可憐，供應商愿意么？所以，不光得講情懷，你要給足夠的錢(qián)、足夠的研發(fā)時(shí)間、足夠的測試、足夠的迭代改進(jìn)時(shí)間…這大概就是尼康碰到的問(wèn)題。日系的供應商大多也是日系，如果裙帶企業(yè)不愿意做，尼康只能降低spec要求。另外不像ASML沒(méi)有退路背水一戰，尼康本身還有相機、醫療儀器等大量其它產(chǎn)品，內部拖沓扯皮也會(huì )更容易發(fā)生。其實(shí)日本研發(fā)人員在1980年代就開(kāi)始研究EUV，同步加速器產(chǎn)生光源(清華方案的老祖宗)和實(shí)驗室曝光納米級線(xiàn)條30多年前就成功了。五、氙氣是后來(lái)大家一致認可的產(chǎn)生EUV光的方案，因為相對簡(jiǎn)單。在2000年前后有大量相關(guān)論文，包括英特爾在2004年安裝的EUV實(shí)驗裝置也是用氙，尼康也押寶在氙，但最終還是無(wú)法解決轉換效能低和污染問(wèn)題。ASML倒是老早就押寶在錫身上。錫并不是個(gè)很好的EUV方案，開(kāi)始用激光擊打固體錫總是產(chǎn)生大量碎片，而且錫片本身會(huì )阻擋掉大半寶貴的等離子體。ASML大概做了10年錫EUV，在2010年第一代EUV NXE3100上，可用功率也只有10W。這是什么意思呢？大概一小時(shí)只能生產(chǎn)幾片晶圓，這種效率不會(huì )有人買(mǎi)單的。同樣，光講情懷搞不定卡脖子的供應商。ASML在2012年走上絕路的標志，就是它把當年早些英特爾、臺積電和三星購買(mǎi)其23%股份時(shí)承諾的研發(fā)投入17億美元，自己再加了9億一股腦全用在高溢價(jià)收購激光光源供應商Cymer身上了。工程師們用激光轟擊液體錫滴，但錫滴是球型的，激光接觸面自然是很小的。為了盡可能達到盡可能高的轉換效率，錫滴越小越好，而且最好激光擊打到一個(gè)凹進(jìn)去的形狀里。這種想法提給工程師以后，很難想象得給他們喝多少雞血才行。反正最后的方案是這樣的，錫滴一小滴一小滴滴下來(lái)，先用低能量激光把錫滴打變形出來(lái)凹餅狀，再用高能量激光打在凹坑里產(chǎn)生寶貴的EUV。聽(tīng)起來(lái)是不是也不算難？問(wèn)題是，液滴只有30微米大，每秒5萬(wàn)滴以時(shí)速近300邁噴出來(lái)，然后兩槍激光必須每一次都要準確地第一槍打凹，第二槍打在凹坑里：每秒10萬(wàn)槍。這樣的高效率，終于使得EUV光刻機的可用功率達到200多W，達到量產(chǎn)上百片晶圓目標。在2004年ASML、尼康和佳能聯(lián)合制定的EUV光源目標中，功率只有110W，可見(jiàn)當時(shí)大家期望都不高。但今天，ASML已經(jīng)把目標定在450W了。六、“我聽(tīng)說(shuō)ASML對晶圓臺啟動(dòng)移動(dòng)的瞬間光子的浪費都感到可惜，因為EUV射線(xiàn)太寶貴了。為了保證產(chǎn)能，他們必須和時(shí)間賽跑，盡可能提高晶圓的移動(dòng)速度，但臺面飛快地加速和減速時(shí)，還不能產(chǎn)生一絲震動(dòng)?！?—-《和時(shí)間旅行者討論半導體》為了盡可能提高曝光效率，晶圓臺的移動(dòng)要越快越好，那么要多快呢？