面對越來越火熱的芯片產業，ASML在(zai)EUV道路(lu)上(shang)一路(lu)狂奔，佳(jia)能(neng)和尼康卻“獨辟蹊徑”，試圖在(zai)獨特路(lu)線(xian)上(shang)通(tong)過差異化(hua)來獲取競(jing)爭優勢。
說到光(guang)刻機(ji)，大家(jia)第(di)(di)一反應(ying)是(shi)(shi)(shi)什么(me)？筆者(zhe)第(di)(di)一反應(ying)是(shi)(shi)(shi)ASML，第(di)(di)二反應(ying)是(shi)(shi)(shi)價格特別昂(ang)貴，第(di)(di)三(san)反應(ying)是(shi)(shi)(shi)我國卡脖(bo)子(zi)(zi)技(ji)術。不知不覺中，ASML似乎成了(le)光(guang)刻機(ji)的代名詞，這(zhe)個想法如果被上世(shi)紀八(ba)九十年代的尼康(kang)和佳能知道(dao)，可(ke)能要氣得直吹(chui)胡(hu)子(zi)(zi)，“哪里(li)來(lai)的毛頭(tou)小子(zi)(zi)，也敢和我比(bi)肩”。
不(bu)過(guo)，現實就是(shi)(shi)這(zhe)么殘忍，正所謂“三(san)十(shi)年河東，三(san)十(shi)年河西”。在四五十(shi)年后的(de)今(jin)天(tian)，當初的(de)毛頭小子成為了(le)如(ru)今(jin)手持幾十(shi)臺(tai)“印鈔神獸”的(de)霸主，占據了(le)全球80%的(de)光刻機營收份額，而曾今(jin)的(de)巨頭只能淪為二(er)三(san)線，但說到底也是(shi)(shi)曾經稱(cheng)霸一(yi)方(fang)的(de)巨頭，即使遠不(bu)敵(di)當年驍勇(yong)，但也不(bu)會輕易舍棄光刻機這(zhe)一(yi)杯(bei)羹(geng)。
面對越來越火熱(re)的芯片產業，ASML在EUV道路上(shang)一路狂奔，佳能和尼康(kang)卻“獨辟蹊徑”，試圖(tu)在獨特路線上(shang)通過差異化來獲取競爭優勢。
ASML，壟斷EUV
“如果我(wo)們交不出EUV，摩(mo)爾(er)定(ding)律(lv)就(jiu)會(hui)從此(ci)停止(zhi)。”ASML首席執行官Peter Wennink在(zai)2017年(nian)曾如是(shi)說過，這句話很囂張，但無人(ren)可以反駁。從本(ben)世(shi)紀初開始(shi)，就(jiu)不斷(duan)有人(ren)預言摩(mo)爾(er)定(ding)律(lv)將死(si)，如今摩(mo)爾(er)定(ding)律(lv)已經成功迎來(lai)了第(di)57個(ge)年(nian)頭，全球芯片工藝進(jin)程也(ye)在(zai)向3nm，甚至更先進(jin)的(de)方(fang)向邁(mai)進(jin)，而實現(xian)這一切(qie)的(de)大功臣就(jiu)是(shi)ASML的(de)EUV光刻機(ji)。
EUV光刻(ke)機(ji)也叫做極紫(zi)外光刻(ke)機(ji)，工(gong)藝極其(qi)復雜。ASML EUV光刻(ke)機(ji)使用(yong) 13.5 nm 的波(bo)(bo)長，由來自全球近800家供貨商的多個(ge)(ge)模(mo)塊和數(shu)十(shi)萬(wan)個(ge)(ge)零件組成，每個(ge)(ge)模(mo)塊都在ASML遍(bian)布全球的60個(ge)(ge)工(gong)廠中完成生產，然后(hou)運往維(wei)爾德霍溫進行組裝，運輸一(yi)套EUV曝光機(ji)需要20輛卡車，或者(zhe)三架(jia)滿載的波(bo)(bo)音(yin)747飛機(ji)。其(qi)內(nei)部結(jie)構大概(gai)如下：
圖源：ASML
從ASML 官(guan)方消息來看，EUV技術從1994年就開始工業(ye)化，由(you)ASML參加的聯盟(meng)交(jiao)付了第(di)(di)一個原型(xing)。2006 年 8 月，ASML向(xiang)美國奧爾巴(ba)尼的納(na)米科學與工程學院和比(bi)利(li)時魯汶的 imec 運送了世界上第(di)(di)一臺 EUV 光刻演示(shi)工具。2013年，第(di)(di)一個 EUV 生(sheng)產系統(tong) TWINSCAN NXE:3300 發貨(huo)。
