說(shuō)到光刻機(jī)，大家第一反應(yīng)是什么？筆者第一反應(yīng)是ASML，第二反應(yīng)是價(jià)格特別昂貴，第三反應(yīng)是我國(guó)卡脖子技術(shù)。不知不覺(jué)中，ASML似乎成了光刻機(jī)的代名詞，這個(gè)想法如果被上世紀(jì)八九十年代的尼康和佳能知道，可能要?dú)獾弥贝岛樱澳睦飦?lái)的毛頭小子，也敢和我比肩”。
不過(guò)，現(xiàn)實(shí)就是這么殘忍，正所謂“三十年河?xùn)|，三十年河西”。在四五十年后的今天，當(dāng)初的毛頭小子成為了如今手持幾十臺(tái)“印鈔神獸”的霸主，占據(jù)了全球80%的光刻機(jī)營(yíng)收份額，而曾今的巨頭只能淪為二三線，但說(shuō)到底也是曾經(jīng)稱霸一方的巨頭，即使遠(yuǎn)不敵當(dāng)年驍勇，但也不會(huì)輕易舍棄光刻機(jī)這一杯羹。
面對(duì)越來(lái)越火熱的芯片產(chǎn)業(yè)，ASML在EUV道路上一路狂奔，佳能和尼康卻“獨(dú)辟蹊徑”，試圖在獨(dú)特路線上通過(guò)差異化來(lái)獲取競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
ASML，壟斷EUV
“如果我們交不出EUV，摩爾定律就會(huì)從此停止。”ASML首席執(zhí)行官Peter Wennink在2017年曾如是說(shuō)過(guò)，這句話很囂張，但無(wú)人可以反駁。從本世紀(jì)初開(kāi)始，就不斷有人預(yù)言摩爾定律將死，如今摩爾定律已經(jīng)成功迎來(lái)了第57個(gè)年頭，全球芯片工藝進(jìn)程也在向3nm，甚至更先進(jìn)的方向邁進(jìn)，而實(shí)現(xiàn)這一切的大功臣就是ASML的EUV光刻機(jī)。
EUV光刻機(jī)也叫做極紫外光刻機(jī)，工藝極其復(fù)雜。ASML EUV光刻機(jī)使用 13.5 nm 的波長(zhǎng)，由來(lái)自全球近800家供貨商的多個(gè)模塊和數(shù)十萬(wàn)個(gè)零件組成，每個(gè)模塊都在ASML遍布全球的60個(gè)工廠中完成生產(chǎn)，然后運(yùn)往維爾德霍溫進(jìn)行組裝，運(yùn)輸一套EUV曝光機(jī)需要20輛卡車，或者三架滿載的波音747飛機(jī)。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)大概如下：
圖源：ASML
從ASML 官方消息來(lái)看，EUV技術(shù)從1994年就開(kāi)始工業(yè)化，由ASML參加的聯(lián)盟交付了第一個(gè)原型。2006 年 8 月，ASML向美國(guó)奧爾巴尼的納米科學(xué)與工程學(xué)院和比利時(shí)魯汶的 imec 運(yùn)送了世界上第一臺(tái) EUV 光刻演示工具。2013年，第一個(gè) EUV 生產(chǎn)系統(tǒng) TWINSCAN NXE:3300 發(fā)貨。
站在現(xiàn)在回看過(guò)去，寥寥數(shù)筆似乎就可以概括當(dāng)時(shí)研發(fā)EUV光刻機(jī)的那段歷史，但事實(shí)上研發(fā)過(guò)程十分艱難，主要問(wèn)題在于EUV研發(fā)實(shí)在是太費(fèi)錢(qián)了，風(fēng)險(xiǎn)巨大。在當(dāng)時(shí)看來(lái)，它就像一個(gè)無(wú)底吞金“黑洞”，大把大把的錢(qián)砸進(jìn)去都不一定能聽(tīng)到個(gè)響。但ASML砸了，官方消息顯示，ASML 在 17 年間在 EUV 研發(fā)上投入了超過(guò) 60 億歐元。
如今，先進(jìn)制程已經(jīng)來(lái)到了3nm的交叉路口，臺(tái)積電和三星都表示將在今年量產(chǎn)3nm，而他們量產(chǎn)所用的光刻機(jī)應(yīng)該就是ASML最新一代0.33 NA光刻系統(tǒng)TWINSCAN NXE:3600D。那么3nm以后，摩爾定律又該如何“續(xù)命”？ASML日本(東京都品川區(qū))的藤原祥二郎社長(zhǎng)表示，“摩爾定律預(yù)計(jì)未來(lái)10年后還會(huì)持續(xù)下去，以此為中心支撐的是最先進(jìn)的EUV光刻機(jī)”。近期，阿斯麥公眾號(hào)也指出：“只要我們還有想法，摩爾定律就會(huì)繼續(xù)生效！”
