ASML光刻機(jī)是怎樣一步步走上絕路的

作為最早在網(wǎng)上連載《光刻機(jī)之戰(zhàn)》系列和翻譯出版ASML傳記《光刻巨人》的始作俑者，我近兩年一直躲開這個話題。一方面因為深入技術(shù)討論的門檻越來越高，另外一方面實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，讓我突然想給過去的一點歷史做個小注腳?？催^《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ASML的技術(shù)領(lǐng)路人。去年范登布林克在接受采訪時，曾暗示目前即將出貨的High-NA EUV光刻機(jī)(NA=0.55)可能是ASML最后一代產(chǎn)品。雖然業(yè)界已經(jīng)開始在討論Hyper-NA(超NA，即NA>0.7)，但老范認(rèn)為它的成本會恐怖到不可能，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簡單地說，是來描述系統(tǒng)可以收集和聚焦多少的光)用比EUV更短波長的光(射線)呢？也被否決了。因為波長再降低，反射角調(diào)整會導(dǎo)致光損失到難以承受，光路上反射鏡如果增大很多倍會導(dǎo)致光刻機(jī)變成個難以生產(chǎn)和運輸?shù)拇蠊治?。接下來，我們回顧一下，ASML光刻機(jī)是怎樣一步步走上“絕路”的。一、光刻這個詞，全名叫Photolithography，簡稱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?，F(xiàn)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。請記住套印這個詞(overlay)，也是把光刻機(jī)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(zhǔn)的精度。印刷機(jī)的套印精度大概是0.05mm，據(jù)說這樣就夠騙過人眼了，而最先進(jìn)的光刻機(jī)overlay精度是<1nm，兩者差了5萬倍。早期光刻機(jī)的原理和印刷確實也是一毛一樣的，有圖案和沒圖案的地方通過光敏膠曝光再刻蝕分開，多次曝光要對齊，所以叫對齊機(jī)(Aligner)，臺灣地區(qū)干脆叫它曝光機(jī)。但你要真以為印刷就這么簡單，那就天真了。印刷機(jī)的設(shè)計不僅要精細(xì)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越高，它們的粘度和厚度又會怎樣變化？怎樣保證不同顏色不會互相污染？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(jī)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題。二、光刻機(jī)從Aligner到Stepper(步進(jìn)光刻機(jī))，是一次微機(jī)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)移動曝光一個小方塊，那時還用的是簡單的汞燈。Stepper升級到Scanner(掃描光刻機(jī))，因為激光光源越來越珍貴，光頭從方塊光場變成一條線掃描(和復(fù)印機(jī)那一條光原理橫掃一樣)。Scanner的機(jī)械實現(xiàn)技術(shù)難度成指數(shù)級數(shù)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(jī)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(jī)、攝錄像機(jī)、Walkman和Diskman等，后來喬布斯為了給第一代iPod裝上硬幣大小的微硬盤，也得去找東芝。因此，在Stepper和Scanner的時代，日本尼康和佳能背靠著日本優(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。但隨著摩爾定律的進(jìn)展，芯片尺寸越來越小曝光多達(dá)幾十層，對齊套刻(overlay)的挑戰(zhàn)越來越高。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(zhuǎn)換到數(shù)字后遭受慘敗，軟件控制是對機(jī)械控制的降維打擊?，F(xiàn)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(xiàn)在光刻機(jī)最正式的英文)。