站(zhan)在(zai)(zai)(zai)現在(zai)(zai)(zai)回看過(guo)(guo)去，寥寥數筆似(si)乎就(jiu)可(ke)以概括當時研(yan)發EUV光刻機(ji)的那(nei)段歷(li)史，但(dan)事(shi)實上(shang)研(yan)發過(guo)(guo)程十分艱難，主要(yao)問(wen)題在(zai)(zai)(zai)于EUV研(yan)發實在(zai)(zai)(zai)是太費錢(qian)了，風險(xian)巨大(da)(da)。在(zai)(zai)(zai)當時看來(lai)，它就(jiu)像一個(ge)(ge)無底吞金(jin)“黑(hei)洞”，大(da)(da)把大(da)(da)把的錢(qian)砸進去都(dou)不(bu)一定能聽到(dao)個(ge)(ge)響。但(dan)ASML砸了，官方消(xiao)息顯示，ASML 在(zai)(zai)(zai) 17 年(nian)間在(zai)(zai)(zai) EUV 研(yan)發上(shang)投(tou)入了超過(guo)(guo) 60 億歐(ou)元。
如(ru)今(jin)，先(xian)進制程已經來(lai)到了(le)3nm的交叉(cha)路口，臺積電(dian)和三星(xing)都(dou)表(biao)示將(jiang)在今(jin)年量(liang)產(chan)3nm，而他(ta)們量(liang)產(chan)所用的光刻(ke)機應該就是ASML最新一代0.33 NA光刻(ke)系(xi)統TWINSCAN NXE:3600D。那(nei)么(me)3nm以后(hou)，摩爾(er)定律又該如(ru)何“續命”？ASML日本(東京都(dou)品川區)的藤原祥二郎(lang)社長表(biao)示，“摩爾(er)定律預計未(wei)來(lai)10年后(hou)還會(hui)持(chi)續下去(qu)，以此為中心(xin)支撐的是最先(xian)進的EUV光刻(ke)機”。近期，阿斯麥公(gong)眾(zhong)號(hao)也指(zhi)出(chu)：“只要我(wo)們還有想(xiang)法，摩爾(er)定律就會(hui)繼續生效！”
從ASML 透(tou)露的消(xiao)息(xi)可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)，ASML正在開發(fa)下(xia)一代 EUV 平臺，將(jiang)數值孔(kong)徑 (NA) 從 0.33 增加(jia)到(dao) 0.55，可(ke)以(yi)支持多個未來節點。
圖源：ASML
據了解，ASML 下一代(dai)EUV 0.55 NA平臺有(you)望使芯片(pian)(pian)尺寸減小1.7倍(bei)，進(jin)一步提(ti)高(gao)分辨率(lv)，并(bing)將(jiang)微芯片(pian)(pian)密度提(ti)高(gao)近3倍(bei)。第(di)一個(ge)EUV 0.55 NA平臺早期接入系統預(yu)計將(jiang)在2023年投(tou)入使用，預(yu)計客(ke)戶將(jiang)在2024-2025年開始研發，2025-2026年進(jin)入客(ke)戶的大批量(liang)生(sheng)產(chan)。ASML預(yu)計在2025年之前擁有(you)大約20臺0.55 High-NA EUV。
在產(chan)能方(fang)面，過去十(shi)年，ASML總共售出大約140套EUV光刻機(ji)。但在未來，EUV光刻機(ji)想必(bi)會(hui)越(yue)(yue)來越(yue)(yue)吃香，畢竟(jing)除了邏輯芯(xin)片(pian)外，一直(zhi)采(cai)用成熟制(zhi)程的存儲芯(xin)片(pian)廠商也開(kai)始加入(ru)戰局。
ASML 光刻部門的年收(shou)入份額
圖源：counterpoint
去年8月(yue)，美(mei)光(guang)CEO Sanjay Mehrotra在(zai)采訪中(zhong)確(que)認，美(mei)光(guang)已將(jiang)(jiang)EUV技(ji)術(shu)納入DRAM技(ji)術(shu)藍圖(tu)，將(jiang)(jiang)由10nm世代中(zhong)的1γ（gamma）工(gong)藝節點開始導(dao)入。作為長期批量協議的一部分， 美(mei)光(guang)已從 ASML 訂購(gou)了(le)多(duo)種(zhong) EUV 工(gong)具。此外，SK 海(hai)力士也強(qiang)調(diao)了(le) EUV 的重要用(yong)途，與非 EUV 光(guang)刻相比，其(qi) 10nm DRAM 產品的每片(pian)晶圓(yuan)的單位產量增加了(le) 25%。
為了滿足不斷增長的光刻機需(xu)求，ASML方面指出，于22Q1提(ti)高了產(chan)能(neng)擴張計(ji)(ji)劃(hua)，預計(ji)(ji)到2024年產(chan)能(neng)擴張25%左右，到2025年形(xing)成90臺0.33 NA EUV和(he)約600臺DUV產(chan)能(neng)。
佳能，NIL制成本
