在日前舉辦的2017年Q4法說(shuō)會(huì)上，臺(tái)積電透露，其極紫外光光刻機(jī)（extreme ultraviolet lithography: ，簡(jiǎn)稱EUV光刻機(jī)）產(chǎn)能已經(jīng)取得了較大的進(jìn)步，目前已經(jīng)將其電源功率提高到160W，助力7nm和5nm制造，而250瓦EUV也已經(jīng)安裝到位。

EUV光刻機(jī)的唯一供應(yīng)商ASML在2017年度Semicon West半導(dǎo)體設(shè)備展上也表示，250瓦的EUV光源也萬(wàn)事俱備。公司2017年財(cái)報(bào)中也強(qiáng)調(diào)，其EUV光刻機(jī)滿足了125WPH（每小時(shí)生產(chǎn)125片晶圓）的性能規(guī)格。那就意味著最初計(jì)劃在2004年推出的EUV光刻機(jī)，在延誤了十三年之后，終于準(zhǔn)備好了。

EUV光刻機(jī)被譽(yù)為救世主，關(guān)鍵問(wèn)題已解決

過(guò)去幾十年，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在摩爾定律的指導(dǎo)下獲得了高速的發(fā)展，為了滿足摩爾定律“同等面積芯片集成的晶體管數(shù)每18個(gè)月翻一番”的要求，晶圓廠一直在推動(dòng)工藝制程的更新。但隨著節(jié)點(diǎn)的演進(jìn)，產(chǎn)業(yè)界普遍認(rèn)為傳統(tǒng)的光刻將會(huì)在65nm或者45nm的時(shí)候遭受到障礙，為此他們尋找新的解決辦法，EUV就是他們的主要選擇。

所謂EUV，是指波長(zhǎng)為13.5nm的光。相比于現(xiàn)在主流光刻機(jī)用的193nm光源，新的EUV光源能給硅片刻下更小的溝道，從而能實(shí)現(xiàn)在芯片上集成更多的晶體管，進(jìn)而提高芯片性能，繼續(xù)延續(xù)摩爾定律。不過(guò)在之前推進(jìn)EUV光刻機(jī)的過(guò)程中，碰到各種各種各樣的問(wèn)題，EUV光刻機(jī)商用的時(shí)間也一拖再拖，業(yè)界在EUV的研發(fā)投入保守估計(jì)也超過(guò)了200億美金，發(fā)光源功率是造成EUV光刻機(jī)遲遲不能商用的最主要原因。

在EUV光刻機(jī)工作過(guò)程中，需要電源將等離子體轉(zhuǎn)換成13.5nm波長(zhǎng)的光線，之后再經(jīng)過(guò)鏡子的幾重反射，再打落到晶圓上。但是之前的電源并不能給EUV提供足夠的功率，進(jìn)而滿足經(jīng)濟(jì)可行性。這就首先要了解對(duì)EUV光刻機(jī)的要求：

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，引入EUV光刻機(jī)的工作目標(biāo)，就是把原來(lái)傳統(tǒng)光刻的雙層pattering簡(jiǎn)化成一層EUV完成，進(jìn)而降低光罩的層數(shù)，降低生產(chǎn)復(fù)雜度。而為了達(dá)到現(xiàn)有的傳統(tǒng)光刻機(jī)250到270WPH的生產(chǎn)效率，那么來(lái)到EUV光刻機(jī)，那么至少需要125WPH的效率，才能達(dá)到COO（cost of ownership）和OEE（overall equipment efficiency），這就對(duì)光源提出250瓦的要求。但知道2012年，EUV光刻機(jī)的唯一供應(yīng)商ASML只是實(shí)現(xiàn)了25瓦的光源。

為了加速光源的發(fā)展，他們?cè)?012年斥資25億美元收購(gòu)了世界領(lǐng)先的準(zhǔn)分子激光源提供商Cymer。從全球領(lǐng)先的專利查詢平臺(tái)智慧芽上了解到， Cymer是一家專注于激光、X射線及深紫外光源的企業(yè)。收購(gòu)Cymer，讓ASML直接從源頭上獲得了其發(fā)展中至關(guān)重要的光刻機(jī)光源技術(shù)。進(jìn)而加速了EUV光刻機(jī)的發(fā)展。