從ASML 透露的消息可以看出，ASML正在開(kāi)發(fā)下一代 EUV 平臺(tái)，將數(shù)值孔徑 (NA) 從 0.33 增加到 0.55，可以支持多個(gè)未來(lái)節(jié)點(diǎn)。
圖源：ASML
據(jù)了解，ASML 下一代EUV 0.55 NA平臺(tái)有望使芯片尺寸減小1.7倍，進(jìn)一步提高分辨率，并將微芯片密度提高近3倍。第一個(gè)EUV 0.55 NA平臺(tái)早期接入系統(tǒng)預(yù)計(jì)將在2023年投入使用，預(yù)計(jì)客戶將在2024-2025年開(kāi)始研發(fā)，2025-2026年進(jìn)入客戶的大批量生產(chǎn)。ASML預(yù)計(jì)在2025年之前擁有大約20臺(tái)0.55 High-NA EUV。
在產(chǎn)能方面，過(guò)去十年，ASML總共售出大約140套EUV光刻機(jī)。但在未來(lái)，EUV光刻機(jī)想必會(huì)越來(lái)越吃香，畢竟除了邏輯芯片外，一直采用成熟制程的存儲(chǔ)芯片廠商也開(kāi)始加入戰(zhàn)局。
ASML 光刻部門(mén)的年收入份額圖源：counterpoint
去年8月，美光CEO Sanjay Mehrotra在采訪中確認(rèn)，美光已將EUV技術(shù)納入DRAM技術(shù)藍(lán)圖，將由10nm世代中的1γ（gamma）工藝節(jié)點(diǎn)開(kāi)始導(dǎo)入。作為長(zhǎng)期批量協(xié)議的一部分， 美光已從 ASML 訂購(gòu)了多種 EUV 工具。此外，SK 海力士也強(qiáng)調(diào)了 EUV 的重要用途，與非 EUV 光刻相比，其 10nm DRAM 產(chǎn)品的每片晶圓的單位產(chǎn)量增加了 25%。
為了滿足不斷增長(zhǎng)的光刻機(jī)需求，ASML方面指出，于22Q1提高了產(chǎn)能擴(kuò)張計(jì)劃，預(yù)計(jì)到2024年產(chǎn)能擴(kuò)張25%左右，到2025年形成90臺(tái)0.33 NA EUV和約600臺(tái)DUV產(chǎn)能。
佳能，NIL控制成本
佳能在上世紀(jì)輸出還是很猛的，在1970年發(fā)售了日本首臺(tái)半導(dǎo)體光刻機(jī)PPC-1；1975年發(fā)售的FPA-141F光刻機(jī)，在世界上首次實(shí)現(xiàn)了1微米以下的光刻；1984年推出了FPA-1500FA，分辨率為 1.0 μm；1994 年發(fā)布第一款 FPA-3000 系列，配備了分辨率為 0.35 μm 的 i-line 鏡頭，是當(dāng)時(shí)世界上分辨率最高的鏡頭之一。
算了算，今年是佳能正式投入半導(dǎo)體光刻機(jī)領(lǐng)域的第52周年，在上世紀(jì)被著名的干濕路線之爭(zhēng)絆了一跤之后，佳能就有些趕不上ASML的步伐了。如今，佳能專注于低端產(chǎn)品，官網(wǎng)顯示，佳能出售的光刻機(jī)涉及i-line到KrF級(jí)別，并沒(méi)有浸入式光刻機(jī)，與EUV光刻機(jī)區(qū)別就在于光源波長(zhǎng)的不同，EUV 技術(shù)所使用的光源波長(zhǎng)為13·5納米，而KrF技術(shù)則是248納米，i線光源波長(zhǎng)是365納米。眾所周知，對(duì)于光刻機(jī)來(lái)說(shuō)，所用光源波長(zhǎng)越短，越能描繪微細(xì)線寬的半導(dǎo)體電路。所以能感受到兩者之間的差距了吧。
雖然佳能光刻機(jī)低端，但近期熱度卻不小，據(jù)華爾街日?qǐng)?bào)去年年底報(bào)道，1995年制造的二手光刻機(jī)佳能FPA3000i4，在2014年10月只值10萬(wàn)美元，今天則值170萬(wàn)美元。佳能日前公布的財(cái)報(bào)也指出安全攝像頭以及光刻機(jī)推動(dòng)業(yè)績(jī)打仗，隨著半導(dǎo)體設(shè)備投資的增加，佳能的光刻機(jī)業(yè)務(wù)還會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)。
