ASML最新的NEX:3400C光刻機(jī)

　　在《超能課堂(66)：沙子做的CPU，憑什么賣那么貴?》這批文章中我們已經(jīng)介紹過芯片是怎么造出來的了，紫外線曝光是其中一步，而這個(gè)步驟就是由光刻機(jī)所執(zhí)行的，它是芯片生產(chǎn)的核心，也是這個(gè)步驟決定了芯片的制程工藝。

而光刻的工作原理，大家可以想象一下膠片照片的沖洗，掩膜版就相當(dāng)于膠片，而光刻機(jī)就是沖洗臺(tái)，它把掩膜版上的芯片電路一個(gè)個(gè)的復(fù)制到光刻膠薄膜上，然后通過刻蝕技術(shù)把電路“畫”在晶圓上。

　　當(dāng)時(shí)實(shí)際過程肯定沒這么簡單，上圖是ASML典型的沉浸式步進(jìn)掃描光刻機(jī)為例來看下光刻機(jī)是怎么工作的——首先是激光器發(fā)光，經(jīng)過矯正、能量控制器、光束成型裝置等之后進(jìn)入光掩膜臺(tái)，上面放的就設(shè)計(jì)公司做好的光掩膜，之后經(jīng)過物鏡投射到曝光臺(tái)，這里放的就是8寸或者12英寸晶圓，上面涂抹了光刻膠，具有光敏感性，紫外光就會(huì)在晶圓上蝕刻出電路。

　　而激光器負(fù)責(zé)光源產(chǎn)生，而光源對(duì)制程工藝是決定性影響的，隨著半導(dǎo)體工業(yè)節(jié)點(diǎn)的不斷提升，光刻機(jī)縮激光波長也在不斷的縮小，從436nm、365nm的近紫外(NUV)激光進(jìn)入到246nm、193nm的深紫外(DUV)激光，現(xiàn)在DUV光刻機(jī)是目前大量應(yīng)用的光刻機(jī)，波長是193nm，光源是ArF(氟化氬)準(zhǔn)分子激光器，從45nm到10/7nm工藝都可以使用這種光刻機(jī)，但是到了7nm這個(gè)節(jié)點(diǎn)已經(jīng)的DUV光刻的極限，所以Intel、三星和臺(tái)積電都會(huì)在7nm這個(gè)節(jié)點(diǎn)引入極紫外光(EUV)光刻技術(shù)，而GlobalFoundries當(dāng)年也曾經(jīng)研究過7nm EUV工藝，只不過現(xiàn)在已經(jīng)放棄了。

　　而使用極紫外光(EUV)作為光源的光刻機(jī)就是EUV光刻機(jī)，當(dāng)然這絕對(duì)不是單純只換個(gè)光源這么簡單。

　　為什么需要EUV光刻?

　　現(xiàn)在所用的193nm光源DUV其實(shí)是2000年代就開始使用的了，然而在更短波長光源技術(shù)上卡住了，157nm波長的光刻技術(shù)其實(shí)在2003年就有光刻機(jī)了，然而對(duì)比193nm波長的進(jìn)步只有25%，但由于157nm的光波會(huì)比193nm所用的鏡片吸收，鏡片和光刻膠都要重新研制，再加上當(dāng)時(shí)成本更低的浸入式193nm技術(shù)已經(jīng)出來了，所以193nm DUV光刻一直用到現(xiàn)在。

　　當(dāng)然大家一定想知道為啥同一光源為什么可以衍生出這么多不同工藝節(jié)點(diǎn)，以Intel為例，2000年用的是180nm，而現(xiàn)在已經(jīng)是10nm了，其實(shí)光刻機(jī)決定了半導(dǎo)體工藝的制程工藝，光刻機(jī)的精度跟光源的波長、物鏡的數(shù)值孔徑是有關(guān)系的，有公式可以計(jì)算：

　　光刻機(jī)分辨率=k1*λ/NA

　　k1是常數(shù)，不同的光刻機(jī)k1不同，λ指的是光源波長，NA是物鏡的數(shù)值孔徑，所以光刻機(jī)的分辨率就取決于光源波長及物鏡的數(shù)值孔徑，波長越短越好，NA越大越好，這樣光刻機(jī)分辨率就越高，制程工藝越先進(jìn)。

　　最初的浸入式光刻就是很簡單的在晶圓光刻膠上加1mm厚的水，水可以把193nm的光波長折射成134nm，后來不斷改進(jìn)高NA鏡片、多光照、FinFET、Pitch-split以及波段鈴木的光刻膠等技術(shù)，一只用到現(xiàn)在的7nm/10nm，但這已經(jīng)是193nm光刻機(jī)的極限了。

