文 | 半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫，作者 | 豐寧

“光刻將不再那么重要。”這句話一出便在業(yè)界引起巨大爭(zhēng)議，這句話來(lái)源于英特爾的一位高管。

光刻機(jī)，向來(lái)被視為半導(dǎo)體制造的命脈。但近期多家芯片巨頭釋放的信息顯示，未來(lái)光刻技術(shù)可能不再是唯一選擇，即便是很難搶到的High-NA EUV，也多處于“閑置”狀態(tài)。

High-NA EUV光刻機(jī)，面臨滯銷

去年，High-NA EUV 熱度很高。

ASML官網(wǎng)顯示，其組裝了兩個(gè)TWINSCAN EXE:5000高數(shù)值孔徑光刻系統(tǒng)。其中一個(gè)由ASM與imec合作開發(fā)，將于2024年安裝在ASML與imec的聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室中，預(yù)計(jì)2025年投入量產(chǎn)。另一個(gè)由英特爾在2018年訂購(gòu)，2023 年 12 月，ASML正式向英特爾交付了首個(gè)High-NA EUV 光刻系統(tǒng)——TWINSCAN EXE:5000的首批模塊。

2024 年初，這臺(tái)光刻機(jī)主要組件運(yùn)抵英特爾；11 月，臺(tái)積電稱年底前會(huì)收到 ASML 最先進(jìn)的High-NA EUV光刻機(jī)。2025 年 3 月，三星在韓國(guó)華城園區(qū)引入首臺(tái) ASML 造的 TWINSCAN EXE:5000 ，成為英特爾、臺(tái)積電之后第三家購(gòu)入的半導(dǎo)體廠商，且三星決定在未來(lái) DRAM 生產(chǎn)中用該技術(shù)，競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手 SK 海力士也有此計(jì)劃。

可在實(shí)際應(yīng)用里，芯片巨頭們卻對(duì) High-NA EUV 打了退堂鼓。

在此前規(guī)劃里，英特爾或許是應(yīng)用High-NA EUV光刻機(jī)最早的公司。

近日，英特爾表示，ASML的首批兩臺(tái)尖端光刻機(jī)已在其工廠“投入生產(chǎn)”，數(shù)據(jù)顯示它們比早期型號(hào)更可靠。英特爾高級(jí)首席工程師Steve Carson表示，英特爾利用ASML的High-NA EUV光刻機(jī)，在一個(gè)季度內(nèi)生產(chǎn)30000片晶圓，這種大型硅片可以生產(chǎn)數(shù)千個(gè)計(jì)算芯片。

英特爾計(jì)劃使用High-NA EUV設(shè)備來(lái)幫助開發(fā)Intel 18A（1.8nm）制造技術(shù)，該技術(shù)計(jì)劃于今年晚些時(shí)候與新一代PC芯片一起量產(chǎn)。該公司表示，計(jì)劃利用High-NA EUV設(shè)備全面投入下一代制造技術(shù)Intel 14A（1.4nm）的生產(chǎn)，但尚未透露該技術(shù)的量產(chǎn)日期。

臺(tái)積電：High-NA EUV大規(guī)模應(yīng)用，最少還需5年

對(duì)于High-NA EUV，臺(tái)積電一直是比較理智的存在。

此前臺(tái)積電業(yè)務(wù)開發(fā)資深副總經(jīng)理張曉強(qiáng)表示，雖然對(duì)High-NA EUV能力印象深刻，但設(shè)備價(jià)格超過(guò) 3.5 億歐元（3.78 億美元）。目前的標(biāo)準(zhǔn)型EUV光刻機(jī)，仍可以支持臺(tái)積電尖端制程的生產(chǎn)到2026年，臺(tái)積電尖端制程A16也將會(huì)繼續(xù)采用標(biāo)準(zhǔn)型EUV光刻機(jī)來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)。

在最近于荷蘭阿姆斯特丹舉行的臺(tái)積電技術(shù)論壇歐洲站活動(dòng)上，張曉強(qiáng)再度重申了其對(duì)High-NA EUV光刻機(jī)的長(zhǎng)期立場(chǎng)，該公司的A16（1.6nm級(jí)）和 A14（1.4nm級(jí)）工藝技術(shù)都不會(huì)采用 High-NA EUV光刻機(jī)。

