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EUV光刻技术隐秘往事:近40个国家入局,研发难度

(本文首发腾讯科技,未经许可,请勿转载;全文共3200字,完全涉猎需5分钟)

划重点:

  • 1从终极仅一国胜出的结果看,EUV光刻技巧研起事度跨越了原枪弹。
  • 22008 Sematech光刻论坛举办方让专家们就当时的各类光刻技巧的市场前景投票,结果EUV光刻技巧得到60%的认可,远超其它光刻技巧规划。这无疑为系统集成商ASML打了一针鸡血。
  • 3欧美和日韩蓬勃国家,之以是挤破头也要入局EUV光刻技巧,主如果为了替本国的半导体财产抢购未来的车票。

5月5日,中国最大年夜的晶圆代工厂中芯国际发布回归A股,确定科创板上市,拟发行16.86亿股份,召募的资金中,40%将投入14nm制程工艺项目。

中芯国际回归A股,注解未来融资通道将更为顺畅,可望缓解制程工艺提升路上的资金饥渴。但市场更关心的,是中芯国际何时能用上EUV光刻机?公司联席CEO梁孟松曾明确表示,后续的5nm、3nm制程工艺,是必须要有EUV光刻机的。

一个弗成轻忽的现实是,因为EUV光刻机今朝无法实现国产替代,已经成为未来国产芯片制程工艺迈向国际领先水平的制约身分。

问题来了,我们曾在一穷二白的前提下成功搞出“两弹一星”,为何就不能搞定EUV光刻机?或者说,EUV光刻机的研起事度会跨越原枪弹?

01、近40个国家加入EUV光刻技巧研发战团

EUV光刻技巧的研发始于20多年前,前后有近40个国家加入战团,欧美蓬勃国家险些悉数入局。

行动最早的是美国。

早在1996年曩昔,美国即开始电子束和软X射线光刻技巧钻研,不过并没有商业目的,钻研机构主如果国家实验室、AT&T和相关大年夜学。

1997年,美国科技巨子们开始集体行动,英特尔联合AMD、摩托罗拉、美光、Infineon和IBM成立EUV光刻技巧研发同盟。

到1999年时,EUV光刻技巧的根基钻研成为显学。这一年,EUV光刻技巧被国际半导体技巧成长路线图(ITRS)确定为下一代光刻首选技巧,这就意味着,谁假如不介入到EUV光刻技巧研发,谁就将鄙人一代芯片角逐中自动弃权。

当时,举世芯片财产照样四分世界格局,美国巩固了CPU等逻辑芯片的霸主职位地方,欧洲芯片正在式微,期望捉住一根转运的稻草,韩国和日本正为争夺存储芯片在市场大年夜打脱手,谁也不敢松口气。

于是,包括美国在内,欧洲、日本和韩国,个个撸起袖子,技痒,都想要攻克EUV光刻技巧这个未来制高点:

1、在美国,介入EUV光刻技巧钻研的跨越50个单位,包括国家实验室、大年夜学、科技公司等;

2、欧洲下注最大年夜,跨越35个自力国家、大年夜约110个钻研单位,介入到EUV光刻技巧钻研中;

3、日本起了个大年夜早,EUV光刻技巧钻研始于1998年,却赶了个晚集,到2002年6月才成立EUV光刻技巧系统钻研协会,这或许和它存储芯片财产式微有关;

4、韩国在工商能源部(MOCIE)的支持下开展EUV光刻技巧钻研, 主要参加单位有 KERI (韩国电子钻研社)、汉阳大年夜学、韩国国夷易近大年夜学、三星浦项(Samsung Postech)、首尔大年夜学等。

看起来赛道上热热闹闹,但要跑完全场并拿到冠军并不轻易,由于这是一个难度系数超级高的比赛项目。

02、技巧攻关路上,坑一个接着一个

EUV光刻技巧的繁杂和高难度,可以说,贯穿了根基钻研、技巧攻关和系统集成,真正的一条路难到底、没有任何近路可抄。

在EUV光刻技巧攻关的路上,钻研职员先后碰到光源、抗蚀剂和防护膜三大年夜难题。更要命的是,以前的技巧积累在这些难题眼前很难派上用处,必要从零开始。

仅在EUV光源问题上,就让钻研职员吃够苦头:

1、险些所有物质都能强烈接受EUV,以是曝光必须在真空中进行,原本采纳193nm光源的浸液式光刻机的曝光系统完全用不上;

2、长于制作透镜的蔡司的武功被废,由于传统透镜折射毫光的规划轻易接受EUV能量,使其衰减到无法用于光刻,以是蔡司之前积累的透镜磨制技巧被淘汰了,只能采纳特殊镀膜的反射镜来改变和汇聚EUV,这就意味着开拓资源和难度上升一个等级;

当然,上述难题和EUV光源功率的提升比拟,还算对照轻易的。

EUV光源主要有两种,一种是LPP(激光等离子体)光源,是将锡或锑等物质的小液滴滴到激光上,受引发出EUV辐射;另一种是DPP(放电等离子体)光源,给放电气体加上高电压,负气体等离子化孕育发生EUV辐射。

但无论哪一种光源,都面临一个问题,那便是转换效率太低了。

按规定,EUV光刻机要满意商业化临盆的要求,中间焦点处(IF)的EUV功率至少要达到115W,要大年夜规模量产的话,EUV功率又必须提升到250W。留意,EUV功率不即是激光输出(或DPP光源中的电极放电)功率,后者转换成前者的效率很低。

转换效率是个大年夜坑,搞不好的话,全部EUV光刻钻研就会功败垂成。

2005年,Powerlase公司在采纳LPP光源转换EUV光源,激光输出功率为3.6KW,在中间焦点处仅获得最低10W、最高20W的EUV输出,即转换效率在0.28—0.56%之间。