　　在現(xiàn)有技術(shù)條件上，NA數(shù)值孔徑并不容易提升，目前使用的鏡片NA值是0.33，大家可能還記得之前有過一個(gè)新聞，就是ASML投入20億美元入股卡爾·蔡司公司，雙方將合作研發(fā)新的EUV光刻機(jī)，許多人不知道EUV光刻機(jī)跟蔡司有什么關(guān)系，現(xiàn)在應(yīng)該明白了，ASML跟蔡司合作就是研發(fā)NA 0.5的光學(xué)鏡片，這是EUV光刻機(jī)未來進(jìn)一步提升分辨率的關(guān)鍵，不過高NA的EUV光刻機(jī)至少是2025-2030年的事了，還早著呢，光學(xué)鏡片的進(jìn)步比電子產(chǎn)品難多了。

　　NA數(shù)值一時(shí)間不能提升，所以光刻機(jī)就選擇了改變光源，用13.5nm波長的EUV取代193nm的DUV光源，這樣也能大幅提升光刻機(jī)的分辨率。

　　在上世紀(jì)90年代后半期，大家都在尋找取代193nm光刻光源的技術(shù)，提出了包括157nm光源、電子束投射、離子投射、X射線和EUV，而從現(xiàn)在的結(jié)果來看只有EUV是成功了。當(dāng)初由Intel和美國能源部牽頭，集合了摩托羅拉、AMD等公司還有美國的三大國家實(shí)驗(yàn)室組成EUV LLC，ASML也被邀請(qǐng)進(jìn)入成為EUV LLC的一份子。在1997到2003年間，EUV LLC的幾百位科學(xué)家發(fā)表了大量論文，證明了EUV光刻機(jī)的可行性，然后EUV LLC解散。

　　2006年全球首臺(tái)EUV光刻機(jī)原型

　　接下來ASML在2006年推出了EUV光刻機(jī)的原型，2007年建造了10000平方米的無塵工作室，在2010年造出了第一臺(tái)研發(fā)用樣機(jī)NXE3100，到了2015年終于造出了可量產(chǎn)的樣機(jī)，而在這研發(fā)過程中，Intel、三星、臺(tái)積電這些半導(dǎo)體大廠的輸血是絕對(duì)不少的。

　　作為全球唯一一家能EUV光刻機(jī)的廠家，ASML自然獲得了大量的訂單，截止至2019年第二季度，ASML的NEX:3400B EUV光刻機(jī)的裝機(jī)數(shù)已經(jīng)多達(dá)38臺(tái)，而下半年他們推出了效率更高的NEX:3400C光刻機(jī)，而在2019年全年一共交付了26套EUV光刻機(jī)，為他們帶來了27.89億歐元的收入，占了全年收入的31%，而全年賣了82臺(tái)的ArFi遠(yuǎn)紫外光光刻機(jī)才進(jìn)賬47.67億歐元，可見一套EUV光刻機(jī)是多么的賺錢。

　　新的NEX:3400C產(chǎn)能從原來的125每小時(shí)晶圓提升到170每小時(shí)晶圓，銷量大幅提升(圖片來源：wikichip)

　　盡管EUV光刻機(jī)相當(dāng)之貴，接近1.2億美元一臺(tái)，但半導(dǎo)體廠商還是愿意去投入，因?yàn)?nm以及以上的工藝的確需要EUV光刻機(jī)，幾時(shí)同樣的7nm工藝，使用EUV光刻技術(shù)之后晶體管密度和性能都變得更好，根據(jù)臺(tái)積電給出的數(shù)據(jù)，相較于初代7nm工藝，7nm EUV(N7+)可以提供1.2倍的密度提升，同等功耗水平下提供10%的性能增幅，或者同性能節(jié)省15%的功耗。

　　現(xiàn)在三星和臺(tái)積電都已經(jīng)使用7nm EUV工藝開始生產(chǎn)芯片了，預(yù)定今年發(fā)布的AMD Zen 3架構(gòu)第四代銳龍?zhí)幚砥饔玫木褪桥_(tái)積電7nm EUV工藝，Intel現(xiàn)在的10nm工藝還沒用上EUV技術(shù)，不過預(yù)定在7nm工藝時(shí)期用上EUV光刻，國內(nèi)的中芯國際也從ASML訂購了一臺(tái)EUV光刻機(jī)，但因?yàn)榉N種問題，現(xiàn)在交貨時(shí)間還未明確。