EUV光刻，終成主角！

激石Pepperstone(http://wargoo.com/)報(bào)道：

EUV到底有多火，可能很多人沒有概念。

在光刻機(jī)巨頭ASML發(fā)布的2023年第三季度的報(bào)告中，EUV光刻機(jī)的預(yù)定額為5億歐元，而到了第四季度，預(yù)定額陡然增加到了56億歐元，整整翻了十倍之多。

要知道，這部分訂購的光刻機(jī)大部分都不會在2024年內(nèi)交付，至少要等到2025年，但包括臺積電、三星和英特爾等巨頭依舊只能乖乖交錢買期貨，原因很簡單，就是ASML目前仍然是藍(lán)星上唯一一家能夠量產(chǎn)EUV光刻機(jī)的廠商。

對于半導(dǎo)體行業(yè)來說，技術(shù)領(lǐng)先就意味著能賺錢，而獨(dú)占了EUV這一重要市場后，就意味著ASML能有源源不斷的收入：根據(jù)國外 MarketsandMarkets 的最新報(bào)告，EUV 光刻市場預(yù)計(jì)將從 2023 年的 94 億美元增至 2028 年的 253 億美元，2023-2028 年期間復(fù)合年增長率為21.8 %。

作為對比，ASML在2023年的總營收為276億歐元，折合近300億美元，五年后，光是EUV就能撐起ASML現(xiàn)在大半年的營收，在可預(yù)見的未來，不管是3nm、2nm、1nm或是更先進(jìn)制程，它們都需要用到ASML所生產(chǎn)的EUV光刻機(jī)，臺積電這樣的代工廠賺得越多，ASML數(shù)錢就數(shù)得越開心。

問題來了，為什么EUV能這么賺錢？

日本技術(shù)，被歐洲“偷走”

對于傳統(tǒng)的DUV，EUV的優(yōu)勢是顯而易見的：

在生產(chǎn)方面，由于EUV光刻技術(shù)可以在單個(gè)芯片上封裝更多的晶體管，因此可以以更低的成本批量生產(chǎn)芯片；在性能方面，采用EUV光刻技術(shù)生產(chǎn)的芯片具有更強(qiáng)的處理能力，能耗更低，性能更高；在工藝方面，與多重圖案化相比，EUV 可減少掩模數(shù)量，打印更多的二維設(shè)計(jì)，從而在工藝簡化方面帶來巨大優(yōu)勢；

對于有志于先進(jìn)制程的晶圓廠來說，EUV具備極大的吸引力，但上述這幾個(gè)優(yōu)勢，卻花費(fèi)了數(shù)十年的時(shí)間，窮盡了無數(shù)人的努力，才終于來到我們面前。

EUV的故事，還要從20 世紀(jì) 80 年代中期的日本講起。

上世紀(jì)80年代的半導(dǎo)體光刻仍然依賴于汞燈，整個(gè)行業(yè)正在尋找更先進(jìn)的光刻辦法，希望利用波長更短的光來延續(xù)摩爾定律，讓芯片的性能更進(jìn)一步，而當(dāng)時(shí)還在日本電報(bào)電話公司(NTT)供職的木下博夫，在工作時(shí)萌生了EUVL（極紫外光刻）的想法。

為了實(shí)現(xiàn)EUVL，木下博夫開始尋找更短波長的 X 射線，但問題也逐步浮現(xiàn)，其中包括缺乏能夠聚焦 X 射線用于光刻的透鏡或鏡子。而在此時(shí)，他看到了 Jim Underwood 和 Troy Barbee的一篇論文，報(bào)告中描述了第一個(gè)波長為 10 至 100 nm（我們現(xiàn)在稱為 EUV）的多層反射鏡。

與掠射角反射鏡相比，多層反射鏡是一個(gè)巨大的進(jìn)步，當(dāng)時(shí)唯一可用于較短波長 X 射線的就是掠射角反射鏡，而多層反射鏡更進(jìn)一步，為 EUV 波長的光刻技術(shù)鋪好了道路。木下博夫成功實(shí)現(xiàn)了 EUV 中圖像的首次聚焦，并在 1986 年日本應(yīng)用物理學(xué)會的一次會議上報(bào)告了他的成就。

與大部分人想象的不同，EUV的初次登場沒有鮮花沒有掌聲，迎來的卻是一片質(zhì)疑， “不幸的是，觀眾對我的演講高度懷疑，” 木下博夫后來在一次有關(guān) EUV 光刻技術(shù)出現(xiàn)的特邀演講中說道，“但是，我的信念沒有改變?！?/p>