據(jù)悉，臺(tái)積電的技術(shù)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)找到了一種在A14節(jié)點(diǎn)上生產(chǎn)芯片的方法，而無(wú)需使用High-NA EUV光刻機(jī)，與標(biāo)準(zhǔn)型的低數(shù)值孔徑EUV系統(tǒng)的 13.5nm 分辨率相比，該工具可提供 8nm 分辨率。

此前臺(tái)積電曾表示考慮用High-NA EUV微影曝光機(jī)生產(chǎn)A10制程芯片，比其計(jì)劃于2025年底2nm領(lǐng)先約兩代，這也代表了2030年后才能看到這種機(jī)器大規(guī)模量產(chǎn)。

三星推遲High-NA EUV使用計(jì)劃，代工從1.4nm開始

盡管三星已引進(jìn)了High-NA EUV光刻機(jī)，但這家公司也并沒有著急投入使用。

據(jù)悉，三星及其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手SK海力士均已決定推遲在DRAM生產(chǎn)中引入High-NA EUV技術(shù)的時(shí)間。原因是工具設(shè)備的成本過(guò)高，另外DRAM架構(gòu)即將發(fā)生變化，從而讓存儲(chǔ)器制造商在High-NA EUV技術(shù)上采取更為謹(jǐn)慎的態(tài)度。

根據(jù)三星和SK海力士的計(jì)劃，DRAM架構(gòu)將分階段發(fā)展——從6F2到4F2，最終發(fā)展到3DDRAM。2030年之前量產(chǎn)的4F2DRAM將需要EUV技術(shù)處理，預(yù)計(jì)將采用High-NA EUV工具。不過(guò)與傳統(tǒng)DRAM不同，3D DRAM通過(guò)垂直堆疊增加晶體管密度，并不一定需要用到EUV技術(shù)，無(wú)論是普通的EUV還是High-NA EUV工具，從而消除了對(duì)EUV技術(shù)的需求。這意味著即便投資了High-NA EUV光刻機(jī)，但實(shí)際部署到DRAM生產(chǎn)的窗口期可能相對(duì)較短。

三星也會(huì)將High-NA EUV技術(shù)引入到邏輯芯片的生產(chǎn)中，正在評(píng)估1.4nm工藝中的使用，目標(biāo)2027年量產(chǎn)。

刻蝕技術(shù)，成為新焦點(diǎn)

在半導(dǎo)體制造中，刻蝕是僅次于光刻的核心工藝，直接決定芯片性能、良率和集成度。隨著先進(jìn)制程向3nm及以下演進(jìn)，刻蝕步驟從傳統(tǒng)制程的10%占比激增至50%以上（以5nm FinFET為例，刻蝕次數(shù)超150次）。

據(jù)投資研究平臺(tái) Tegus 披露的討論內(nèi)容，一位匿名英特爾總監(jiān)表示，未來(lái)晶體管設(shè)計(jì)將降低對(duì)先進(jìn)光刻設(shè)備的依賴，轉(zhuǎn)而提升刻蝕技術(shù)的核心地位。

他認(rèn)為，隨著全環(huán)繞柵極場(chǎng)效應(yīng)晶體管和互補(bǔ)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（CFET）等新型結(jié)構(gòu)的發(fā)展，高端芯片制造對(duì)光刻環(huán)節(jié)的總體需求將會(huì)減弱。

在光刻環(huán)節(jié)，ASML EUV及High-NA光刻機(jī)將電路設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)印至晶圓。后處理環(huán)節(jié)，通過(guò)沉積工藝添加材料，再經(jīng)刻蝕工藝選擇性去除材料形成晶體管結(jié)構(gòu)。

這位高管強(qiáng)調(diào)，GAAFET 與 CFET 等三維晶體管結(jié)構(gòu)要求“從各個(gè)方向包裹柵極”，使得橫向去除多余材料成為關(guān)鍵，“制造商將更專注于通過(guò)刻蝕工藝去除材料，而非延長(zhǎng)晶圓在光刻機(jī)中的處理時(shí)間來(lái)縮小特征尺寸。”

簡(jiǎn)單來(lái)講，隨著芯片制造中橫向方向的重要性日益增加，High-NA EUV的重要性相比于EUV就沒那么重要了。

與此同時(shí)，Lam等芯片刻蝕公司將發(fā)揮更多的作用。

那么光刻機(jī)便不再重要了嗎？非也。

未來(lái)芯片制造將減少對(duì)ASML High-NA EUV 光刻機(jī)的依賴，但業(yè)界對(duì)該設(shè)備的需求依舊相當(dāng)大。