我們在之前的文章里反復(fù)提到，日系產(chǎn)品的軟件設(shè)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摸得著的硬件，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(rèn)為浸入式光刻是尼康敗于ASML的關(guān)鍵一戰(zhàn)，我倒不這么認(rèn)為。浸入式本身也可算是機(jī)械實現(xiàn)，難度不算高，而且尼康也確實很快做出來了。導(dǎo)致尼康潰敗的，應(yīng)該是ASML的雙工臺TwinScan。TwinScan的光刻機(jī)有超過十億行代碼，有無數(shù)的高精傳感器和控制器來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(dǎo)致其機(jī)器的生產(chǎn)效率明顯不如ASML，而且自然差錯率也會更高。另外一個需要強(qiáng)依賴軟件的地方是所謂“計算光刻”。舉例來說，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條粗糙度如何，反過來再去重新設(shè)計光罩，但顯然這需要大量的歷史數(shù)據(jù)和算法庫。激光本身也會帶來鏡片或液體溫度的變化，軟件計算后可以通過微機(jī)械聯(lián)動進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)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(xiàn)階段使用EUV其實更復(fù)雜：通過增加CVD層spacer實現(xiàn)自對準(zhǔn)，四次曝光疊加才能完成第一層，這個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：昂貴的四個光罩加上四次浸沒光刻時間成本，而同理瑕疵也會倍增導(dǎo)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。這種跳躍并沒有設(shè)備上的不同，而是來自海峽對岸的工程師們在晶圓廠的know-how上面，做出了奇跡般的傳遞。到現(xiàn)在，我們還沒開始討論EUV?，F(xiàn)在大家都已經(jīng)知道，EUV是一個橫跨超過二十年的工程奇幻。那么，ASML究竟做對了什么，可以達(dá)成這樣一個不可能的任務(wù)呢？這個話題值得寫一本書。不過，我們想象一下，如果你是公司的老板，你會怎么做。你會去全世界找各個領(lǐng)域最頂尖的制造商，幫你按你的高標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)零部件，對吧？但是，一個機(jī)型一年賣幾十臺，十萬個零件，核心部件全是非標(biāo)定制，每個零件的訂貨數(shù)量少得可憐，供應(yīng)商愿意么？所以，不光得講情懷，你要給足夠的錢、足夠的研發(fā)時間、足夠的測試、足夠的迭代改進(jìn)時間…這大概就是尼康碰到的問題。日系的供應(yīng)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沒有退路背水一戰(zhàn)，尼康本身還有相機(jī)、醫(yī)療儀器等大量其它產(chǎn)品，內(nèi)部拖沓扯皮也會更容易發(fā)生。其實日本研發(fā)人員在1980年代就開始研究EUV，同步加速器產(chǎn)生光源(清華方案的老祖宗)和實驗室曝光納米級線條30多年前就成功了。五、氙氣是后來大家一致認(rèn)可的產(chǎn)生EUV光的方案，因為相對簡單。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實驗裝置也是用氙，尼康也押寶在氙，但最終還是無法解決轉(zhuǎn)換效能低和污染問題。ASML倒是老早就押寶在錫身上。錫并不是個很好的EUV方案，開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？大概一小時只能生產(chǎn)幾片晶圓，這種效率不會有人買單的。同樣，光講情懷搞不定卡脖子的供應(yīng)商。ASML在2012年走上絕路的標(biāo)志，就是它把當(dāng)年早些英特爾、臺積電和三星購買其23%股份時承諾的研發(fā)投入17億美元，自己再加了9億一股腦全用在高溢價收購激光光源供應(yīng)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(dá)到盡可能高的轉(zhuǎn)換效率，錫滴越小越好，而且最好激光擊打到一個凹進(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，先用低能量激光把錫滴打變形出來凹餅狀，再用高能量激光打在凹坑里產(chǎn)生寶貴的EUV。