木村博夫如今已被公認(rèn)為是EUV光刻技術(shù)的奠基人，當(dāng)時(shí)的他大概沒想到，EUV光刻日后需要耗費(fèi)三十多年時(shí)間、數(shù)十億美元資金以及數(shù)千名工程師和科學(xué)家的努力來實(shí)現(xiàn)落地，最終成為摩爾定律的最堅(jiān)定的捍衛(wèi)者。

雖然NTT 不看好EUV，選擇押寶在其他光刻技術(shù)，但公司本身并沒有阻止木村的研究，1993 年，木村組織了一次有關(guān)EUV技術(shù)的美日會議，吸引了約 50 名研究人員參加，并由此建立了兩國之間在EUV光刻技術(shù)上的聯(lián)系。

“摩爾定律遇到了麻煩，”伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的David Attwood說，“英特爾指望走在摩爾定律的最前沿，以高價(jià)銷售其產(chǎn)品。” 當(dāng)時(shí)193 nm 氟化氬激光器已經(jīng)開始用于光刻技術(shù)的開發(fā)，但DUV（深紫外光）光刻技術(shù)似乎已經(jīng)走到了盡頭，對于英特爾來說，無法繼續(xù)縮小芯片幾何尺寸，就意味著芯片性能難以繼續(xù)提升，也意味著半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的停滯，整個(gè)業(yè)界都對未來感到焦慮不安。

轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)在英特爾研究總監(jiān)John Carruthers身上，他對英特爾未來的選擇進(jìn)行了審視，并得出結(jié)論，想要摩爾定律延續(xù)的唯一途徑，就是在一個(gè)全行業(yè)項(xiàng)目上投入十億美元，來開發(fā)EUV光刻這項(xiàng)技術(shù)。

當(dāng)John Carruthers向英特爾高層提出這一方案時(shí)，安迪·格魯夫（Andy Grove）憤怒地拍著桌子，但戈登·摩爾（Gordon Moore）卻頗感興趣，最終讓格魯夫也按下了同意投資的按鈕。

這位摩爾定律的提出者在一次行業(yè)會議上宣布：“英特爾來了……我們正在下注，我們希望您加入我們。”

這一呼吁取得了成功。1997 年，英特爾、摩托羅拉和 AMD 等長期競爭對手認(rèn)識到威脅的嚴(yán)重性，聯(lián)合成立了 Extreme Ultraviolet LLC，開發(fā)新一代光刻技術(shù)，該聯(lián)盟與美國能源部合作，開始在伯克利實(shí)驗(yàn)室、勞倫斯-利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室和桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室展開研究。

將光刻技術(shù)轉(zhuǎn)向 EUV 不僅需要新的光源，還需要新的光學(xué)器件和光學(xué)涂層、光刻膠、測量工具和納米級精度，DUV的技術(shù)積累似乎在EUV上毫無用處，經(jīng)過數(shù)輪的評級比較，最初被評為最后一名的激光產(chǎn)生的錫等離子體源成為了首選。

到 2000 年代中期，研究人員展示了由二氧化碳激光器泵浦的錫等離子體源，但其功率有限，幾年來輸出功率一直停留在數(shù)瓦特的范圍內(nèi)。直到2013 年，加利福尼亞州的 Cymer 公司報(bào)告稱，通過在主脈沖之前用預(yù)脈沖擊中錫，可以將將 EUV 功率提升到 10 瓦以上，雖然還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足生產(chǎn)要求，但頗具先進(jìn)之明的 ASML公司于當(dāng)年5月收購了Cymer，并開始投入資金加速EUV光刻技術(shù)的研發(fā)。

光學(xué)要求也是一大難點(diǎn)。EUV光刻機(jī)將電路掩膜的圖像以所需的納米分辨率投射到硅表面，需要十幾個(gè)獨(dú)立的反射鏡，而這里唯一的選擇就是多層反射鏡，這種反射鏡的四分之一波層比 4 nm還薄，且必須保持一致，才能達(dá)到生產(chǎn)芯片所需的精度。

