EUV光刻，最終勝出！

來源：半導體行業(yè)觀察

半個多世紀以來，半導體行業(yè)按照摩爾定律不斷發(fā)展，驅動了一系列的科技創(chuàng)新。隨著器件尺寸越來越逼近物理極限，摩爾定律對新一代工藝節(jié)點研發(fā)是否依然奏效成為當前全行業(yè)都在討論的問題。
其中，光刻是摩爾定律的前沿陣地。
自從1958年世界上出現(xiàn)第一塊平面IC開始，微電子技術之所以能夠創(chuàng)造如此偉大的奇跡，光刻技術立下了汗馬功勞。在所有半導體產品制造中，都需要通過光刻技術將電路圖形轉移到單晶表面或介質層上，光刻技術的不斷突破推動著集成電路密度、性能不斷翻倍，成本也愈加優(yōu)化。在過去的60年發(fā)展歷程中，光刻技術一次又一次突破分辨率極限，使得IC制造技術的工藝極限不斷被打破，摩爾定律不斷在延伸。
回顧光刻技術發(fā)展歷程，隨著工藝節(jié)點的不斷縮小，光刻技術主要經歷了紫外光刻技術（UV）、深紫外光刻技術（DUV）和極紫外光刻技術（EUV）。光刻技術采用的光波長也隨之從436nm、365nm、248nm，向193nm、13.5nm等延伸迭代。
1980s以來，光刻技術采用的光波長變化（圖源：ASML）回溯產業(yè)發(fā)展進程，光刻光源被卡在193nm無法進步長達20年。從上圖也能看到，從193nm到13.5nm光波長之間，出現(xiàn)了一大段“真空地帶”，光波長從193nm到EUV的13.5nm中間，曾經歷過哪些波折，留下了哪些故事。
時間退回到20世紀60年代，彼時距離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，光刻是最為關鍵的一環(huán)。光刻機的原理其實像幻燈機一樣簡單，就是把光通過帶電路圖的掩膜(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，那時的晶圓也只有1英寸大小。
圍繞光刻技術，GCA、Perkin-Elmer等公司開始了最初的技術與市場積累。在荷蘭飛利浦實驗室終于開始研發(fā)光刻機之際，GCA已經開發(fā)出了重復曝光光刻機，并將其推入了市場。
隨著集成電路結構逐漸縮小，接觸式光刻逐漸難以滿足精度需求，產業(yè)開始尋求光刻技術全新的突破。
1970年代末，Perkin-Elmer憑借投影掃描光刻機獲得了90%的光刻市場，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光刻機，與前者展開正面博弈。
直到1980年代初，美國的Prekin-Elmer和GCA主導著全球光刻機市場，日本的尼康、佳能開始顯現(xiàn)出強勁的發(fā)展勢頭，開始從GCA和P&E手里奪下一個接一個大客戶。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，此時其光刻機研發(fā)已經走到了窮途末路。
到了1984年，尼康已經和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易房里工作。
在競爭與演進中，時間來到八十年代中期，半導體市場陷入大滑坡。導致一幫光刻機廠商都碰到嚴重的財務問題，其中，入不敷出的ASM賣身自保，同時從ASML撤資；同樣受到影響的還有GCA和Prekin-Elmer，由于新產品開發(fā)停滯不前，這兩家曾經的巨頭先后于1988年和1990年被General Signal和SVG收購。
而彼時ASML還規(guī)模尚小，所遭損失不大，還可以按既有計劃開發(fā)新產品，得以在亂世中傴僂前行。而1980年還占據(jù)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ASML還只有大約10%的市場占有率。
光刻技術的岔路口從另一個角度來看，光刻市場的變化也對應著光刻技術的變遷。長期以來，摩爾定律被集成電路產業(yè)奉為圭臬。為了延續(xù)摩爾定律，光刻技術就需要每兩年把曝光關鍵尺寸(CD)降低30%-50%。這就引出一個公式：CD=K1*λ/NA。從公式可以看出，曝光關鍵尺寸與波長、數(shù)值孔徑以及制程因子三個參數(shù)有關。根據(jù)訴求，降低曝光關鍵尺寸，只需降低波長λ、增大數(shù)值孔徑NA或降低制程因子K1。
其中，縮短波長是較為直接的手段。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，其光譜線分別為g線（436nm）、h線（405nm）和i線（365nm）。
隨著技術演進，后續(xù)陸續(xù)開始使用248nm的KrF激光，進入1990年代，干式微影技術已經難以維系摩爾定律的演進，最終停滯在193nm波長的DUV光刻技術上，這就是著名的ArF準分子激光。
光刻機的光源波長被卡死在193nm，成為了擺在全產業(yè)面前的一道難關，也導致芯片制程在65/45nm技術節(jié)點上遇到了困難。
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，為了把193nm的光波“磨”細，大半個半導體業(yè)界都參與了進來，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的基礎上，采用157nm波長光源，走穩(wěn)健道路；新生的EUV LLC聯(lián)盟則押注更激進的極紫外技術（EUV），用僅有十幾納米的極紫外光，刻10納米以下的芯片制程。
