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ASML光刻机延迟出货 应做两手准备

铁流 · 2019-11-15 · 来源:铁君
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  11月7日《日本经济新闻》报道了一则消息,称全世界唯一的高端光刻机生产厂商荷兰ASML公司决定,不再向中国中芯公司出售可用于加工7nm以下芯片的极紫外光刻机(EUV)。之后,中芯国际表示:极紫外光(EUV)还在纸面工作阶段,未进行相关活动。公司先进工艺研发进展顺利。目前,研发与生产的连结一切正常。客户与设备导入正常运作。

  ASML也公开表态:关于日经新闻有关中芯国际相关报导有误,“延迟出货“仅为其媒体推测,ASML从未评论或确认,对其将推测直接定性为事实作为新闻标题并在文中阐述,表示抗议。ASML表示,对全球客户一视同仁。根据瓦圣纳协议,ASML出口EUV到中国需取得荷兰政府的出口许可(export license)。该出口许可于今年到期,ASML已经于到期前重新进行申请,目前正在等待荷兰政府核准。

  从中芯国际和ASML的公开表态看,日经新闻的报道有夸大其词的嫌疑,但如果美国像干涉中资收购德国爱思强那样搞干涉,或者荷兰政府脊梁骨不够硬,担心“友邦惊诧”,中芯国际的EVU光刻机恐怕是不能按期收货了。

 

 

  什么是光刻机?

  2017年初,一台价值1.06亿元的设备经空运从荷兰飞抵厦门,由于该设备价值高,而且对保存和运输有着很高的要求——必须保持在23℃恒温状态下。为了避免影响设备的精度,在运输中也对稳定性有极高的要求。因此,机场海关以机坪查验的方式对该货物实行全程机边监管,待货物装入特制温控气垫车,移至海关的机坪视频监控探头之下,完成紧急查验后当晚就得到放行。这台获得机场海关如此严阵以待的设备,就是光刻机,从价格来看,这台光刻机并非最先进的EUV,很有可能是采用193nm光源的光刻机。

  光刻机是芯片制造的核心设备之一,按照用途可以分为好几种:有用于生产芯片的光刻机;有用于封装的光刻机;还有用于LED制造领域的投影光刻机。

  在芯片制造中,光刻机的作用就是将电路图用激光按比例放缩到硅片上。光刻机通过一系列的光源能量、形状控制手段,将光束透射过画着线路图的掩模,经物镜补偿各种光学误差,将线路图成比例缩小后映射到硅片上,然后使用化学方法显影,得到刻在硅片上的电路图,也就是芯片。

  一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、激光刻蚀等工序。经过一次光刻的芯片可以继续涂胶、曝光。越复杂的芯片,线路图的层数越多,也需要更精密的曝光控制过程。可以说,光刻机是芯片制造中最核心的装备,也是中国半导体设备的最大短板。国内晶圆厂所需的高端光刻机完全依赖进口。

  之前说了,光刻机用途广泛,除了高端大气上档次的前道光刻机之外,还有用于LED制造领域投影光刻机和用于芯片封装的后道光刻机,虽然在前道光刻机上国内厂商和ASML差距如同鸿沟,但后道光刻机和投影光刻机国内厂商不仅都能制造,还占据了不低的市场份额。

  最新的光刻机是EUV光刻机。EUV还使用反射镜取代了投射镜,还使用了极紫外光源,EU这俩字母就是极紫外的缩写,波长是13.5nm。因为用波长极短,很容易被任何东西吸收,包括空气,所以腔体内是真空系统。ASML研发EUV花了十来年时间,数百亿美元,可知其技术难度。EUV光刻机的售价为1亿美元一台。

  

  光刻机工作原理和组成

  通过一系列的光源能量、形状控制手段,将光束透射过画着线路图的掩模,经物镜补偿各种光学误差,将线路图成比例缩小后映射到硅片上,不同光刻机的成像比例不同,有5:1,也有4:1。然后使用化学方法显影,得到刻在硅片上的电路图(即芯片)。

  一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、激光刻蚀等工序。经过一次光刻的芯片可以继续涂胶、曝光。越复杂的芯片,线路图的层数越多,也需要更精密的曝光控制过程。现在最先进的芯片有几十层之多。