佳能(neng)在(zai)上世(shi)紀(ji)輸出還是很猛的(de)，在(zai)1970年發售了日本首(shou)臺半(ban)導體光刻機(ji)PPC-1；1975年發售的(de)FPA-141F光刻機(ji)，在(zai)世(shi)界上首(shou)次實現了1微米(mi)以下(xia)的(de)光刻；1984年推出了FPA-1500FA，分辨率(lv)為(wei) 1.0 μm；1994 年發布第一款 FPA-3000 系列，配備了分辨率(lv)為(wei) 0.35 μm 的(de) i-line 鏡頭(tou)，是當時世(shi)界上分辨率(lv)最高的(de)鏡頭(tou)之一。
算了算，今(jin)年是(shi)佳(jia)(jia)(jia)能(neng)正式投入(ru)半導體光(guang)(guang)刻(ke)(ke)機領域的(de)(de)(de)第52周年，在上世紀被著(zhu)名(ming)的(de)(de)(de)干濕路(lu)線之(zhi)爭絆(ban)了一跤之(zhi)后，佳(jia)(jia)(jia)能(neng)就有些趕不(bu)上ASML的(de)(de)(de)步伐(fa)了。如(ru)今(jin)，佳(jia)(jia)(jia)能(neng)專(zhuan)注(zhu)于(yu)低端產品，官網顯示(shi)，佳(jia)(jia)(jia)能(neng)出售(shou)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)刻(ke)(ke)機涉及i-line到(dao)KrF級別，并沒有浸入(ru)式光(guang)(guang)刻(ke)(ke)機，與(yu)EUV光(guang)(guang)刻(ke)(ke)機區別就在于(yu)光(guang)(guang)源波(bo)長(chang)的(de)(de)(de)不(bu)同，EUV 技(ji)術(shu)所(suo)使用的(de)(de)(de)光(guang)(guang)源波(bo)長(chang)為(wei)13·5納(na)(na)米(mi)，而KrF技(ji)術(shu)則(ze)是(shi)248納(na)(na)米(mi)，i線光(guang)(guang)源波(bo)長(chang)是(shi)365納(na)(na)米(mi)。眾(zhong)所(suo)周知，對于(yu)光(guang)(guang)刻(ke)(ke)機來(lai)說，所(suo)用光(guang)(guang)源波(bo)長(chang)越短，越能(neng)描繪微細線寬的(de)(de)(de)半導體電(dian)路(lu)。所(suo)以(yi)能(neng)感受(shou)到(dao)兩者之(zhi)間(jian)的(de)(de)(de)差(cha)距了吧。
雖(sui)然佳能光(guang)刻(ke)(ke)機低端，但近(jin)期熱(re)度(du)卻(que)不(bu)小(xiao)，據華爾街日(ri)(ri)報(bao)去年年底報(bao)道，1995年制造的(de)二(er)手光(guang)刻(ke)(ke)機佳能FPA3000i4，在2014年10月只值(zhi)10萬美元，今(jin)天則(ze)值(zhi)170萬美元。佳能日(ri)(ri)前公布的(de)財報(bao)也指出安全攝像頭以及光(guang)刻(ke)(ke)機推動業績打仗，隨著半導體設(she)備投資(zi)的(de)增加(jia)，佳能的(de)光(guang)刻(ke)(ke)機業務(wu)還會持續增長。
不過“啃老”總(zong)歸不長久，創新才是真的(de)出路。在EUV領(ling)域想要趕超(chao)ASML幾乎是不可能的(de)了，那不如(ru)就換個(ge)方(fang)向(xiang)，而佳能選(xuan)中的(de)就是“納米壓(ya)印光刻（NIL）”。佳能官方(fang)對NIL是這(zhe)么介(jie)紹的(de)，這(zhe)種方(fang)法具有(you)簡單(dan)、緊湊(cou)、能夠以低成本制造(zao)芯片的(de)優點(dian)。
確實，相比EUV光刻機復雜的(de)(de)結(jie)構以(yi)及(ji)難以(yi)提高生產率，NIL 只(zhi)需(xu)要將形成三維結(jie)構的(de)(de)掩膜壓(ya)在(zai)晶圓上(shang)被稱為液體樹脂(zhi)的(de)(de)感(gan)光材(cai)料上(shang)，同(tong)時照射(she)光線，一次性完成結(jie)構的(de)(de)轉印的(de)(de)方法。不(bu)需(xu)使(shi)用EUV光刻機，也(ye)不(bu)需(xu)要使(shi)用鏡頭，而且還可(ke)以(yi)將耗(hao)電量可(ke)壓(ya)低至(zhi)EUV技(ji)術的(de)(de)10%，并讓設備(bei)投(tou)資(zi)降低至(zhi)僅有(you)EUV設備(bei)的(de)(de)40% ，可(ke)以(yi)說是(shi)“省錢小(xiao)能手”。
