光刻機三巨頭的殊途同歸

　　說到光刻機，大家第一反應是什么?筆者第一反應是ASML，第二反應是價格特別昂貴，第三反應是我國卡脖子技術。

　　不知不覺中，ASML似乎成了光刻機的代名詞，這個想法如果被上世紀八九十年代的尼康和佳能知道，可能要氣得直吹胡子，“哪里來的毛頭小子，也敢和我比肩”。

　　不過，現(xiàn)實就是這么殘忍，正所謂“三十年河東，三十年河西”。在四五十年后的今天，當初的毛頭小子成為了如今手持幾十臺“印鈔神獸”的霸主，占據(jù)了全球80%的光刻機營收份額，而曾今的巨頭只能淪為二三線，但說到底也是曾經(jīng)稱霸一方的巨頭，即使遠不敵當年驍勇，但也不會輕易舍棄光刻機這一杯羹。

　　面對越來越火熱的芯片產(chǎn)業(yè)，ASML在EUV道路上一路狂奔，佳能和尼康卻“獨辟蹊徑”，試圖在獨特路線上通過差異化來獲取競爭優(yōu)勢。

　　一、ASML，壟斷EUV

　　“如果我們交不出EUV，摩爾定律就會從此停止。”ASML首席執(zhí)行官Peter Wennink在2017年曾如是說過，這句話很囂張，但無人可以反駁。從本世紀初開始，就不斷有人預言摩爾定律將死，如今摩爾定律已經(jīng)成功迎來了第57個年頭，全球芯片工藝進程也在向3nm，甚至更先進的方向邁進，而實現(xiàn)這一切的大功臣就是ASML的EUV光刻機。

　　EUV光刻機也叫做極紫外光刻機，工藝極其復雜。ASML EUV光刻機使用 13.5 nm 的波長，由來自全球近800家供貨商的多個模塊和數(shù)十萬個零件組成，每個模塊都在ASML遍布全球的60個工廠中完成生產(chǎn)，然后運往維爾德霍溫進行組裝，運輸一套EUV曝光機需要20輛卡車，或者三架滿載的波音747飛機。其內部結構大概如下：

　　從ASML 官方消息來看，EUV技術從1994年就開始工業(yè)化，由ASML參加的聯(lián)盟交付了第一個原型。2006 年 8 月，ASML向美國奧爾巴尼的納米科學與工程學院和比利時魯汶的 imec 運送了世界上第一臺 EUV 光刻演示工具。2013年，第一個 EUV 生產(chǎn)系統(tǒng) TWINSCAN NXE:3300 發(fā)貨。

　　站在現(xiàn)在回看過去，寥寥數(shù)筆似乎就可以概括當時研發(fā)EUV光刻機的那段歷史，但事實上研發(fā)過程十分艱難，主要問題在于EUV研發(fā)實在是太費錢了，風險巨大。在當時看來，它就像一個無底吞金“黑洞”，大把大把的錢砸進去都不一定能聽到個響。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 60 億歐元。

　　如今，先進制程已經(jīng)來到了3nm的交叉路口，臺積電和三星都表示將在今年量產(chǎn)3nm，而他們量產(chǎn)所用的光刻機應該就是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))的藤原祥二郎社長表示，“摩爾定律預計未來10年后還會持續(xù)下去，以此為中心支撐的是最先進的EUV光刻機”。近期，阿斯麥公眾號也指出：“只要我們還有想法，摩爾定律就會繼續(xù)生效!”