  附一张ASML光刻机的简易工作原理图。

  

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  简单介绍一下图中各设备的作用。

  测量台、曝光台:承载硅片的工作台,也就是本次新闻里说的双工作台。一般的光刻机需要先测量,再曝光,只需一个工作台,而ASML有个专利,有两个工作台,实现测量与曝光同时进行。之前国内“光刻机双工件台系统样机研发”项目则是在技术上突破ASML对双工件台系统的技术垄断。

  激光器:也就是光源,光刻机核心设备之一,之前已经介绍过了。

  光束矫正器:矫正光束入射方向,让激光束尽量平行。

  能量控制器:控制最终照射到硅片上的能量,曝光不足或过足都会严重影响成像质量。

  光束形状设置:设置光束为圆型、环型等不同形状,不同的光束状态有不同的光学特性。

  遮光器:在不需要曝光的时候,阻止光束照射到硅片。

  能量探测器:检测光束最终入射能量是否符合曝光要求,并反馈给能量控制器进行调整。

  掩模版:一块在内部刻着线路设计图的玻璃板,贵的要数十万美元。

  掩膜台:承载掩模版运动的设备,运动控制精度是nm级的。

  物镜:物镜由20多块镜片组成,主要作用是把掩膜版上的电路图按比例缩小,再被激光映射的硅片上,并且物镜还要补偿各种光学误差。技术难度就在于物镜的设计难度大,精度的要求高。

  硅片:用硅晶制成的圆片。硅片有多种尺寸,尺寸越大,产率越高。题外话,由于硅片是圆的,所以需要在硅片上剪一个缺口来确认硅片的坐标系,根据缺口的形状不同分为两种,分别叫flat、notch。

  内部封闭框架、减振器:将工作台与外部环境隔离,保持水平,减少外界振动干扰,并维持稳定的温度、压力。

  中外光刻机差距巨大

  光刻机被称为人类最精密复杂的机器,业界将其誉为集成电路产业皇冠上的明珠,研发的技术门槛和资金门槛非常高。也正是因此,能生产高端光刻机的厂商非常少,到最先进的5/7nm光刻机就只剩下ASML,日本佳能和尼康已经基本放弃EUV光刻机的研发。

  目前,光刻机领域的龙头老大是荷兰ASML,并已经占据了高达80%的市场份额,垄断了高端光刻机市场。ASML最先进的EUV光刻机售价曾高达1亿美元一台,且全球仅仅ASML能够生产。Intel、台积电、三星都曾经是它的股东,Intel、三星的高端光刻机都是买自ASML,格罗方德、联电以及中芯国际等晶圆厂的光刻机主要也是来自ASML。

  相比之下,国内光刻机厂商则显得寒酸,处于技术领先的上海微电子装备有限公司已量产的光刻机中性能最好的是90nm光刻机......国内晶圆厂所需的高端光刻机完全依赖进口。这不仅使国内晶圆厂要耗费巨资购买设备,对产业发展和自主技术的成长也带来很大不利影响——ASML在向国内晶圆厂出售光刻机时有限制性条款。

  虽然总体差距很大,但在局部,国内还是有亮点的。

  在双工台方面,国内取得了突破。过去,光刻机只有一个工作台,所有流程都在一个工作台上完成。双工件台系统的出现,使得光刻机能够在不改变初始速度和加速度的条件下,当一个工作台在进行曝光工作的同时,另外一个工作台可以同时进行曝光之前的预对准工作,使得光刻机的生产效率提高大约 35%。ASML 的TWINSCAN NXE3300B 型光刻机,分辨率小于 22nm,生产效率可以达到 125片/小时。

  虽然看起来仅仅是加一个工作台,但技术难度却不容小觑——对换台的速度和精度有非常高的要求,如果换台速度慢,则影响光刻机工作效率;如果换台精度不够,则可能因此而影响了后续扫描光刻等步骤的正常开展。