但技術都已經發(fā)展到了這地步，不管哪一種方法做起來都不容易。
生不逢時的157nm干式光刻技術上面提到，光刻技術在追求更短波長光源的技術上卡住了。
2002年以前，業(yè)界普遍認為193nm光刻無法延伸到65nm技術節(jié)點，而157nm將成為主流技術。
157nm光刻被稱為光學方法的極限，其光源采用氟氣準分子激光，發(fā)出波長157nm附近的真空紫外光，最初的應用目標是65nm技術節(jié)點。
實際上，157nm波長的光刻技術其實在2003年就有光刻機了。然而，157nm光刻技術遭遇到了來自光刻機透鏡的巨大挑戰(zhàn)。這是由于絕大多數(shù)材料會強烈地吸收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)無法容忍。另外，157nm對193nm的波長進步只有不到25%，研發(fā)投入產出比太低。
正當眾多研究者在157nm浸入式光刻面前躊躇不前時，時任臺積電資深處長的林本堅提出了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波長但將介質從空氣改為水，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加浸入技術實際等效的波長為193 nm/1.44=134 nm，從而實現(xiàn)更高的分辨率。
然而在當時，這項技術卻被尼康、佳能等頭部企業(yè)拒之門外，他們依然對干式光刻技術寄予厚望不想額外增加成本，而只有當時并不亮眼的ASML接受了浸入式光刻技術。
浸入式光刻的成功開發(fā)是臺積電與ASML這兩家企業(yè)的重要轉折點。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的訂單。這后來也極大的促進了臺積電和ASML的合作發(fā)展，為ASML后來超越尼康和佳能埋下了伏筆。隨后幾年，浸入式光刻占據(jù)了先進節(jié)點工藝的主導地位，一直持續(xù)優(yōu)化，把工藝節(jié)點突破到22nm。
加上后來不斷改進的高NA鏡頭、多光罩、FinFET、Pitch-split、波段靈敏的光刻膠等技術，浸入式193nm光刻機一直做到了芯片的7nm制程(蘋果A12和華為麒麟980)。
浸入式光刻的出現(xiàn)無形當中宣判了干式微影光刻技術的死亡，在ASML推出浸入式193nm產品的前后腳，尼康也宣布其157nm產品以及EPL產品樣機完成。然而，浸入式屬于小改進大效果，產品成熟度非常高，所以幾乎沒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，但始終落后一程。
從市場角度出發(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，英特爾倒向ASML使得尼康失去了挑戰(zhàn)摩爾定律的勇氣。憑借浸入式光刻技術，ASML于2007年以60%的市占率超越尼康，成為光刻市場的領導者。
對157nm來講，2003年是個銘記于心的年份，5月份英特爾公司突然宣布放棄157nm技術，將繼續(xù)使用193nm浸入式光刻技術進行65nm及45nm的制程，并繼續(xù)拓展193nm浸入式光刻技術，使之能夠適應更深層次的工藝需求，同時計劃采用極紫外光（EUV）來制作22nm以下的制程。
英特爾的此舉尤如重量級炸彈一樣，因為實則上將157nm技術跳了過去。眾所周知，彼時的英特爾是全球光刻設備最大的買主，其任何動作都將在全球半導體業(yè)界引起極大反響。而不采購157nm光刻相關設備，則意味著英特爾放棄了這個被稱為傳統(tǒng)意義上光學極限的光刻技術。ITRS 2005路線圖實際上已經把157nm光刻技術拋棄（圖源：中關村在線）到2010年，193nm液浸式光刻系統(tǒng)已能實現(xiàn)32nm制程產品，并在20nm以下節(jié)點發(fā)揮重要作用，浸沒式光刻技術憑借展現(xiàn)出巨大優(yōu)勢，成為EUV之前能力最強且最成熟的技術。光刻技術分水嶺（圖源：西南電子）作為ASML遇到的第一個“貴人”。臺積電在技術、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”方案，ASML將光源波長一舉從193nm縮短到134nm。此后，ASML開啟了快速蠶食光刻機市場的時代。
EUV光刻漸成主流
在業(yè)界尋求突破193nm光刻瓶頸時，EUV也是其中一個方向，然而受限于當時的技術水平，這項技術一直沒能實現(xiàn)。從1997年成立到2003年解散，EUV LLC聯(lián)盟集中全產業(yè)鏈之力，推進了EUV光刻技術的研究進程。

在22nm節(jié)點之后，DUV已經很難再繼續(xù)優(yōu)化了。在研究了1990年代的幾種預期技術之后，半導體行業(yè)逐漸達成共識，極紫外（EUV）波長的光刻技術是最好的前進之路，成為近年來英特爾、臺積電、三星等芯片公司追捧的新寵。