5個(gè)g的加速度，同時(shí)量測速度是一秒鐘2萬(wàn)次，保證晶圓臺飛一般地移動(dòng)到正確的位置。那么問(wèn)題來(lái)了，得配備什么樣的傳感器才能精準到這種程度呢？ASML官方說(shuō)，這些傳感器的精度是60皮米，也就是0.06納米。即使這樣，ASML覺(jué)得還沒(méi)做夠，他們實(shí)現了7個(gè)g的晶圓臺加速度，這樣可以達到15秒處理一片晶圓，而在這15秒內要掃描曝光約100個(gè)地方。要知道晶圓臺是托著(zhù)12寸晶圓的大玩意，這么快的移動(dòng)速度，怎么能不產(chǎn)生振動(dòng)和熱量呢？ASML之前的TwinScan臺是空氣懸浮的，這樣摩擦阻力可以很小。但隨著(zhù)芯片做到7nm以下，問(wèn)題又來(lái)了，氣懸的空氣會(huì )隨著(zhù)晶圓臺高速移動(dòng)產(chǎn)生擾流，擾流會(huì )影響量測干涉儀的精度，這樣就難以達到納米級對準了。怎么辦呢？ASML咬牙把氣懸浮改成了磁懸浮，這不就沒(méi)空氣了么，也避免了空氣被加熱的問(wèn)題。但說(shuō)起來(lái)容易，磁浮會(huì )帶來(lái)超強磁場(chǎng)，副作用肯定也得解決。那么，這樣就可以了嗎？七、悲催的是，我們還沒(méi)討論最重要的光路設計呢。我想大家都看過(guò)EUV示意圖。有小伙伴問(wèn)，既然EUV光線(xiàn)這么寶貴，為什么要反射這么多次？每次要損失近一半的光子呢，按一次50%損失反射6次就只剩2%不到了。對，即使蔡司制作的這些反射鏡是地球上最平整的平面(每個(gè)鏡子有四五十層硅和鉬交替的涂層，還得確保每層的厚度是EUV波長(cháng)的一半)，仍然讓EUV光損失慘重。這里有好多講究，一個(gè)是光不能隨意拐彎，為了機器不是巨大塞不進(jìn)飛機，光路設計要考慮空間。不考慮空間的體育記者手里的大炮相機和考慮空間的手機相機，差別是很大的。較大的入射角也是不行的，會(huì )導致更多的相差和損失。EUV光子需要匯聚成線(xiàn)后先掃過(guò)光罩(也是鏡子)，反射光需要縮小到1/4再掃過(guò)晶圓上橡皮大的曝光區(Field)，這個(gè)縮小過(guò)程更需要嚴格的對焦和光路設計，所以這些鏡子并不是平面鏡，而是帶焦點(diǎn)的縮小鏡。只要是光學(xué)器件就會(huì )有缺陷，光路設計好則有可能補償掉其中大部分。聽(tīng)朋友傳謠說(shuō)，蔡司一開(kāi)始是不想玩這個(gè)游戲的，一年生產(chǎn)幾十套這個(gè)鏡子，能賺幾個(gè)錢(qián)？而且為了生產(chǎn)它們，需要幾層樓高的超級真空腔和巨型機械手。更悲催的是做出來(lái)稍微有點(diǎn)瑕疵，ASML還不要。這個(gè)謠言也許是真的，因為大約到了2015年ASML啟動(dòng)High-NA EUV項目時(shí)(當時(shí)Low-NA EUV還遠未通過(guò)客戶(hù)驗證)，蔡司真的準備撂挑子了。當時(shí)還不富裕的ASML咬牙花10億歐元買(mǎi)下蔡司半導體部1/4的股份，再加上承諾未來(lái)6年給半導體部撥款7.6億歐元。八、High-NA EUV系統已經(jīng)是ASML能看到的一條絕路了。