  现今技术成熟的双工件台系统主要是导轨式,驱动方式主要分为气浮驱动和磁悬浮驱动。目前,ASML公司已成功研发了磁悬浮工件台系统,使得系统能够忽略摩擦系数和阻尼系数,其加工速度和精度是机械式和气浮式工件台所无法比拟的。不仅如此,ASML 公司基于磁悬浮工件台的基础,研发了无导轨式的平面编码磁悬浮工件台系统,通过平面编码器对工作台进行精确定位,进一步提升了精度。此前,国内α光刻样机的双工件台系统取得突破,采用导轨式磁悬浮系统,关键技术指标已达到国际同类光刻机双工件台水平。

  中国在激光技术上颇有成就,国内有的单位用汞灯做光源,还由单位研发出了独一无二的固态深紫外光源,但目前,固态深紫外光源还并未用于光刻机制造,在光源上还无法彻底摆脱进口。此前,成都光机所的国家重大科研装备研制项目“超分辨光刻装备研制”通过验收,SP光刻机采用汞灯(365nm i-line)做光源,光刻分辨力达到22nm,结合多重曝光技术后,可用于制造制程小于10nm的芯片。就技术路线来说,SP光刻机另辟蹊径,没有采用国外主流方案,走出一条自己的路。不过,SP光刻机只能加工小尺寸芯片,只能加工特殊领域芯片,不适合商用,无法替换ASML的光刻机。

  

  光源、物镜目前还无法完全摆脱进口依赖

  

  光源是光刻机的核心部件之一。在光刻机改进中,所使用的光源也不断改进发展:

  第一代是436nm g-line。

  第二代是365nm i-line。

  第三代是248nm KrF。

  第四代是193nm ArF。

  最新的是13.5nm EUV。

  目前,在集成电路产业使用的中高端光刻机采用的是193nmArF光源和13.5nmEUV光源。

  193nmArF也被称为深紫外光源。使用193nmArF光源的干法光刻机,其光刻工艺节点可达45nm,采用浸没式光刻、光学邻近效应矫正等技术后,其极限光刻工艺节点可达28nm。

  浸没式光刻是指在物镜和硅片之间增加一层特殊的液体,由于液体的折射率比空气的折射率高,因此成像精度更高。因此,也就有了浸没式光刻的叫法。

  而当工艺尺寸缩小到22nm时,则必须采用辅助的两次图形曝光技术。然而使用两次图形曝光,会带来两大问题:一个是光刻加掩模的成本迅速上升,另一个是工艺的循环周期延长。因而,在22nm的工艺节点,光刻机处于EUV与ArF两种光源共存的状态。

  对于使用液浸式光刻+多次图形曝光的ArF光刻机,工艺节点的极限是10nm,之后将很难持续。EUV光刻机,则有可能使工艺制程继续延伸到5nm。

 

 

  

  EUV光刻机对中芯国际不是刚需

  虽然光刻机非常重要,虽然ASML在该领域占据统治地位,但国内一些媒体把EUV光刻机过度神话了。其实,当下中芯国际最大的问题倒不是EUV光刻机,而是如何使用现有的设备攻克12/14nm工艺。

  虽然一些舆论将中芯国际在工艺上落后于台积电归咎于中芯国际无法采购到最先进的光刻机,并认为如果中芯国际也有了EUV光刻机,那么在工艺上就会迅速追上台积电。但铁流要说,这种观点是片面的。事实上,目前中芯国际的光刻机和台积电用来加工10nm芯片的设备是一个等级的。台积电能用这些设备搞定10/12/16nm工艺,但中芯国际的14nm工艺还处于跌跌撞撞的状态,真正比较成熟的还是28nm工艺。

  差距在哪呢?打个比方,光刻机好比是刻刀,而如何使用这把刻刀,就要看雕刻师傅的手艺了,台积电在这方面积累了大量经验和技术,使用相同的刻刀,台积电做出比中芯国际更好的产品,这些需要大量时间和实践去磨砺和积累,并非买到EUV光刻机就能解决的。

  当下,中芯国际的设备其实完全能够支持10nm工艺量产。在加工14nm以下芯片的过程中,光刻机(193nm ArF)在曝光的时候,出来的不是一个很直的深孔或深沟,而是变成弯弯曲曲的形状,这主要是因为光的波长和波粒二象性。一般的深紫外光刻机只能刻出40nm的线条。再往下就要看极紫外光刻机(EUV),目前也只能刻出20nm线条。

  那么,台积电是怎么用深紫外光刻机做出10nm/16nm芯片的呢?