為了完成EUV光刻機(jī)的開發(fā)，ASML又與蔡司花費(fèi)了 20 年時(shí)間合作開發(fā)這套復(fù)雜光學(xué)器件。“將專利概念變成現(xiàn)實(shí)需要做大量的工作，”Erik Loopstra 說道，他與 Vadim Banine 一起領(lǐng)導(dǎo)了ASML與蔡司的聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊(duì)，“自由曲面光學(xué)器件將 EUV 光沿著 10米長的光路聚焦到納米級光斑，這就像在月球上打高爾夫球一樣，而測量是完成任務(wù)的關(guān)鍵，一切你能測量的東西，都可以制造。”

2011年7月，ASML/IMEC完成對EUV原型機(jī)/概念機(jī)的各種內(nèi)部驗(yàn)證后，第一臺研發(fā)型EUV光刻機(jī)（NXE3100)通過專門的大型貨運(yùn)飛機(jī)抵達(dá)臺積電位于新竹科技園區(qū)的研發(fā)基地；2013年，ASML交付給了臺積電第二臺的改進(jìn)后的EUV光刻機(jī)（NXE3300）；2016年1月，ASML交付給了臺積電接近最后一款改進(jìn)型的EUV光刻機(jī)型號（NXE3350）……

伴隨著光源和光學(xué)問題的解決，EUV光刻機(jī)終于從ASML的工廠走向各大晶圓廠，從試驗(yàn)原型變?yōu)榱慨a(chǎn)版本，2019 年，首款采用 EUV 光刻技術(shù)的商用產(chǎn)品發(fā)布（三星 Galaxy Note10系列），如今的旗艦手機(jī)均仰賴于EUV光刻的使用。

2020 年 12 月，ASML 慶祝了 EUV 系統(tǒng)的第 100 次出貨，而截至 2021 年底，全球有 127 臺最新一代的 EUV 機(jī)器在客戶處投入使用，ASML的技術(shù)高級副總裁 Jos Benschop表示：“我曾經(jīng)天真地說EUV 會在 2006 年量產(chǎn)，最終它晚了 13 年，但許多人認(rèn)為這個(gè)東西永遠(yuǎn)不會存在?！?/p>

時(shí)間撥回到上世紀(jì)80年代，大概沒人會相信，那位日本工程師的技術(shù)創(chuàng)想，會在三十多年后扎根在歐洲荷蘭，成為了全世界半導(dǎo)體延續(xù)摩爾定律的關(guān)鍵呢？

High NA爭奪戰(zhàn)

EUV的熱銷并不意味著技術(shù)的停滯，而是意味著新一輪的技術(shù)發(fā)展。

目前ASML的EUV光刻機(jī)的光源波長在13.5nm左右，物鏡的NA數(shù)值孔徑是0.33，NA是光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑，表示光線的入射角度，使用更大的NA透鏡可以打印出更小的結(jié)構(gòu)，對于2nm甚至是更先進(jìn)的制程來說，0.33的NA已經(jīng)不太夠用了。

正在路上的第二代EUV光刻機(jī)EXE則做了重大改進(jìn)：其物鏡的NA將提升到0.55，也就是所謂的High NA EUV，進(jìn)一步提高了光刻精度，ASML表示，與 NXE 一樣，EXE同樣用到了 EUV，但新平臺能夠讓芯片尺寸減小1.7倍，并將晶體管密度提高2.8倍。

ASML也詳細(xì)講述了新機(jī)器的幾大好處。

成像更清晰。EXE 采用了變形光學(xué)的巧妙設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)的鏡子不是均勻地縮小正在打印的圖案，而是在一個(gè)方向上將其縮小 4 倍，在另一個(gè)方向上縮小 8 倍。該解決方案減少了光線照射十字線的角度并避免了反射問題。重要的是，它還允許芯片制造商繼續(xù)使用傳統(tǒng)尺寸的掩模版，從而最大限度地減少了新技術(shù)對半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)的影響。

更高的生產(chǎn)效率。而后EXE采用了更快的晶圓和掩模版臺， EXE 系統(tǒng)中的晶圓臺加速至 8g，是 NXE 晶圓臺速度的兩倍，EXE 的十字線階段的加速速度是 NXE 的四倍，也就是32g，其相當(dāng)于一輛賽車在 0.09 秒內(nèi)從 0 加速到 100 公里/小時(shí)。