據(jù)介紹，Cymer 使用了一種叫做“激光等離子體”的方法，這種方法是在一個(gè)真空腔體中，用源自金屬切割技術(shù)的放大器，產(chǎn)生強(qiáng)大的二氧化碳激光，通過(guò)腔體，照射一束每秒被發(fā)射出5萬(wàn)滴的超純錫液滴。當(dāng)激光脈沖照射到錫液滴時(shí)，液滴會(huì)被加熱成等離子體并產(chǎn)生EUV射線。接著，一個(gè)反射鏡收集器將該過(guò)程產(chǎn)生的光線反射到光刻機(jī)中。

在這個(gè)方法的基礎(chǔ)上，ASML和Cymer持續(xù)改進(jìn)，并在2016年達(dá)到200瓦的功率，到2017年下半年，終于實(shí)現(xiàn)了250瓦的光源和125WPH的效率，那就意味著EUV光刻機(jī)的商用指日可待。

三星、臺(tái)積電、英特爾和格芯的爭(zhēng)奪戰(zhàn)打響

隨著HPC和智能手機(jī)的發(fā)展，對(duì)芯片性能的要求越來(lái)越高，設(shè)計(jì)廠商對(duì)先進(jìn)工藝的需求也隨之高漲，在臺(tái)積電Q4法說(shuō)會(huì)，臺(tái)積電表示已經(jīng)有了50個(gè)7nm客戶，就是最好的證明。面對(duì)這個(gè)市場(chǎng)，正如文章開(kāi)頭所說(shuō)，晶圓代工廠們需要將目光投向EUV光刻機(jī)尋求幫助。2017年5月剛從三星集團(tuán)獨(dú)立出來(lái)的三星晶圓廠就是當(dāng)中最為激進(jìn)的一個(gè)。

三星方面表示，他們是業(yè)內(nèi)最早宣布將會(huì)使用EUV光刻機(jī)進(jìn)行7nm芯片生產(chǎn)的廠商。按照三星的說(shuō)法，他們將會(huì)在2018年下半年提供相關(guān)服務(wù)；至于TSMC，根據(jù)供應(yīng)鏈相關(guān)人士透露，臺(tái)積電將會(huì)在二季度末開(kāi)始上馬7nm生產(chǎn)，但是第一代7nm將會(huì)使用傳統(tǒng)光刻。臺(tái)積電方面表示，要到2019年的7nm plus才會(huì)引入EUV；格芯也同樣打算在2018年推出7nm工藝，但是和臺(tái)積電一樣，這時(shí)還是用傳統(tǒng)光刻，他們計(jì)劃到2019年才引入EUV。至于IDM巨頭Intel，他們對(duì)其先進(jìn)工藝和EUV的進(jìn)展秘而不談，但是據(jù)公開(kāi)消息顯示，他們所購(gòu)買(mǎi)的EUV光刻機(jī)比任何其他公司都多。

EUV光刻機(jī)無(wú)疑是未來(lái)的大勢(shì)所趨。

格芯首席技術(shù)官Gary Patton表示，如果在5nm的時(shí)候沒(méi)有使用EUV光刻機(jī)，那么光刻的步驟將會(huì)超過(guò)100步，這會(huì)讓人瘋狂。所以所EUV光刻機(jī)無(wú)疑是未來(lái)5nm和3nm芯片的最重要生產(chǎn)工具，未來(lái)圍繞EUV光刻機(jī)的爭(zhēng)奪戰(zhàn)將會(huì)變得異常激烈。因?yàn)檫@是決定這些廠商未來(lái)在先進(jìn)工藝市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵。