  据中微半导体创始人尹志尧介绍:

  其实靠等离子刻蚀机和薄膜的组合拳把它做出来,不是靠光刻做的。如果通过光刻机刻出一个40nm的模板,然后按这个模板刻下去,刻出一个墙,你理解它是一个重剖面。这个墙是氧化硅的材料,是40nm,这是通过光刻翻版出来,然后呢我在上面铺一层氮化硅薄膜,铺的时间控制好,这个侧面的墙是20nm,这样的话呢,第二次用等离子刻蚀机刻,有方向性地把上面的盖去掉,把底部去掉,就出来两个叫边墙。这边墙的厚度就是20nm,这是刻的氮化物。刻氮化物需要用选择性的气体刻。然后刻完以后第三次刻呢,我们换一些气体专门刻氧化物,把氧化物刻掉,这个墙就留下来了。所以一个40nm的微观结构就翻成两个20nm的结构了,这个叫二重模版。

  还有进一步的四层模板技术,在20nm的氮化物墙上,再铺一个10nm的氧化物的膜,我第四次刻的时候把上头盖去掉,底去掉以后,就出了四个边墙。然后再用不同的化学气体,把中间的核刻掉,就变成了四个10nm的边墙。20nm以下是这样做出来。这里就没有光刻的事,就是等离子与薄膜组合拳,把它翻版就越翻越小。

  那么,能不能继续这种模式把芯片做到5nm呢?理论上是可以的,但实际操作中,会遇到良率的问题。

  如果使用刻蚀设备和薄膜设备组合拳的模式,确实能做5nm芯片,但会产生一个问题,会导致加工步骤大幅增加。就以加工14nm芯片来说,会使原本的光刻、薄膜、刻蚀1:1:1的步骤,变成1:3:5的步骤。正是因此,近年来刻蚀机和薄膜的市场涨得非常快。

  就总的加工步骤来说,到了5nm的时候,最新的数据是数千个步骤。由于精度实在太高,加工过程中不可避免会出现失误,而这种失误会因为上千次的加工数量被放大,如果每次合格率99.9%,那0.999的一千次方变成52%。然而,台积电、中芯国际等晶圆厂合格率80%到85%以上才赚钱,合格率80%以下就赔钱了。如果使用EUV光刻机,那么,就可以减少5nm芯片的加工步骤,从而提升制造5nm芯片的良率。

  因此,EUV光刻机对于当下正在攻关12/14nm工艺的中芯国际而言,不是刚需。中芯国际真正需要关注的是如何提升芯片的良率,以及如何用好现有的设备,攻克12/14nm工艺。

 

  对于EUV光刻机必须有两手准备

  EUV光刻机技术太过高端,短时间想要攻克非常困难,即便是ASML也是集整个欧美的技术才能打造出EUV光刻机,比如ASML EUV光刻机的光源技术就源自美国,一些光学镜片源自德国,说是举欧美各国之力打造也不为过。中国在很多技术上取得了长足的进步,但在不少基础学科和欧美还有一定差距,而EUV光刻机恰恰是非常考验工业基础的设备,追赶之路任重道远。

  对于ASML出口EUV光刻机等待荷兰政府批准的事情,应当做两手准备。我们一方面基于善意,相信这是出口出口许可到期,目前正在等待荷兰政府核准。另一方面,我们也要留个心眼,没准是在美国的压力下,ASML和荷兰政府之间唱双簧,把出口许可到期作为搪塞中国的借口。毕竟,荷兰是一个小国,荷兰也有美军的基地,政治上只能屈从于美国,没准会受美国的胁迫放弃与中国企业的交易,而且这也是有前科的,此前奥巴马以国家安全为名干涉中资收购德国爱思强公司就是典型案例。另外,ASML的 EUV光刻机的光源技术就源自美国,一旦美国搞长臂管辖,拿这个要挟ASML,ASML也不可能冒着休克的危险继续和中国企业做生意。

  此前,相关部门有一个规划,时间节点是2030年攻克EUV技术,虽然实现这个目标非常困难,但铁流还是希望这个目标能够实现。

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