半導體巨頭為什么追捧EUV光刻機

近些年來EUV光刻這個詞大家應該聽得越來越多，三星在去年發(fā)布的Exynos 9825 SoC就是首款采用7nm EUV工藝打造的芯片，臺積電的7nm+也是他們首次使用EUV光刻的工藝，蘋果的A13和華為麒麟990用的就是這工藝，Intel也打算在他們的7nm節(jié)點上切入到EUV工藝，為什么這些半導體巨頭們都在追捧EUV工藝呢？

首先我們了解一下什么是EUV光刻機

芯片制作過程中，紫外線曝光是其中一步，而這個步驟就是由光刻機所執(zhí)行的，它是芯片生產(chǎn)的核心，也是這個步驟決定了芯片的制程工藝。而光刻的工作原理，大家可以想象一下膠片照片的沖洗，掩膜版就相當于膠片，而光刻機就是沖洗臺，它把掩膜版上的芯片電路一個個的復制到光刻膠薄膜上，然后通過刻蝕技術把電路“畫”在晶圓上。

當時實際過程肯定沒這么簡單，上圖是ASML典型的沉浸式步進掃描光刻機為例來看下光刻機是怎么工作的——首先是激光器發(fā)光，經(jīng)過矯正、能量控制器、光束成型裝置等之后進入光掩膜臺，上面放的就設計公司做好的光掩膜，之后經(jīng)過物鏡投射到曝光臺，這里放的就是8寸或者12英寸晶圓，上面涂抹了光刻膠，具有光敏感性，紫外光就會在晶圓上蝕刻出電路。

而激光器負責光源產(chǎn)生，而光源對制程工藝是決定性影響的， 隨著半導體工業(yè)節(jié)點的不斷提升，光刻機縮激光波長也在不斷的縮小，從436nm、365nm的近紫外（NUV）激光進入到246nm、193nm的深紫外（DUV）激光，現(xiàn)在DUV光刻機是目前大量應用的光刻機，波長是193nm，光源是ArF（氟化氬）準分子激光器。

從45nm到10/7nm工藝都可以使用這種光刻機，但是到了7nm這個節(jié)點已經(jīng)的DUV光刻的極限， 所以Intel、三星和臺積電都會在7nm這個節(jié)點引入極紫外光（EUV）光刻技術，而GlobalFoundries當年也曾經(jīng)研究過7nm EUV工藝，只不過現(xiàn)在已經(jīng)放棄了。

而使用極紫外光（EUV）作為光源的光刻機就是EUV光刻機，當然這絕對不是單純只換個光源這么簡單。

為什么需要EUV光刻？

現(xiàn)在所用的193nm光源DUV其實是2000年代就開始使用的了，然而在更短波長光源技術上卡住了，157nm波長的光刻技術其實在2003年就有光刻機了，然而對比193nm波長的進步只有25%，但由于157nm的光波會比193nm所用的鏡片吸收，鏡片和光刻膠都要重新研制，再加上當時成本更低的浸入式193nm技術已經(jīng)出來了，所以193nm DUV光刻一直用到現(xiàn)在。

當然大家一定想知道為啥同一光源為什么可以衍生出這么多不同工藝節(jié)點，以Intel為例，2000年用的是180nm，而現(xiàn)在已經(jīng)是10nm了，其實光刻機決定了半導體工藝的制程工藝，光刻機的精度跟光源的波長、物鏡的數(shù)值孔徑是有關系的，有公式可以計算：光刻機分辨率=k1*λ/NA。

k1是常數(shù)，不同的光刻機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，這樣光刻機分辨率就越高，制程工藝越先進。

最初的浸入式光刻就是很簡單的在晶圓光刻膠上加1mm厚的水，水可以把193nm的光波長折射成134nm，后來不斷改進高NA鏡片、多光照、FinFET、Pitch-split以及波段鈴木的光刻膠等技術，一只用到現(xiàn)在的7nm/10nm，但這已經(jīng)是193nm光刻機的極限了。

在現(xiàn)有技術條件上，NA數(shù)值孔徑并不容易提升，目前使用的鏡片NA值是0.33，大家可能還記得之前有過一個新聞，就是ASML投入20億美元入股卡爾·蔡司公司，雙方將合作研發(fā)新的EUV光刻機。

許多人不知道EUV光刻機跟蔡司有什么關系，現(xiàn)在應該明白了，ASML跟蔡司合作就是研發(fā)NA 0.5的光學鏡片，這是EUV光刻機未來進一步提升分辨率的關鍵，不過高NA的EUV光刻機至少是2025-2030年的事了，還早著呢，光學鏡片的進步比電子產(chǎn)品難多了。

NA數(shù)值一時間不能提升，所以光刻機就選擇了改變光源，用13.5nm波長的EUV取代193nm的DUV光源，這樣也能大幅提升光刻機的分辨率。

在上世紀90年代后半期，大家都在尋找取代193nm光刻光源的技術，提出了包括157nm光源、電子束投射、離子投射、X射線和EUV，而從現(xiàn)在的結果來看只有EUV是成功了。

當初由Intel和美國能源部牽頭，集合了摩托羅拉、AMD等公司還有美國的三大國家實驗室組成EUV LLC，ASML也被邀請進入成為EUV LLC的一份子。在1997到2003年間，EUV LLC的幾百位科學家發(fā)表了大量論文，證明了EUV光刻機的可行性，然后EUV LLC解散。

接下來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)過程中，Intel、三星、臺積電這些半導體大廠的輸血是絕對不少的。

作為全球唯一一家能EUV光刻機的廠家，ASML自然獲得了大量的訂單，截止至2019年第二季度，ASML的NEX:3400B EUV光刻機的裝機數(shù)已經(jīng)多達38臺，而下半年他們推出了效率更高的NEX:3400C光刻機。

在2019年 全年一共交付了26套EUV光刻機，為他們帶來了27.89億歐元的收入，占了全年收入的31%，而全年賣了82臺的ArFi遠紫外光光刻機才進賬47.67億歐元，可見一套EUV光刻機是多么的賺錢。

盡管EUV光刻機相當之貴，接近1.2億美元一臺（約合人民幣8.4億元），但半導體廠商還是愿意去投入，因為7nm以及以上的工藝的確需要EUV光刻機，幾時同樣的7nm工藝，使用EUV光刻技術之后晶體管密度和性能都變得更好，根據(jù)臺積電給出的數(shù)據(jù)，相較于初代7nm工藝，7nm EUV（N7+）可以提供1.2倍的密度提升，同等功耗水平下提供10%的性能增幅，或者同性能節(jié)省15%的功耗。

現(xiàn)在三星和臺積電都已經(jīng)使用7nm EUV工藝開始生產(chǎn)芯片了，預定今年發(fā)布的AMD Zen 3架構第四代銳龍處理器用的就是臺積電7nm EUV工藝，Intel現(xiàn)在的10nm工藝還沒用上EUV技術，不過預定在7nm工藝時期用上EUV光刻，國內(nèi)的中芯國際也從ASML訂購了一臺EUV光刻機，但因為種種問題，現(xiàn)在交貨時間還未明確。