由于157nm波長的光線不能穿透純凈水，無法和浸入技術結合。因此，準分子激光光源只發(fā)展到了ArF。通過浸沒式光刻和雙重光刻等工藝，第四代ArF光刻機最高可以實現(xiàn)22nm制程的芯片生產，但是在摩爾定律的推動下，半導體產業(yè)對于芯片制程的需求已經發(fā)展到 14nm、10nm，甚至7nm，ArF光刻機已無法滿足這一需求，半導體產業(yè)將希望寄予第五代EUV光刻機。EUV光學系統(tǒng)簡圖（圖源：lithography gets extreme）EUV技術最明顯的特點是曝光波長一下子降到13.5nm，用13.5nm波長的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(zhàn)，因為在如此短波長的光源下，幾乎所有物質都有很強的吸收性，EUV技術的關鍵難點在于材料吸收，因為波長太短光子能量很高，基本上大部分材料都會很容易的吸收EUV光源，導致光源到達工作面時光強很弱，所以設計時，材料的選取是非常關鍵，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(xiàn)，必定是影響一整條產業(yè)鏈的格局，因為不同光源對掩膜材料，光刻膠材料，光學鏡頭等都獨特的要求。
從市場進展來看，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的樣機，而在這研發(fā)過程中，英特爾、三星、臺積電這些半導體大廠的也輸了不少血。2006年全球首臺EUV光刻機原型此后，ASML憑借EUV光刻技術，逐漸成為光刻機市場不可撼動的霸主。2012年，英特爾、臺積電、三星等廠商紛紛注資入股ASML，以支持其EUV光刻技術的改進與升級，從而換取優(yōu)先供貨權。
2013年之后，為加速EUV技術的發(fā)展，ASML不斷進行并購整合，陸續(xù)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光刻領域，ASML于二十余年內投資超60億歐元，并于2020年實現(xiàn)了EUV光刻機大規(guī)模量產。
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。截至2022年第一季度，ASML已出貨136個EUV系統(tǒng)，約7000萬個晶圓已曝光。ASML EUV系統(tǒng)銷量（圖源：ASML）光刻技術的過去與未來根據(jù)光刻機所用光源改進和工藝創(chuàng)新，光刻機經歷了5代產品發(fā)展，每次改進和創(chuàng)新都顯著提升了光刻機所能實現(xiàn)的最小工藝節(jié)點。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，但由于掩模版與基片之間有一定間隙，成像質量受到影響，分辨率下降。
第三代為掃描投影式光刻機，利用光學透鏡可以聚集衍射光提高成像質量將曝光方式創(chuàng)新為光學投影式光刻，以掃描的方式實現(xiàn)曝光，光源也改進為248nm的KrF激光，實現(xiàn)了跨越式發(fā)展，將最小工藝推進至180-130nm。
第四代為步進式掃描投影光刻機，最具代表性的光刻機產品，1986年由ASML首先推出，采用193nm ArF激光光源，實現(xiàn)了光刻過程中，掩模和硅片的同步移動，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效率提升了一個臺階。
第五代為EUV光刻機，采用波長為13.5nm的激光等離子體光源作為光刻曝光光源。在摩爾定律的推動下，半導體產業(yè)對于芯片的需求已經發(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(zhàn)。第五代 EUV光刻機，可將最小工藝節(jié)點推進至5nm、3nm。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。
下一步，據(jù)ASML透露，EUV技術將實現(xiàn)0.55數(shù)值孔徑的EUV光刻機，該項目正在進行中。0.55 NA EUV平臺將繼續(xù)為未來節(jié)點實現(xiàn)經濟高效的擴展，具有更高數(shù)值孔徑的新型光學設計，有望使芯片尺寸減小1.7倍，進一步提高分辨率，并將微芯片密度提高近3倍。第一個EUV 0.55 NA平臺早期接入系統(tǒng)預計將在2023年投入使用，預計客戶將在2024-2025年開始研發(fā)，2025-2026年進入客戶的大批量生產。ASML EUV系統(tǒng)路線圖（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一步的創(chuàng)新，它們將進一步降低K1系數(shù)，并使收縮率在下一個十年得以延續(xù)。
寫在最后縱觀光刻技術的發(fā)展歷程，這項最精密復雜、難度最高、價格高昂的技術，在漫長的發(fā)展過程中，不斷推動著摩爾定律的演進，讓全球半導體產業(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，讓光刻技術一次次走到岔路口。市場角逐，巨頭廝殺，無不在摩爾定律的推動下，再迎來一次又一次突破。

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