原创 ASML出货5nm工艺的DUV光刻机，细说先进节点光刻技术及代工博弈 ... ... ...

 2018-8-3 19:33  19259 22 22 分类: EDA/ IP/ 设计与制造

据外媒报道，光刻机霸主ASML（阿斯麦）已经开始出货新品Twinscan NXT:2000i DUV（NXT:2000i双工件台深紫外光刻机），可用于7nm和5nm节点。NXT:2000i将是NXE:3400B EUV光刻机的有效补充，毕竟台积电/GF的第一代7nm都是基于DUV工艺。

同时，NXT:2000i也成为了ASML旗下套刻精度（overlay）最高的产品，达到了和3400B一样的1.9nm（5nm要求执照2.4nm，7nm要求至少3.5nm）。

ASML将于本季度末开始量产Twinscan NXT:2000i，价格未披露。目前，NXE:3400B EUV光刻机的报价是1.2亿美元一台，传统的ArF沉浸式光刻机（14nm节点）报价是7200万美元之间， NXT:2000i肯定是在这两者之间了。

目前主流的半导体生产中使用的是波长193nm的深紫外（DUV）光刻。实际上，在制程发展到130nm之前，人们就曾指出193nm深紫外光会发生严重的衍射现象而无法继续使用，需要换用波长为13.5nm的极紫外（EUV）光刻才能继续缩小半导体工艺。此外，还有一些公司推崇的e-beam电子束光刻技术。

EUV的研发始于20世纪90年代，最早希望在90nm制程节点投入应用，然而EUV光刻机一直达不到正式生产的要求。无奈之下，人们只能通过沉浸式光刻、多重曝光等手段，将DUV一路推进到了10nm阶段。

ASML的EUV光刻机使用40对蔡司镜面构成光路，每个镜面的反光率为70%。这也就是说，EUV光束通过该系统中的每一对镜面时都会减半，在经过40对镜面反射后，只有不到2%的光线能投射到晶元上。

到达晶圆的光线越少，光刻所需的曝光时间就越长，相应的生产成本也就越高。为了抵消镜面反射过程中的光能损耗，EUV光源发出的光束必须足够强，这样才能与现在非常成熟的DUV光刻技术比拼时间成本。

但是多年以来，光照亮度的提升始终未能达到人们的预期，ASML的EUV产品市场负责人Hans Meiling曾表示，人们严重低估了EUV的难度。正在实验中的EUV光源焦点功率刚刚达到250瓦，可以支撑机器每小时处理125个晶片，效率仅有现今DUV的一半。

如果再加上价格和能耗，EUV取代DUV还会更加艰难。最新的EUV光刻机价格超过1亿欧元，是DUV光刻机价格的二倍有余，且使用EUV光刻机进行批量生产时会消耗1.5兆瓦的电力，远超现有的DUV光刻机。

ASML方面表示，EUV光刻设备尚未彻底准备完成，最快也要到2019年才能应用于正式生产，因此几大半导体代工厂均在DUV+多重曝光技术上继续深挖，以求撑过EUV光刻机的真空期。

7nm群英会：几大半导体代工厂部署7nm制程节点时用什么光刻技术？

三星

作为芯片代工行业的后来者，三星是“全球IBM制造技术联盟”中激进派的代表，早早就宣布了7nm时代将采用EUV。今年4月，三星刚刚宣布已经完成了7nm新工艺的研发，并成功试产了7nm EUV晶元，比原进度提早了半年。

据日本PC WATCH网站上后藤弘茂的分析，三星7nm EUV的特征尺寸为44nm*36nm（Gate Pitch*Metal Pitch），仅为10nm DUV工艺的一半左右。

除了一步到位的7nm EUV外，三星还规划了一种8nm制程。这个制程实际上是使用DUV光刻+多重曝光生产的7nm制程，继承所有10nm工艺上的技术和特性。

由于DUV光刻的分辨率较差，因而芯片的电气性能不如使用7nm EUV，所以三星为其商业命名为8nm。从这一点来看，8nm相比现有的10nm，很可能在晶体管密度、性能、功耗等方面做出了终极的优化，基本上可看做深紫外光刻下的技术极限了。

DUV和EUV光刻分辨率对比

此外，三星在7nm EUV之后，还规划了使用第二代EUV光刻技术的6nm制程，它和8nm同样是商业命名，属于7nm EUV制程的加强版，电气性能会更好。

根据三星的路线，三星将于今年下半年试产7nm EUV晶元，大规模投产时间为2019年秋季。8nm制程大约在2019年第一季度登场，而6nm制程应该会在2020年后出现。

台积电

相比三星直接引入EUV光刻的激进，台积电在7nm上选择了求稳路线，并没有急于进入极紫外光刻时代。台积电表示将继续使用DUV光刻，利用沉浸式光刻和多重曝光等技术平滑进入7nm时代，然后再转换到EUV光刻。

台积电使用DUV光刻的第一代7nm FinFET已经在2017年第二季度进入试产阶段。与目前的10nm FinFET制程相比，7nm FinFET将可在晶体管数量的情况下使芯片尺寸37％，或在电路复杂度相同的情况下降低40％的功耗。

在接下来的第二代7nm FinFET+制程上，台积电将开始使用EUV光刻。针对EUV优化的布线密度可带来约10~20％的面积减少，或在电路复杂度相同的情况下，相比7nm FinFET再降低10％的功耗。