聽起來是不是也不算難？問題是，液滴只有30微米大，每秒5萬滴以時速近300邁噴出來，然后兩槍激光必須每一次都要準(zhǔn)確地第一槍打凹，第二槍打在凹坑里：每秒10萬槍。這樣的高效率，終于使得EUV光刻機(jī)的可用功率達(dá)到200多W，達(dá)到量產(chǎn)上百片晶圓目標(biāo)。在2004年ASML、尼康和佳能聯(lián)合制定的EUV光源目標(biāo)中，功率只有110W，可見當(dāng)時大家期望都不高。但今天，ASML已經(jīng)把目標(biāo)定在450W了。六、“我聽說ASML對晶圓臺啟動移動的瞬間光子的浪費都感到可惜，因為EUV射線太寶貴了。為了保證產(chǎn)能，他們必須和時間賽跑，盡可能提高晶圓的移動速度，但臺面飛快地加速和減速時，還不能產(chǎn)生一絲震動。” —-《和時間旅行者討論半導(dǎo)體》為了盡可能提高曝光效率，晶圓臺的移動要越快越好，那么要多快呢？5個g的加速度，同時量測速度是一秒鐘2萬次，保證晶圓臺飛一般地移動到正確的位置。那么問題來了，得配備什么樣的傳感器才能精準(zhǔn)到這種程度呢？ASML官方說，這些傳感器的精度是60皮米，也就是0.06納米。即使這樣，ASML覺得還沒做夠，他們實現(xiàn)了7個g的晶圓臺加速度，這樣可以達(dá)到15秒處理一片晶圓，而在這15秒內(nèi)要掃描曝光約100個地方。要知道晶圓臺是托著12寸晶圓的大玩意，這么快的移動速度，怎么能不產(chǎn)生振動和熱量呢？ASML之前的TwinScan臺是空氣懸浮的，這樣摩擦阻力可以很小。但隨著芯片做到7nm以下，問題又來了，氣懸的空氣會隨著晶圓臺高速移動產(chǎn)生擾流，擾流會影響量測干涉儀的精度，這樣就難以達(dá)到納米級對準(zhǔn)了。怎么辦呢？ASML咬牙把氣懸浮改成了磁懸浮，這不就沒空氣了么，也避免了空氣被加熱的問題。但說起來容易，磁浮會帶來超強(qiáng)磁場，副作用肯定也得解決。那么，這樣就可以了嗎？七、悲催的是，我們還沒討論最重要的光路設(shè)計呢。我想大家都看過EUV示意圖。有小伙伴問，既然EUV光線這么寶貴，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波長的一半)，仍然讓EUV光損失慘重。這里有好多講究，一個是光不能隨意拐彎，為了機(jī)器不是巨大塞不進(jìn)飛機(jī)，光路設(shè)計要考慮空間。不考慮空間的體育記者手里的大炮相機(jī)和考慮空間的手機(jī)相機(jī)，差別是很大的。較大的入射角也是不行的，會導(dǎo)致更多的相差和損失。EUV光子需要匯聚成線后先掃過光罩(也是鏡子)，反射光需要縮小到1/4再掃過晶圓上橡皮大的曝光區(qū)(Field)，這個縮小過程更需要嚴(yán)格的對焦和光路設(shè)計，所以這些鏡子并不是平面鏡，而是帶焦點的縮小鏡。只要是光學(xué)器件就會有缺陷，光路設(shè)計好則有可能補(bǔ)償?shù)羝渲写蟛糠?。聽朋友傳謠說，蔡司一開始是不想玩這個游戲的，一年生產(chǎn)幾十套這個鏡子，能賺幾個錢？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(jī)械手。更悲催的是做出來稍微有點瑕疵，ASML還不要。這個謠言也許是真的，因為大約到了2015年ASML啟動High-NA EUV項目時(當(dāng)時Low-NA EUV還遠(yuǎn)未通過客戶驗證)，蔡司真的準(zhǔn)備撂挑子了。當(dāng)時還不富裕的ASML咬牙花10億歐元買下蔡司半導(dǎo)體部1/4的股份，再加上承諾未來6年給半導(dǎo)體部撥款7.6億歐元。八、High-NA EUV系統(tǒng)已經(jīng)是ASML能看到的一條絕路了。問題是，周圍小伙伴們卻認(rèn)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，身在其中必然無法體會期間的奧秘。第一臺EUV跳票10年，確實是碰到的問題太多了。我們舉個小例子：現(xiàn)在的EUV是一臺1.5兆瓦的功率巨獸，激光就像帶著火把在森林里放火，每到一處產(chǎn)生的溫度變化都不可避免導(dǎo)致器件變形變異，而在高端芯片上是錯開1.5nm上下層就對不上了。我們說過帶有芯片圖案的母版光罩也是鏡子，這玩意大概30萬美元一個，高能激光會導(dǎo)致光罩是有壽命的。別的鏡子上有點瑕疵還好，大不了丟幾個光子，而光罩上的瑕疵則直接導(dǎo)致芯片失效。還有一個問題是，小的雜質(zhì)顆粒會掉到上面。