更簡單的制造工藝。EXE的 CD 為 8 nm，使芯片制造商能夠簡化其制造流程，也能更經(jīng)濟(jì)高效地生產(chǎn)先進(jìn)微芯片。

更快的投產(chǎn)。ASML盡可能多地重復(fù)使用現(xiàn)有的 EUV 技術(shù)，并且僅更改提供系統(tǒng)分辨率和生產(chǎn)力增強(qiáng)所需的方面。EXE 系統(tǒng)由可以在集成到完整系統(tǒng)之前進(jìn)行獨(dú)立測試的模塊組成。這些模塊簡化了系統(tǒng)的安裝和集成到客戶晶圓廠的過程，客戶將在 2024 年至 2025 年開始研發(fā)，并在 2025 年至 2026 年進(jìn)入大批量生產(chǎn)。

更優(yōu)秀的芯片，EXE的 8 nm 分辨率意味著廠商可以將更多晶體管封裝到單個(gè)芯片中，這也就意味著芯片將能夠用更少的資源做更多的事情，用相同的面積，實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的性能與更優(yōu)的功耗。

既然High NA這么好，那么現(xiàn)在大家應(yīng)該都在瘋狂給ASML下訂單才對，但事實(shí)情況并非如此，目前能有魄力向ASML下High-NA EUV 光刻機(jī)訂單的，除了研究機(jī)構(gòu)外，有且只有三家，分別是臺積電、英特爾和三星。

其中，英特爾在High-NA EUV上表現(xiàn)得尤為熱衷，據(jù)Trendforce 稱，英特爾將獲得可能于 2024 年發(fā)貨的 10 臺High NA ASML 工具中的 6 臺，且還有消息指出，英特爾將獲得第一臺High NA EUV光刻機(jī)。

三星也有明確意向采用High-NA EUV，副董事長 Kyung Kye-hyun 表示“三星已經(jīng)獲得了High NA 設(shè)備技術(shù)的優(yōu)先權(quán)”，最近ASML還宣布于韓國投資 7.55 億美元，第二臺High-NA EUV有很大可能花落三星。

目前擁有最多EUV光刻機(jī)的臺積電卻好像慢了半拍，臺積電于 2022 年底開始量產(chǎn) 3 納米芯片，并計(jì)劃于 2025 年開始量產(chǎn) 2 納米芯片，但在High-NA EUV上，目前沒有一個(gè)明確的布局，SemiAnalysis 的分析師甚至表示臺積電要到 2030 年之后才會真正開始采用High-NA EUV。

這是出了什么問題，難道在臺積電看來，High-NA EUV還不夠先進(jìn)嗎？

答案可能和很多人想的不一樣，其實(shí)還是High-NA EUV太貴了，High-NA EUV 光刻機(jī)的價(jià)格將介于3.5 億至 4 億美元，作為對比，目前熱銷的EUV 光刻機(jī)單價(jià)為1.5 億至2 億美元，翻了兩倍有余，即使是不吝嗇于投資的臺積電也出現(xiàn)了動(dòng)搖。

實(shí)際上，臺積電早期愿意購入 ASML 的 EUV 光刻機(jī)，很大程度是因?yàn)槟玫搅颂O果的部分補(bǔ)貼，當(dāng)時(shí)蘋果正在將其生產(chǎn)從三星轉(zhuǎn)移出去，需要臺積電來大規(guī)模代工其芯片，而在蘋果介入之前，臺積電并不是很愿意采用這項(xiàng)昂貴的技術(shù)。

如今蘋果就沒有當(dāng)初那么大方了，有傳言稱，這家科技巨頭不會為代工廠的High-NA EUV升級買單，沒了大老板買單，做小弟的也就不急著自己掏腰包了。

臺積電作為一家代工廠，升級設(shè)備的驅(qū)動(dòng)力并非來自于自身，而是大客戶的需求，這一點(diǎn)極大程度上影響了臺積電對于技術(shù)升級的選擇，包括CoWoS的最初遇冷后，臺積電改換包裝，推出扇出型晶圓級封裝(InFO FOWLP），讓蘋果為自己的先進(jìn)封裝買單，如今臺積電何時(shí)上馬High-NA EUV，恐怕還得看蘋果在2nm之后自研芯片的進(jìn)度。

而英特爾的熱衷，自然是因?yàn)樵贓UV上吃過的虧，臺積電正是因?yàn)锳SML的EUV光刻機(jī)的幫助，才在16nm后反超英特爾，至今依舊保持著制程上的領(lǐng)先，正在大力推行IDM 2.0的英特爾，自然不會放過來之不易的機(jī)會。