問(wèn)題是，周?chē)』锇閭儏s認為那也許是一條死路。臺積電和英特爾都對手里的ASML股票做了清倉式減持(《臺積電等三巨頭投資ASML的真相》)。歷史是必須要回看的，身在其中必然無(wú)法體會(huì )期間的奧秘。第一臺EUV跳票10年，確實(shí)是碰到的問(wèn)題太多了。我們舉個(gè)小例子：現在的EUV是一臺1.5兆瓦的功率巨獸，激光就像帶著(zhù)火把在森林里放火，每到一處產(chǎn)生的溫度變化都不可避免導致器件變形變異，而在高端芯片上是錯開(kāi)1.5nm上下層就對不上了。我們說(shuō)過(guò)帶有芯片圖案的母版光罩也是鏡子，這玩意大概30萬(wàn)美元一個(gè)，高能激光會(huì )導致光罩是有壽命的。別的鏡子上有點(diǎn)瑕疵還好，大不了丟幾個(gè)光子，而光罩上的瑕疵則直接導致芯片失效。還有一個(gè)問(wèn)題是，小的雜質(zhì)顆粒會(huì )掉到上面。原來(lái)設計師的思路是，EUV光路是全真空的，根本不用考慮雜質(zhì)的事?？涩F實(shí)情況是，鬼知道哪里來(lái)的肉眼根本看不到的小東西。晶圓廠(chǎng)通常只能在發(fā)現缺陷后，停機把光罩摘下來(lái)干洗或濕洗，反正是損失巨大。有人說(shuō)，不如給光罩貼個(gè)膜，發(fā)現問(wèn)題撕了再貼一張不就好了。這個(gè)思路倒是一點(diǎn)都不蠢，居然和工程師想的一樣。但什么樣的膜才能讓寶貴的EUV光線(xiàn)進(jìn)去再反射回來(lái)還沒(méi)損失呢？要知道EUV打在上面可以升溫超過(guò)600度呢。要知道玻璃都能吸收EUV我們才改用鏡子的，這個(gè)膜得足夠薄還要有足夠的強度來(lái)保證平整。沒(méi)有光線(xiàn)損失是不可能的，很多廠(chǎng)家參與了挑戰但大多最終放棄了。ASML自己做了無(wú)數試驗最終選了一款50nm厚的多晶硅膜，大概是女士面膜1/50000那么厚，大概可以實(shí)現只損失10%的EUV。ASML為了吸引客戶(hù)，把這個(gè)膜做成自動(dòng)的，自動(dòng)量測膜上的雜質(zhì)，再用機械手自動(dòng)把它遮擋到光罩上。雖然已經(jīng)精益求精了，但這10%的光線(xiàn)損失也讓晶圓廠(chǎng)肝疼，因為它很可能導致產(chǎn)能降低。而且這膜壽命也就扛一兩天而已，所以晶圓廠(chǎng)對于小尺寸光罩有時(shí)就不用了。這件事從一個(gè)側面顯示了現在光刻機的悲催之處，就是每一處微小的改進(jìn)都需要花巨大的代價(jià)，這個(gè)代價(jià)和收益經(jīng)常是不能匹配的。九、不知道英特爾當年的CEO和CTO是怎么判斷局勢的，在10nm百般不順延誤了至少3年的情況下仍不相信EUV是能用的，手握巨額現金卻錯過(guò)了一舉扳平臺積電7nm的機會(huì )。顯然，英特爾的聰明人不會(huì )兩次在同一個(gè)地方絆倒，他們決定比臺積電更早使用High-NA EUV光刻機，在1.8nm級別(18A)時(shí)反超臺積電。不巧的是，ASML的High-NA跳票了。雖然多少nm的芯片現在已經(jīng)完全是營(yíng)銷(xiāo)術(shù)語(yǔ)，但晶體管密度的提升并不能作假。