　　從ASML 透露的消息可以看出，ASML正在開發(fā)下一代 EUV 平臺，將數(shù)值孔徑 (NA) 從 0.33 增加到 0.55，可以支持多個未來節(jié)點。

　　據(jù)了解，ASML 下一代EUV 0.55 NA平臺有望使芯片尺寸減小1.7倍，進一步提高分辨率，并將微芯片密度提高近3倍。第一個EUV 0.55 NA平臺早期接入系統(tǒng)預計將在2023年投入使用，預計客戶將在2024-2025年開始研發(fā)，2025-2026年進入客戶的大批量生產(chǎn)。ASML預計在2025年之前擁有大約20臺0.55 High-NA EUV。

　　在產(chǎn)能方面，過去十年，ASML總共售出大約140套EUV光刻機。但在未來，EUV光刻機想必會越來越吃香，畢竟除了邏輯芯片外，一直采用成熟制程的存儲芯片廠商也開始加入戰(zhàn)局。

　　去年8月，美光CEO Sanjay Mehrotra在采訪中確認，美光已將EUV技術納入DRAM技術藍圖，將由10nm世代中的1γ(gamma)工藝節(jié)點開始導入。作為長期批量協(xié)議的一部分， 美光已從 ASML 訂購了多種 EUV 工具。此外，SK 海力士也強調了 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%。

　　為了滿足不斷增長的光刻機需求，ASML方面指出，于22Q1提高了產(chǎn)能擴張計劃，預計到2024年產(chǎn)能擴張25%左右，到2025年形成90臺0.33 NA EUV和約600臺DUV產(chǎn)能。

　　二、佳能，NIL控制成本

　　佳能在上世紀輸出還是很猛的，在1970年發(fā)售了日本首臺半導體光刻機PPC-1;1975年發(fā)售的FPA-141F光刻機，在世界上首次實現(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，是當時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體光刻機領域的第52周年，在上世紀被著名的干濕路線之爭絆了一跤之后，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，佳能出售的光刻機涉及i-line到KrF級別，并沒有浸入式光刻機，與EUV光刻機區(qū)別就在于光源波長的不同，EUV 技術所使用的光源波長為13·5納米，而KrF技術則是248納米，i線光源波長是365納米。眾所周知，對于光刻機來說，所用光源波長越短，越能描繪微細線寬的半導體電路。所以能感受到兩者之間的差距了吧。

　　雖然佳能光刻機低端，但近期熱度卻不小，據(jù)華爾街日報去年年底報道，1995年制造的二手光刻機佳能FPA3000i4，在2014年10月只值10萬美元，今天則值170萬美元。佳能日前公布的財報也指出安全攝像頭以及光刻機推動業(yè)績打仗，隨著半導體設備投資的增加，佳能的光刻機業(yè)務還會持續(xù)增長。

　　不過“啃老”總歸不長久，創(chuàng)新才是真的出路。在EUV領域想要趕超ASML幾乎是不可能的了，那不如就換個方向，而佳能選中的就是“納米壓印光刻(NIL)”。佳能官方對NIL是這么介紹的，這種方法具有簡單、緊湊、能夠以低成本制造芯片的優(yōu)點。

　　確實，相比EUV光刻機復雜的結構以及難以提高生產(chǎn)率，NIL 只需要將形成三維結構的掩膜壓在晶圓上被稱為液體樹脂的感光材料上，同時照射光線，一次性完成結構的轉印的方法。不需使用EUV光刻機，也不需要使用鏡頭，而且還可以將耗電量可壓低至EUV技術的10%，并讓設備投資降低至僅有EUV設備的40% ，可以說是“省錢小能手”。

　　官方消息顯示，佳能早在2004 年就開始研發(fā)NIL技術，2014年美國分子壓印公司(現(xiàn)佳能納米技術)加入佳能集團的消息公開，明確表示將使用納米壓印法進行開發(fā)。2021 年春季，大日本印刷在根據(jù)設備的規(guī)格進行了內部模擬，發(fā)現(xiàn)在電路形成過程中每個晶片的功耗可以降低到使用EUV曝光時的大約1/10，根據(jù)大日本印刷的說法，NIL量產(chǎn)技術電路微縮程度則可達5nm節(jié)點。2017 年 7 月，佳能納米壓印半導體制造設備“FPA-1200NZ2C”設備交付給東芝存儲器四日市工廠。

　　東芝存儲器四日市工廠調整納米壓印半導體制造設備“FPA-1200NZ2C”