而從另一種角度來說，臺積電可能還需要看蘋果的臉色吃飯，作為代工廠，它本身的資本也足夠雄厚，但它不能自己造芯片來賣，正所謂得也代工，失也代工，如果用上了新技術(shù)，但卻沒有客戶愿意多花錢，那不就是自己虧本嗎？向來追求平穩(wěn)本分的臺積電，肯定是不愿意冒這個(gè)險(xiǎn)的。

而英特爾就沒有那么多顧忌，自家早已畫好了路線圖，從Intel 7到Intel 4再到Intel 3，最后進(jìn)入到20A和18A，只要英特爾還在設(shè)計(jì)新處理器，那晶圓廠就永遠(yuǎn)不愁訂單，最終買單的實(shí)際上是龐大的消費(fèi)者、企業(yè)和機(jī)構(gòu)，相較于背靠一兩位“大款”的臺積電，英特爾顯然更有底氣去下High-NA EUV的訂單。

今年1月5日，英特爾表示已經(jīng)收到了ASML High-NA EUV光刻機(jī)的主要組件，光是運(yùn)輸它就需要 13 個(gè)卡車大小的集裝箱和 250 個(gè)板條箱，而組裝完成后，這臺設(shè)備會達(dá)到 3 層樓的高度，英特爾甚至還要擴(kuò)建現(xiàn)有的晶圓廠來容納這個(gè)龐然大物。

在High-NA這場角力中，英特爾無疑是占據(jù)了上風(fēng)。

誰是未來？

ASML 早在 2022 年就宣布，會在 2027 年至 2028 年期間每年生產(chǎn) 20 臺High-NA EUV 光刻工具，今年早些時(shí)候還透露，其High-NA EUV積壓訂單的數(shù)量達(dá)到兩位數(shù)，其認(rèn)為High-NA EUV會逐步替代EUV成為主流，成為更多廠商的選擇。

但有一部分研究機(jī)構(gòu)的分析師提出了質(zhì)疑，他們表示，至少對于一些芯片制造商來說，使用該公司的下一代High-NA EUV幾乎沒有經(jīng)濟(jì)意義，意指臺積電未第一時(shí)間采用High-NA EUV光刻機(jī)這件事。

ASML當(dāng)然不會坐視，很快對該觀點(diǎn)進(jìn)行了反駁，在接受Bits and Chips采訪時(shí)，ASML首席財(cái)務(wù)官表示，High-NA 正在步入正軌且健康發(fā)展，分析師低估了其收益，ASML 首席執(zhí)行官也在財(cái)報(bào)電話會議上表示，新技術(shù)“顯然是邏輯和內(nèi)存方面最具成本效益的解決方案”。

為什么ASML這么有底氣，主要還是EUV目前的瓶頸。臺積電在最新的N3B工藝?yán)?，為了繼續(xù)提升晶體管密度，只能在低孔徑光刻機(jī)上使用雙重曝光的方法，這不是臺積電第一次這么做了，在7nm節(jié)點(diǎn)上，臺積電就曾使用過DUV的雙重曝光，如今又在EUV上如法炮制。

ASML 認(rèn)為，采用雙重曝光會帶來某些缺點(diǎn)，如生產(chǎn)時(shí)間更長，良率更低，甚至可能影響芯片的性能，而EXE:5000 的 8 nm關(guān)鍵尺寸 (CD)，讓芯片制造商可以簡化其制造流程，徹底彌補(bǔ)上述這些缺點(diǎn)。

考慮到此前曝出蘋果與臺積電的秘密協(xié)定，即3nm節(jié)點(diǎn)上，蘋果不會按照標(biāo)準(zhǔn)的晶圓價(jià)格付費(fèi)，僅向臺積電支付合格芯片的費(fèi)用，其良率多半是不容樂觀，ASML的說法也不無道理。

沒有太多過往包袱的英特爾，已經(jīng)大步邁向High-NA，而擁有最多EUV光刻機(jī)的臺積電，它的面前出現(xiàn)了一道兩難選擇題，是選擇一勞永逸去掉雙重曝光的步驟，現(xiàn)在就多花成本買入新光刻機(jī)？還是先忍一忍低良率和低生產(chǎn)率，將就著用現(xiàn)在的光刻機(jī)？

EUV已經(jīng)在過去10年里成功證明了自己的價(jià)值，如今High-NA EUV已成新風(fēng)潮，誰又能拿下最多的訂單，獲得未來的主動(dòng)權(quán)呢？?????????