原來設(shè)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(xiàn)實情況是，鬼知道哪里來的肉眼根本看不到的小東西。晶圓廠通常只能在發(fā)現(xiàn)缺陷后，停機(jī)把光罩摘下來干洗或濕洗，反正是損失巨大。有人說，不如給光罩貼個膜，發(fā)現(xiàn)問題撕了再貼一張不就好了。這個思路倒是一點都不蠢，居然和工程師想的一樣。但什么樣的膜才能讓寶貴的EUV光線進(jìn)去再反射回來還沒損失呢？要知道EUV打在上面可以升溫超過600度呢。要知道玻璃都能吸收EUV我們才改用鏡子的，這個膜得足夠薄還要有足夠的強(qiáng)度來保證平整。沒有光線損失是不可能的，很多廠家參與了挑戰(zhàn)但大多最終放棄了。ASML自己做了無數(shù)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，大概可以實現(xiàn)只損失10%的EUV。ASML為了吸引客戶，把這個膜做成自動的，自動量測膜上的雜質(zhì)，再用機(jī)械手自動把它遮擋到光罩上。雖然已經(jīng)精益求精了，但這10%的光線損失也讓晶圓廠肝疼，因為它很可能導(dǎo)致產(chǎn)能降低。而且這膜壽命也就扛一兩天而已，所以晶圓廠對于小尺寸光罩有時就不用了。這件事從一個側(cè)面顯示了現(xiàn)在光刻機(jī)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，這個代價和收益經(jīng)常是不能匹配的。九、不知道英特爾當(dāng)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(xiàn)金卻錯過了一舉扳平臺積電7nm的機(jī)會。顯然，英特爾的聰明人不會兩次在同一個地方絆倒，他們決定比臺積電更早使用High-NA EUV光刻機(jī)，在1.8nm級別(18A)時反超臺積電。不巧的是，ASML的High-NA跳票了。雖然多少nm的芯片現(xiàn)在已經(jīng)完全是營銷術(shù)語，但晶體管密度的提升并不能作假。英特爾低調(diào)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多重曝光來實現(xiàn)。High-NA理論上并不是像EUV剛上馬那時那么困難，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(光罩也是個反射鏡)，這樣產(chǎn)能(吞吐量)也會更大。但晶圓廠、光罩廠、檢測設(shè)備廠齊齊投了反對票，甚至增大到7英寸都不同意，畢竟他們要為光罩這么個消耗品買單。但High-NA就意味著更大的反射鏡，壓力全留給了ASML，然后轉(zhuǎn)嫁給蔡司。據(jù)說最后光路中的反射鏡有1米多寬，比普通EUV長了一倍。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(jī)器人抓著它的。我們回到光罩這個最復(fù)雜的鏡子上來，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(shù)的反射鏡了(也就是一個軸是哈哈鏡)，最終到達(dá)晶圓的掃描光場是普通EUV的一半大小，這算是達(dá)到0.55NA的折中方案。聽起來還好，但這個高精度哈哈鏡和做平面鏡的難度顯然不是一個量級了。更復(fù)雜的是掃描光場小了一倍，兩個光場怎么才能納米級拼接呢？輔助的量測系統(tǒng)又要大改。還有一個大麻煩的是，NA增大后最終光線聚焦的焦深變淺了。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(jī)器內(nèi)部溫度變形的各種要解決的麻煩?？傊?，High-NA EUV并不是普通EUV的簡單升級，這玩意兒幾乎是照著極限新設(shè)計一臺，所以一個“升級”又花了十年。悲催的是，Hyper-NA EUV將是同樣地每個極限再突破全重來一遍，這就是范登布林克“絕望”的地方。十一、結(jié)束語ASML在過去三十年大概出了五六千臺光刻機(jī)。令人無比驚訝的是，其中95%的機(jī)器仍然在晶圓廠正常工作，其中包括了1800臺《光刻巨人》里的傳奇老機(jī)器PAS5500。在中國也有無數(shù)海外流入的二手機(jī)器在跑，ASML每年也在翻新和維護(hù)大量老機(jī)器。這樣的商業(yè)模式聽起來很奇怪吧？老的不淘汰，新的賣給誰?。窟@就是信息時代的力量。人類信息技術(shù)和存儲對芯片需求爆炸性的增長，給了光刻機(jī)不斷成長和發(fā)展的空間。這么看來，ASML顯然是時代發(fā)展的寵兒。那么，它的光刻機(jī)走上“絕路”，是好事還是壞事呢？