英特爾低調地不再宣傳18A是用High-NA制造，只能默默用良率不好控制的Low-NA多重曝光來(lái)實(shí)現。High-NA理論上并不是像EUV剛上馬那時(shí)那么困難，所有事情都需要顛覆重做，那它難在哪里呢？十、為了收集更多的寶貴EUV，對ASML最理想的情況是光罩的面積從6英寸大幅度增大到12英寸(光罩也是個(gè)反射鏡)，這樣產(chǎn)能(吞吐量)也會(huì )更大。但晶圓廠(chǎng)、光罩廠(chǎng)、檢測設備廠(chǎng)齊齊投了反對票，甚至增大到7英寸都不同意，畢竟他們要為光罩這么個(gè)消耗品買(mǎi)單。但High-NA就意味著(zhù)更大的反射鏡，壓力全留給了ASML，然后轉嫁給蔡司。據說(shuō)最后光路中的反射鏡有1米多寬，比普通EUV長(cháng)了一倍。更悲催的是，這樣的鏡子從普通EUV的40公斤一片陡增到360公斤一片。如此重而且大的鏡子，用怎樣的夾具才能保持世界上最平整的表面沒(méi)有變形呢？具體我也不知道。但看宣傳稿，蔡司是用在巨大的真空室里用巨大的機器人抓著(zhù)它的。我們回到光罩這個(gè)最復雜的鏡子上來(lái)，由于面積不許增大，圖案分辨率要求入射角也不能增大，就只能采用x和y軸不同縮小倍數的反射鏡了(也就是一個(gè)軸是哈哈鏡)，最終到達晶圓的掃描光場(chǎng)是普通EUV的一半大小，這算是達到0.55NA的折中方案。聽(tīng)起來(lái)還好，但這個(gè)高精度哈哈鏡和做平面鏡的難度顯然不是一個(gè)量級了。更復雜的是掃描光場(chǎng)小了一倍，兩個(gè)光場(chǎng)怎么才能納米級拼接呢？輔助的量測系統又要大改。還有一個(gè)大麻煩的是，NA增大后最終光線(xiàn)聚焦的焦深變淺了。光刻膠是一層三維立體的東西，足夠的焦深才能使足夠厚度的光刻膠吸收光能后變性。光刻膠得重新研發(fā)，另外晶圓的平整度要求比以前更高了(否則淺焦深覆蓋不了硅片表面起伏)，這又涉及到產(chǎn)業(yè)鏈一系列變化。高NA還要求被擠爆牙膏的激光功率再一次提升，而且打擊錫滴的激光從每秒5萬(wàn)滴再增加20%以上。但是，這種超級功率巨獸散發(fā)出的各種能量，又是引起整臺機器內部溫度變形的各種要解決的麻煩?？傊?，High-NA EUV并不是普通EUV的簡(jiǎn)單升級，這玩意兒幾乎是照著(zhù)極限新設計一臺，所以一個(gè)“升級”又花了十年。悲催的是，Hyper-NA EUV將是同樣地每個(gè)極限再突破全重來(lái)一遍，這就是范登布林克“絕望”的地方。十一、結束語(yǔ)ASML在過(guò)去三十年大概出了五六千臺光刻機。令人無(wú)比驚訝的是，其中95%的機器仍然在晶圓廠(chǎng)正常工作，其中包括了1800臺《光刻巨人》里的傳奇老機器PAS5500。在中國也有無(wú)數海外流入的二手機器在跑，ASML每年也在翻新和維護大量老機器。這樣的商業(yè)模式聽(tīng)起來(lái)很奇怪吧？老的不淘汰，新的賣(mài)給誰(shuí)??？這就是信息時(shí)代的力量。人類(lèi)信息技術(shù)和存儲對芯片需求爆炸性的增長(cháng)，給了光刻機不斷成長(cháng)和發(fā)展的空間。這么看來(lái)，ASML顯然是時(shí)代發(fā)展的寵兒。那么，它的光刻機走上“絕路”，是好事還是壞事呢？