　　在佳能開發(fā)人員首藤真一看來，這種納米壓印設備是一種將創(chuàng)造未來的設備。未來，半導體會變得更精細，不僅會被封裝在智能手機中，未來還會被用作貼紙，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現(xiàn)這一點。

　　從目前透露的消息來看，和佳能共同開發(fā)的NIL技術的鎧俠已掌握NIL 15nm的制程量產(chǎn)技術，目前正在進行15nm以下技術研發(fā)，預計2025年進一步達成。不過佳能方面還未透露出設備量產(chǎn)的消息，實用化的時期還不明確，我們可以期待下。

　　三、尼康，ArF液浸打磨

　　說完了佳能，再來聊聊尼康。尼康在上世紀末是當之無愧的光刻機巨頭，從 80 年代后期至本世紀初，尼康光刻機市場占有率超50%，代表著當時光刻機的最高水平。這點從尼康官網(wǎng)半導體光刻系統(tǒng)歷史發(fā)展也可以看出，1980年出貨 NSR-1010G(分辨率：1.0 µm)，從1984年開始，幾乎每年都會出貨至少1款光刻機。

　　到了1999年，除了推出世界第一臺干式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)四款設備，銷售的半導體光刻系統(tǒng)數(shù)量達到 6，000 臺。

　　那時候尼康的光輝事跡密密麻麻可以寫滿了好幾頁，不過，和佳能一樣，本世紀初的那場干濕路線之爭成為了轉折點。如今的尼康雖然憑借多年技術積累位居光刻機二線供應商地位，但份額已經(jīng)極大的縮小了。2021年度，Nikon光刻機業(yè)務營收約112億元人民幣，出貨了29臺集成電路用光刻機，較2020年減少4臺。

　　目前，在光刻機技術方面，尼康主推ArF浸沒式技術，大部分精力都在Arf和i-line光刻機領域。ArF光刻機也就是DUV光刻機，光源波長達到193nm，波長的限制使得DUV無法實現(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。

　　不過這也說明了，相比佳能，尼康的光刻機更先進一點。雖然DUV光刻機也是ASML的專場，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)是這么說的：隨著小型化的進展，達到了阻止現(xiàn)有光刻技術處理較小尺寸的理論障礙，這個問題的解決方案是浸入式光刻技術，尼康將其整合到其半導體光刻系統(tǒng)中。

　　尼康常務執(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”。2018年，尼康推出了NSR-S635E ArF 浸沒式掃描儀，該光刻機專為5nm工藝制程量產(chǎn)而開發(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，以每小時高達 275 個晶圓的超高通量優(yōu)化可負擔性。

　　到了2021年10月，尼康宣布開發(fā)NSR-S635E進階版——NSR-S636E ArF 浸沒式掃描儀，將提供卓越的覆蓋精度和超高吞吐量，以支持最關鍵的半導體設備的制造，預計將于 2023 年開始銷售。雖然尼康并未公布S636E更多的參數(shù)，但是作為NSR-S635E進階版，量產(chǎn)5nm芯片應該不在話下。

　　同佳能一樣，在芯片熱潮的帶動下，尼康對光刻機業(yè)績也給了很大的期望。今年3月，尼康發(fā)布了2022年度半導體曝光裝置銷量，預計將超過2019年度的業(yè)績45臺，將比2021年度的預測上增加13臺以上，達近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，建設半導體新工廠，預計到2024年度為止，銷售臺數(shù)都將保持穩(wěn)定。

　　結合尼康下一代光刻機的推出時間，我們可以期待兩年后的尼康會有怎樣的變化。

　　四、寫在最后

　　如果你來自未來，或許那時候的芯片產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成功邁入了埃米時代，回頭再看2022年，也許會像ASML過去研發(fā)EUV技術一樣，寥寥數(shù)筆就囊括了所有光刻機廠商們所為之做出的努力。但要記得，在當下，在2022年，他們仍在探索著摩爾定律的“續(xù)命之道”。

　　而這條路，道阻且長。