不過(guò)“啃老”總歸不長(zhǎng)久，創(chuàng)新才是真的出路。在EUV領(lǐng)域想要趕超ASML幾乎是不可能的了，那不如就換個(gè)方向，而佳能選中的就是“納米壓印光刻（NIL）”。佳能官方對(duì)NIL是這么介紹的，這種方法具有簡(jiǎn)單、緊湊、能夠以低成本制造芯片的優(yōu)點(diǎn)。
確實(shí)，相比EUV光刻機(jī)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)以及難以提高生產(chǎn)率，NIL 只需要將形成三維結(jié)構(gòu)的掩膜壓在晶圓上被稱為液體樹(shù)脂的感光材料上，同時(shí)照射光線，一次性完成結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)印的方法。不需使用EUV光刻機(jī)，也不需要使用鏡頭，而且還可以將耗電量可壓低至EUV技術(shù)的10%，并讓設(shè)備投資降低至僅有EUV設(shè)備的40% ，可以說(shuō)是“省錢(qián)小能手”。
圖源：佳能官網(wǎng)
官方消息顯示，佳能早在2004 年就開(kāi)始研發(fā)NIL技術(shù)，2014年美國(guó)分子壓印公司（現(xiàn)佳能納米技術(shù)）加入佳能集團(tuán)的消息公開(kāi)，明確表示將使用納米壓印法進(jìn)行開(kāi)發(fā)。2021 年春季，大日本印刷在根據(jù)設(shè)備的規(guī)格進(jìn)行了內(nèi)部模擬，發(fā)現(xiàn)在電路形成過(guò)程中每個(gè)晶片的功耗可以降低到使用EUV曝光時(shí)的大約1/10，根據(jù)大日本印刷的說(shuō)法，NIL量產(chǎn)技術(shù)電路微縮程度則可達(dá)5nm節(jié)點(diǎn)。2017 年 7 月，佳能納米壓印半導(dǎo)體制造設(shè)備“FPA-1200NZ2C”設(shè)備交付給東芝存儲(chǔ)器四日市工廠。
東芝存儲(chǔ)器四日市工廠調(diào)整納米壓印半導(dǎo)體制造設(shè)備“FPA-1200NZ2C”圖源：佳能
在佳能開(kāi)發(fā)人員首藤真一看來(lái)，這種納米壓印設(shè)備是一種將創(chuàng)造未來(lái)的設(shè)備。未來(lái)，半導(dǎo)體會(huì)變得更精細(xì)，不僅會(huì)被封裝在智能手機(jī)中，未來(lái)還會(huì)被用作貼紙，比如貼在人體皮膚上或隱形眼鏡上。他相信只有納米壓印方式才能以客戶要求的成本和速度實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。
從目前透露的消息來(lái)看，和佳能共同開(kāi)發(fā)的NIL技術(shù)的鎧俠已掌握NIL 15nm的制程量產(chǎn)技術(shù)，目前正在進(jìn)行15nm以下技術(shù)研發(fā)，預(yù)計(jì)2025年進(jìn)一步達(dá)成。不過(guò)佳能方面還未透露出設(shè)備量產(chǎn)的消息，實(shí)用化的時(shí)期還不明確，我們可以期待下。
尼康，ArF液浸打磨
說(shuō)完了佳能，再來(lái)聊聊尼康。尼康在上世紀(jì)末是當(dāng)之無(wú)愧的光刻機(jī)巨頭，從 80 年代后期至本世紀(jì)初，尼康光刻機(jī)市場(chǎng)占有率超50%，代表著當(dāng)時(shí)光刻機(jī)的最高水平。這點(diǎn)從尼康官網(wǎng)半導(dǎo)體光刻系統(tǒng)歷史發(fā)展也可以看出，1980年出貨 NSR-1010G（分辨率：1.0 ?m），從1984年開(kāi)始，幾乎每年都會(huì)出貨至少1款光刻機(jī)。
到了1999年，除了推出世界第一臺(tái)干式ArF掃描儀NSR-S302A（分辨率≦180 nm）外，尼康還推出了NSR-SF100（分辨率≦400nm）；NSR-S204B（分辨率≦150nm）；NSR-2205i14E2（分辨率≦350nm）；NSR-S305B（分辨率≦110nm）四款設(shè)備，銷售的半導(dǎo)體光刻系統(tǒng)數(shù)量達(dá)到 6,000 臺(tái)。