這位高管表示：“在 7nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)附近，EUV光刻曾起到關(guān)鍵作用，往后這類需求會(huì)減少。之所以這樣，不只是因?yàn)槲覀冊(cè)谔綄で擅畹膫?cè)向材料去除與操控方法，還涉及晶圓對(duì)晶圓（wafer- to -wafer ）的技術(shù)。存儲(chǔ)芯片與邏輯芯片廠商，不再把所有東西都擠壓在單晶圓上、讓制造難度陡增，而是開始在晶圓背面或晶圓之間尋找‘空間’。

這么做的效果，是降低對(duì)最小特征尺寸的依賴—— 畢竟，能在垂直維度和給定平面上，都實(shí)現(xiàn)高密度集成。打個(gè)比方，不再局限于平鋪 ‘郊區(qū)’，而是搭建 ‘摩天大樓’。建 ‘摩天大樓’ 時(shí)，光刻的需求仍在，但不像打造 ‘郊區(qū)’（依賴小特征尺寸）時(shí)那么關(guān)鍵。我們不是只在一個(gè)方向使勁壓縮，而是嘗試雙向拓展空間。”

ASML EUV，還能走多遠(yuǎn)？

上述觀點(diǎn)一出，業(yè)內(nèi)對(duì)于ASML的關(guān)注度再上一個(gè)層級(jí)。

業(yè)界聚焦的問題主要有三：一是 ASML 年度光刻機(jī)出貨量；二是其下一代產(chǎn)品進(jìn)展；三是ASML 的 EUV 技術(shù)還能走多遠(yuǎn)？

關(guān)于第一個(gè)問題，ASML 2024年財(cái)報(bào)顯示，其光刻機(jī)全年銷量418臺(tái)，包括44臺(tái)EUV光刻機(jī)、374臺(tái)DUV光刻機(jī)，另外還賣出了165臺(tái)計(jì)量和檢測(cè)系統(tǒng)。

收入來(lái)源方面，中國(guó)大陸2024年為ASML貢獻(xiàn)了101.95億歐元收入(約合人民幣797.71億元)，占比高達(dá)36.1％，遙遙領(lǐng)先。

其次是韓國(guó)64.09億歐元，占比22.7％；美國(guó)45.22億歐元，占比16.0％；中國(guó)臺(tái)灣43.54億歐元，占比15.4％；歐洲13億歐元，占比4.6％；日本11.56億歐元，占比4.1％。

ASML指出，市場(chǎng)需求不足、晶圓廠準(zhǔn)備不足，導(dǎo)致客戶對(duì)EUV光刻機(jī)的需求也在推遲，但是DVU光刻機(jī)需求仍然超過(guò)交付能力，尤其是來(lái)自中國(guó)市場(chǎng)的需求十分強(qiáng)勁。

關(guān)于第二個(gè)問題，在High-NA EUV成功推出的同時(shí)，ASML和蔡司還在研究新一代數(shù)值孔徑為0.75 NA的Hyper NA EUV光刻系統(tǒng)。

Jos Benschop表示，Hyper NA EUV光刻系統(tǒng)的物鏡并不一定非得更大，“你也可以把最后一面鏡子放在離芯片更近的地方，這樣你就會(huì)得到同樣的效果。缺點(diǎn)是更多的光線會(huì)反射回來(lái)——這就是鏡子的情況。”

Hyper NA EUV還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，更大的數(shù)值孔徑可以處理更多的光線，就像你倒空寬頸的瓶子比清空窄頸的瓶子更快。因此，Hyper NA EUV不僅能夠打印出更清晰的線條，而且打印速度也更快。

根據(jù)Martin van den Brink此前披露的ASML未來(lái)15年的邏輯器件工藝路線圖，利用目前的0.3NA的標(biāo)準(zhǔn)型EUV光刻機(jī)支持到2025年2nm的量產(chǎn)，再往下就需要通過(guò)多重曝光技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，但支持到2027年量產(chǎn)的1.4nm將會(huì)是極限。

關(guān)于第三個(gè)問題，根據(jù)Research and Markets、Future Market Insights數(shù)據(jù)，ASML控制著全球75%至80%的EUV光刻市場(chǎng)，其技術(shù)無(wú)人能及。ASML為所有主要芯片制造商提供產(chǎn)品，實(shí)際上壟斷了EUV系統(tǒng)領(lǐng)域，該領(lǐng)域貢獻(xiàn)了其近四分之一的總收入。