媒體報(bào)道，臺(tái)積電在2017年初一口氣訂購(gòu)了五臺(tái)EUV光刻機(jī)；韓媒BusinessKorea在十月也表示，三星有意購(gòu)買(mǎi)10臺(tái)EUV光刻機(jī)。關(guān)于格芯和Intel光刻機(jī)的具體購(gòu)買(mǎi)數(shù)目沒(méi)有看到報(bào)道。但從S和T兩家看來(lái)，他們正在大手筆囤貨。但是ASML在EUV光刻機(jī)上面的產(chǎn)能不大，這可能會(huì)加劇了爭(zhēng)奪。

據(jù)ASML的年報(bào)得知，2016年，他們總共才出貨了四臺(tái)EUV光刻機(jī)，2017年則交付了10套EUV系統(tǒng)。而從媒體報(bào)道中我們得知，2018年，ASML的EUV光刻機(jī)產(chǎn)量可以達(dá)到24臺(tái)，但這些訂單都已經(jīng)被搶購(gòu)一空。但到2019年，ASML會(huì)將其產(chǎn)能提高到40臺(tái)，這會(huì)大大緩解EUV光刻機(jī)的供應(yīng)壓力。

更大的挑戰(zhàn)扔在后頭

在基本克服了250W光源這個(gè)難題之后，ASML對(duì)晶圓廠客戶有了一個(gè)基本的交代，但是對(duì)于EUV光刻機(jī)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，仍然有一些問(wèn)題需要被解決的。

首先就是光罩問(wèn)題；

據(jù)介紹，EUV所用的光罩和193nm浸沒(méi)式光刻的光罩完全不同，它們由使用了數(shù)十種不同材料的納米層組成。根據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)查顯示，過(guò)去12個(gè)月來(lái)，光罩制造商已經(jīng)制作了1041個(gè)EUV光罩，光罩良率目前僅為64.3%。但同期間曝光的主流的光罩?jǐn)?shù)達(dá)到46萬(wàn)2792個(gè)，平均良率高達(dá)94.8%。因此如何提升光罩良率和成本問(wèn)題，就成為他們考慮的首要問(wèn)題。

其次EUV薄膜問(wèn)題也不能忽略；

雖然現(xiàn)在EUV設(shè)備都是處于超潔凈環(huán)境中，但是在制造過(guò)程中，灰塵是無(wú)可避免地產(chǎn)生的。如果有一點(diǎn)回城掉到光罩上，則會(huì)造成很大的損失?，F(xiàn)在主流光罩的薄膜是透明的，能夠經(jīng)受得起考驗(yàn)，但是目前的EUV薄膜是不透明的，那就需要超薄型的薄膜去制造透明的EUV薄膜，能夠抵擋EUV光刻機(jī)的震蕩和相關(guān)干擾對(duì)光罩造成的影響。

還有一個(gè)重要的問(wèn)題是目前沒(méi)有很好的方法去檢測(cè)光罩的缺陷；

理想情況下，你可以用EUV光去掃描那些需要修補(bǔ)的點(diǎn)。但這個(gè)被稱為actinic patterned-mask inspection的技術(shù)依然還在研究當(dāng)中，所以所有的芯片制造商目前在光罩檢測(cè)上也只能用權(quán)宜之計(jì)：有些廠商使用193nm光刻的那些工具。但是來(lái)到7nm，用193nm的方法無(wú)異于緣木求魚(yú)。因?yàn)榉椒m然相同，但是你總會(huì)錯(cuò)過(guò)一些東西。芯片制造商也使用一個(gè)叫做“print check”的技術(shù)去檢查晶圓，但這個(gè)方法在時(shí)間和金錢(qián)成本都很高，并不能讓人接受。

對(duì)ASML來(lái)說(shuō)，未來(lái)還需要解決一個(gè)光源問(wèn)題。

目前的250W光源應(yīng)用在7nm甚至5nm都是沒(méi)問(wèn)題的，但到了3nm，對(duì)光源的功率需求將會(huì)達(dá)到500W，到了1nm的時(shí)候，光源功率要求甚至達(dá)到了1KW，這也不會(huì)是一個(gè)容易的問(wèn)題。

讓我期待一些聰明的工程師幫我們解決這些問(wèn)題。