圖源：尼康
那時(shí)候尼康的光輝事跡密密麻麻可以寫(xiě)滿了好幾頁(yè)，不過(guò)，和佳能一樣，本世紀(jì)初的那場(chǎng)干濕路線之爭(zhēng)成為了轉(zhuǎn)折點(diǎn)。如今的尼康雖然憑借多年技術(shù)積累位居光刻機(jī)二線供應(yīng)商地位，但份額已經(jīng)極大的縮小了。2021年度，Nikon光刻機(jī)業(yè)務(wù)營(yíng)收約112億元人民幣，出貨了29臺(tái)集成電路用光刻機(jī)，較2020年減少4臺(tái)。
目前，在光刻機(jī)技術(shù)方面，尼康主推ArF浸沒(méi)式技術(shù)，大部分精力都在Arf和i－line光刻機(jī)領(lǐng)域。ArF光刻機(jī)也就是DUV光刻機(jī)，光源波長(zhǎng)達(dá)到193nm，波長(zhǎng)的限制使得DUV無(wú)法實(shí)現(xiàn)更高的分辨率，因此DUV只能用于制造7nm及以上制程的芯片。
不過(guò)這也說(shuō)明了，相比佳能，尼康的光刻機(jī)更先進(jìn)一點(diǎn)。雖然DUV光刻機(jī)也是ASML的專場(chǎng)，但尼康仍然有野心追趕ASML，專注于研發(fā)ArF液浸。尼康官網(wǎng)提到下一代光刻系統(tǒng)是這么說(shuō)的：隨著小型化的進(jìn)展，達(dá)到了阻止現(xiàn)有光刻技術(shù)處理較小尺寸的理論障礙，這個(gè)問(wèn)題的解決方案是浸入式光刻技術(shù)，尼康將其整合到其半導(dǎo)體光刻系統(tǒng)中。
尼康常務(wù)執(zhí)行董事濱谷正人曾斷言，“ArF液浸作為尖端曝光裝置使用的電路尺寸是主戰(zhàn)場(chǎng)”。2018年，尼康推出了NSR-S635E ArF 浸沒(méi)式掃描儀，該光刻機(jī)專為5nm工藝制程量產(chǎn)而開(kāi)發(fā)，確保出色的聚焦穩(wěn)定性并最大限度地減少缺陷以提高產(chǎn)量，以每小時(shí)高達(dá) 275 個(gè)晶圓的超高通量?jī)?yōu)化可負(fù)擔(dān)性。
圖源：尼康
到了2021年10月，尼康宣布開(kāi)發(fā)NSR-S635E進(jìn)階版——NSR-S636E ArF 浸沒(méi)式掃描儀，將提供卓越的覆蓋精度和超高吞吐量，以支持最關(guān)鍵的半導(dǎo)體設(shè)備的制造，預(yù)計(jì)將于 2023 年開(kāi)始銷售。雖然尼康并未公布S636E更多的參數(shù)，但是作為NSR-S635E進(jìn)階版，量產(chǎn)5nm芯片應(yīng)該不在話下。
同佳能一樣，在芯片熱潮的帶動(dòng)下，尼康對(duì)光刻機(jī)業(yè)績(jī)也給了很大的期望。今年3月，尼康發(fā)布了2022年度半導(dǎo)體曝光裝置銷量，預(yù)計(jì)將超過(guò)2019年度的業(yè)績(jī)45臺(tái)，將比2021年度的預(yù)測(cè)上增加13臺(tái)以上，達(dá)近10年最高銷量。此外，尼康今后將以物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展為背景，建設(shè)半導(dǎo)體新工廠，預(yù)計(jì)到2024年度為止，銷售臺(tái)數(shù)都將保持穩(wěn)定。
圖源：雅虎
結(jié)合尼康下一代光刻機(jī)的推出時(shí)間，我們可以期待兩年后的尼康會(huì)有怎樣的變化。
寫(xiě)在最后
如果你來(lái)自未來(lái)，或許那時(shí)候的芯片產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成功邁入了埃米時(shí)代，回頭再看2022年，也許會(huì)像ASML過(guò)去研發(fā)EUV技術(shù)一樣，寥寥數(shù)筆就囊括了所有光刻機(jī)廠商們所為之做出的努力。但要記得，在當(dāng)下，在2022年，他們?nèi)栽谔剿髦柖傻摹袄m(xù)命之道”。
而這條路，道阻且長(zhǎng)。