按这个转换效率谋略,要达到115W的EUV功率(光刻机规模化临盆的功率要求),激光输出功率至少要达到41KW,假如按250W的商业化功率要求,激光输出的功率至少要达到89.3KW。

89.3KW的激光输出功率,已经靠近战术激光武器100KW的指标,别说当时,便是现在也不轻易搞定。

2015年,洛克希德.马丁公司用开拓的雅典娜激光武器烧毁了一英里外的卡车,而“雅典娜”的激光输出功率只有30KW。

今朝美军驱逐舰上的激光炮也便是30KW输出级别(下图)。

而美军计划开拓的是100KW级别激光炮,便是下图中的那货。

换句话说,在2005年,还根本无法为EUV光刻机量产41KW级其余激光源,可行的门路是前进能量转换效率。

4年之后即2009年,Cymer公司的EUV光源功率可以达到100W,靠近商业化指标,同时一举逾次日本公司,成为ASML的光源模组供应商。

恰是因为EUV光刻技巧研起事度超高,终极修成正果的也就美国这一脉,其他国家沦为陪跑。从这个角度看,EUV光刻技巧研起事度确凿跨越原枪弹。

03、EUV光刻机市场容量一样平常?

EUV光刻机现已进入批量临盆阶段,英特尔、台积电和三星均收到机械。因为价格昂贵(每部售价大年夜约1.25亿美元)、技巧含量极高(集人类今朝最尖真个材料、周详机器和光电科技于一身),加之我国的EUV光刻机拥有量为零(台积电除外),是以有关它的新闻每每牵感人的神经。

加之举世就荷兰ASML能制造EUV光刻机,难免会有人想,如斯垄断职位地方,ASML必然数钱数得手抽筋了吧。

还真不敢这么说。

最大年夜的问题是市场容量有限。

今朝,EUV光刻机的主要用户是三星、英特尔和台积电,最多加上中芯国际,一只手都能数过来。客户数量屈指可数,客户的下单数量同样不大年夜。根据ASML的财报数据,2019年出货26台EUV光刻机,估计2020年出货35台。斟酌到现在除台积电外,EUV光刻机在其它芯片厂还处于试临盆期,加上疫情拖累,乐不雅预计2021年可能是EUV光刻机在三大年夜厂大年夜规模临盆的光阴节点。

这种环境下,EUV光刻机的需求是否会爆单呢?

也不会。

按ASML给出的数据,一台EUV光刻机每月能处置惩罚4.5万片12英寸晶圆,再结合三星、台积电和英特尔的产能需求估算,未来6年的EUV光刻机总需求量不跨越600台,每年需求量最多不跨越100台。

这就孕育发生另一个问题,有限的市场容量能否支撑EUV光刻技巧的研发资源?

谜底是,很不乐不雅。

04、回报一样平常,为何还要上马EUV光刻技巧?

按每台EUV光刻机售价1.25亿美元算,每年最多贩卖100台谋略,ASML每年的EUV光刻机营业贩卖额最多125亿美元,合人夷易近币875亿元阁下。而20年来,EUV光刻技巧的研发总用度(包括根基钻研、技巧攻关和系统集成)早不止千亿元人夷易近币了。

实际上,EUV光刻技巧的研发资源不停是个绕不开的话题,因为用度太高(至今没有详细统计数据),在2008 Sematech光刻论坛举行的小组评论争论会上,专家们开始熟识到,应采纳何种商业运作模式,以收受接收巨额的先期研发投入,若何进行利益分配和资源节制,以及若何打扫光刻技巧提高蹊径上的障碍。

为验证EUV光刻技巧的前景,削减风险,论坛举办方让专家们就当时的各类光刻技巧的市场前景投票,结果EUV光刻技巧得到60%的认可,远超其它光刻技巧规划。这无疑为系统集成商ASML打了一针鸡血。

从EUV光刻技巧着末的角逐结果看,仅美国这一脉修成正果,其他30多个国家都在陪跑,最大年夜的收益是融入英特尔和ASML主导的EUV光刻机财产链,可以说EUV光刻技巧是投资回报一样平常的项目。

既然如斯,为何有近40个国家还要挤破头入EUV光刻技巧的局?

谜底是,EUV光刻技巧可以拉动一国的半导体财产。

193nm浸液式光刻技巧的极限分辨率是10nm(晶体管密度相称于台积电的7nm),跳过这道鸿沟,就可以继承推进摩尔定律,享受举世芯片市场的头部收益,同时拉动一国的半导体财产进级。

这便是欧美和日韩蓬勃国家挤破头也要入局的缘故原由,押注EUV光刻技巧,即是为本国的半导体财产抢购未来的车票。

从终极的结果看,抢跑的美国成为终极的胜出者,好比抢到一等票,其它国家和地区虽然沦为陪跑,但凭借各自的研发成果和技巧实力,不合程度嵌入了EUV光刻机(EUV光刻技巧的产物)的财产链条中,比如荷兰的ASML成为EUV光刻机系统集成商,日本、韩国则在抗蚀剂、防护膜、掩膜等细分领域分得一席之地,相称于抢到了二三等票或站票。

未入局的,则只能在车外不雅望。

可以说,在高科技的研发竞争中,拼的是投入和实力,没有近路可抄,更没有弯道超车。

参考资料

《极紫外光EUV光刻技巧匆匆进半导体格局新变更》,作者/莫大年夜康;

《EUV光刻技巧的难点阐发》,作者/Mark LaPedus;

《向商业化迈进的极紫外(EUV)光刻技巧》,作者/EPE编辑部。

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