ASML 的 EUV 技術(shù)重塑了芯片制造業(yè)，并且很可能在未來(lái)至少 10 到 20 年內(nèi)保持關(guān)鍵地位。

當(dāng)然，在這個(gè)過(guò)程中，ASML也需要面臨來(lái)自業(yè)界各方的挑戰(zhàn)。

新型光刻技術(shù)，陸續(xù)面世

此外，目前ASML的EUV光刻機(jī)所采用的是被稱為激光等離子體EUV光源（EUV-LPP），但隨著半導(dǎo)體制程的持續(xù)推進(jìn)，EUV-LPP也將面臨更多的挑戰(zhàn)。作為L(zhǎng)PP-EUV技術(shù)的替代，近年來(lái)，美國(guó)、中國(guó)、日本等國(guó)家的研究機(jī)構(gòu)都在研發(fā)基于直線電子加速器的自由電子激光技術(shù)的EUV光源（EUV-FEL）系統(tǒng)，該技術(shù)利用磁鐵影響電子，可以產(chǎn)生任何波長(zhǎng)的光，并且其光源功率足以同時(shí)支持10~20臺(tái)EUV光刻機(jī)。這種方法不僅可以繞過(guò)ASML所采用的EUV-LPP技術(shù)路線，還可大幅降低EUV光源的系統(tǒng)成本。

ASML在2015年左右也研究了EUV-FEL技術(shù)，雖然該技術(shù)是有效的，卻不符合當(dāng)前需求。因?yàn)榱Ｗ蛹铀倨黧w積龐大覆蓋了整個(gè)建筑物，并不適合當(dāng)前的晶圓廠。而且，一旦EUV-FEL光源產(chǎn)生故障或需要維護(hù)，那么接入該光源的10多條生產(chǎn)線都將面臨停機(jī)問題。對(duì)于大多數(shù)的芯片制造商或者晶圓代工廠商來(lái)說(shuō)，如果其在一個(gè)地區(qū)只建幾座晶圓廠，那么也就沒有必要用這樣的一個(gè)重型光源。

美國(guó)初創(chuàng)公司Xlight報(bào)告稱，它希望在2028年將EUV-FEL光源的原型與ASML機(jī)器連接起來(lái)。

初創(chuàng)公司Lace LithographyAS(挪威卑爾根)也正在開發(fā)一種光刻技術(shù)，該技術(shù)使用向表面發(fā)射的原子來(lái)定義特征，其分辨率超出了極紫外光刻技術(shù)的極限。

Lace Litho 所稱的 BEUV 理論上可以實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的特征，支持晶體管的持續(xù)小型化并延伸摩爾定律。

傳統(tǒng)的 EUV 系統(tǒng)使用13.5nm波長(zhǎng)的光，通過(guò)一系列反射鏡和掩模在晶圓上形成圖案。原子光刻技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)直接無(wú)掩模圖案化，其分辨率甚至小于受波長(zhǎng)限制的 EUV 系統(tǒng)所能達(dá)到的分辨率。

該公司在其網(wǎng)站上聲稱：“通過(guò)使用原子代替光，我們?yōu)樾酒圃焐烫峁┝祟I(lǐng)先當(dāng)前技術(shù)15年的功能，而且成本更低、能耗更低。”

除了上述技術(shù)外，納米壓印光刻、電子束光刻機(jī)等新型光刻技術(shù)也在不斷發(fā)展。納米壓印光刻通過(guò)壓印模具的方式，直接將圖案復(fù)制到光刻膠上，相比傳統(tǒng)光刻，能夠以更低的成本實(shí)現(xiàn)高分辨率圖形轉(zhuǎn)移，已經(jīng)在一些特殊領(lǐng)域得到應(yīng)用。電子束光刻機(jī)則可以直接利用電子束在光刻膠上繪制圖案，具有極高的分辨率和靈活性，特別適用于小批量、高精度芯片的制造。

盡管目前 ASML 憑借成熟的產(chǎn)業(yè)鏈、龐大的裝機(jī)量以及穩(wěn)定的客戶關(guān)系占據(jù)優(yōu)勢(shì)，但新興技術(shù)帶來(lái)的潛在威脅不容忽視。