而根据后藤弘茂的分析，台积电7nm DUV的特征尺寸介于台积电10nm FinFET和三星7nm EUV之间，Metal Pitch特征尺寸40nm，Gate Pitch特征尺寸尚不明确，但必定小于10nm时的66nm。

此外，与完全使用DUV工具制造的芯片相比，使用EUV光刻生产芯片的周期也将缩短，台积电计划在2018年第二季度开始试产7nm FinFET+晶元。

GLOBALFOUNDRIES

GF此前曾是AMD自家的半导体工厂，后由于AMD资金问题而拆分独立。GF同样属于IBM“全球IBM制造技术联盟”的一员，其半导体工艺和三星同宗同源。然而GF在28nm、14nm两个节点上都遇到了重大技术难题，不得不向“后来者”三星购买生产技术。

介于此，GF在14nm之后决定放弃10nm节点，直接向7nm制程进军。虽然这个决策稍显激进，但GF也明白步子大了容易扯到啥的道理，决定在光刻技术上稳中求进，使用现有的DUV光刻技术实现第一代7nm工艺的制造，随后再使用EUV光刻进行两次升级迭代。

据其在阿尔伯尼纽约州立大学理工学院负责评估多重光刻技术的George Gomba以及其他IBM的同事透露，GF将在第一代7nm DUV产品上，使用四重光刻法。

不过在EUV的部署上，GF尚存在一些阻碍。据了解，目前ASML提供的保护膜仅适用于每小时85个晶片的生产率（WpH），而GF今年的计划是达到125WpH，这意味着现有的保护膜无法应对量产所需的强大光源。

目前，GF尚未透露将于何时开始使用EUV光刻，只说要等到“准备就绪”以后，不过看起来难以在2018年以前准备就绪。因此业界普遍猜测GF最早也要到2019年才能使用EUV光刻生产芯片。

Intel

Intel作为全球最大的半导体企业，在半导体工艺方面一直保持着领先地位，并且引领了大量全新技术的发展。不过近几年，Intel半导体工艺的发展速度似乎逐渐慢了下来，比如14nm工艺竟然用了三代，10nm工艺也被竞争对手抢先。

实际上，三星和台积电在进入16/14nm节点后，在制程上常使用一些商业命名，比如上面提到的三星7nm制程，优化一下就变成了6nm。而Intel的14nm制程虽然历经两次优化，却只是以14nm、14nm+和14nm++来命名，二者已经不存在直接的可比性。

由于晶体管制造的复杂性，每代晶体管工艺中有面向不同用途的制造技术版本，不同厂商的代次之间统计算法也完全不同，单纯用代次来对比是不准确的。目前业内常用晶体管密度来衡量制程水平，实际上，Intel最新10nm制程的晶体管密度甚至反而要比三星、台积电的7nm制程更高。

而根据后藤弘茂的分析，如果将Intel、台积电、三星和GF近些年制程的特征尺寸放在一起对比，也可以看出Intel的14nm制程确实要优于三星和GF的14nm LPP以及台积电的16nm FinFET，仅略输于三星早期的10nm制程。

Intel的10nm制程则更是全面胜过台积电和三星的10nm制程，甚至比台积电和GF的第一批7nm DUV都要更好。虽然不如三星和GF的第二批7nm EUV制程，但Intel肯定也会深挖10nm制程，第二代10nm赶超三星和GF的7nm EUV也不是不可能。

关于ASML

总部位于荷兰的ASML脱胎于飞利浦，于1984年成立，至今所经营的产品主要还是光刻机。ASML凭借自己多年在行业中所积累的技术和经验，在2017年取得的收入又创出新高，净利润也同步大增。ASML的收入大致分为两个部分，一个是通过向客户供应极紫外EUV、深紫外DUV光刻机等设备获得的收入（在ASML当年的营收中占比达七成左右），另一个就是为客户提供设备安装、系统升级等服务获得的收入（在ASML当年的营收中占比约三成）。

2017年全球光刻机市场占比7成，是绝对的一哥，后面跟着的是佳能、尼康和上海微电子。

集成电路在制作过程中经历材料制备、掩膜、光刻、刻蚀、清洗、掺杂、机械研磨等多个工序，其中以光刻工序最为关键，它是整个集成电路产业制造工艺先进程度的重要指标，即在芯片制造过程中的掩膜图形到硅衬底图形之间的转移，在硅片上刻出晶体管器件的结构和晶体管之间的连接通路。

光刻机原理是把高精密底片底版投射到晶原片上，光刻机难在OVERLAY套刻精度以及产率。需要精密的光学镜头，和精密的对焦稳定，和散射极低的光源激光。镜头虚，有云翳，不行，对焦丝扣不匀不细，不稳，不行。光源散射也不行。要比千分尺(螺旋测微器)更细更稳。

用螺旋测微器原理，精密螺纹调焦对焦，稳定相距焦平面。工作台的膨胀，减震，连续工作的精准，都对精度要求极高。小试验室小作坊，做一两个己经很难，大批量生产，精度就更难。

其实这些年来，国内早就有设备厂商，以及研究机构在对光刻机进行研发。如上海微电子、中电科四十五所、中电科四十八所等，但是离国外几家光刻机厂商差距甚远，更别提在先进节点上的顶尖光刻设备差距了。