圖源：佳能官網
官方消息顯示，佳(jia)能早在(zai)2004 年就開始研(yan)發(fa)NIL技術，2014年美國分子(zi)壓(ya)印(yin)公司（現(xian)佳(jia)能納米技術）加入佳(jia)能集(ji)團(tuan)的(de)消息公開，明確表(biao)示將使用納米壓(ya)印(yin)法(fa)進行開發(fa)。2021 年春季，大(da)日(ri)本印(yin)刷在(zai)根(gen)據(ju)設(she)備(bei)的(de)規格進行了內部模擬，發(fa)現(xian)在(zai)電路形成過程中(zhong)每個晶(jing)片的(de)功耗可以降(jiang)低(di)到使用EUV曝光時的(de)大(da)約(yue)1/10，根(gen)據(ju)大(da)日(ri)本印(yin)刷的(de)說法(fa)，NIL量產技術電路微縮程度(du)則可達5nm節點。2017 年 7 月，佳(jia)能納米壓(ya)印(yin)半導(dao)體制造(zao)設(she)備(bei)“FPA-1200NZ2C”設(she)備(bei)交付給(gei)東(dong)芝存儲器四日(ri)市工廠。
東芝(zhi)存儲器四(si)日市工廠調整納米(mi)壓印半導體制(zhi)造設備“FPA-1200NZ2C”
圖源：佳能
在佳能開發人員首(shou)藤真一看來，這種納(na)米壓(ya)(ya)印設(she)備是(shi)一種將創造未(wei)(wei)來的設(she)備。未(wei)(wei)來，半(ban)導體會變得更精細(xi)，不(bu)僅會被封裝在智能手機中，未(wei)(wei)來還(huan)會被用(yong)作貼(tie)紙，比如(ru)貼(tie)在人體皮膚上(shang)或(huo)隱形(xing)眼鏡上(shang)。他相信只有納(na)米壓(ya)(ya)印方式才能以(yi)客(ke)戶要求(qiu)的成本和速度實現這一點(dian)。
從目前透露的消(xiao)息來看，和(he)佳能共同開發(fa)的NIL技(ji)術(shu)的鎧俠已掌握(wo)NIL 15nm的制程(cheng)量(liang)產(chan)技(ji)術(shu)，目前正在進行15nm以下技(ji)術(shu)研發(fa)，預計2025年進一(yi)步達成。不過佳能方面還(huan)(huan)未透露出設備量(liang)產(chan)的消(xiao)息，實用化的時(shi)期還(huan)(huan)不明確，我們(men)可以期待下。
尼康，ArF液浸打磨
說完了佳(jia)能(neng)，再(zai)來聊(liao)聊(liao)尼康(kang)(kang)。尼康(kang)(kang)在上世紀(ji)(ji)末是(shi)當之無愧的(de)光刻(ke)(ke)(ke)(ke)機巨頭，從 80 年代(dai)后期至本(ben)世紀(ji)(ji)初(chu)，尼康(kang)(kang)光刻(ke)(ke)(ke)(ke)機市(shi)場占(zhan)有(you)率超50%，代(dai)表著當時光刻(ke)(ke)(ke)(ke)機的(de)最高水平(ping)。這點從尼康(kang)(kang)官網(wang)半導體光刻(ke)(ke)(ke)(ke)系統歷史發展也可以看出(chu)，1980年出(chu)貨 NSR-1010G（分辨率：1.0 μm），從1984年開(kai)始，幾(ji)乎每年都會出(chu)貨至少1款(kuan)光刻(ke)(ke)(ke)(ke)機。
到(dao)了1999年，除(chu)了推出(chu)(chu)世界第一臺干式ArF掃(sao)描儀NSR-S302A（分辨(bian)(bian)(bian)率≦180 nm）外，尼康還推出(chu)(chu)了NSR-SF100（分辨(bian)(bian)(bian)率≦400nm）；NSR-S204B（分辨(bian)(bian)(bian)率≦150nm）；NSR-2205i14E2（分辨(bian)(bian)(bian)率≦350nm）；NSR-S305B（分辨(bian)(bian)(bian)率≦110nm）四款設備，銷(xiao)售的半導體光刻系(xi)統數量(liang)達到(dao) 6,000 臺。
圖源：尼康
那(nei)時(shi)候尼(ni)康(kang)的光輝事跡密(mi)密(mi)麻麻可以寫滿了(le)好幾頁，不(bu)過，和佳能一樣，本世(shi)紀初(chu)的那(nei)場干(gan)濕路線之爭成(cheng)為了(le)轉折(zhe)點(dian)。如今(jin)的尼(ni)康(kang)雖然(ran)憑借(jie)多年(nian)技術積累位居光刻(ke)機(ji)二線供(gong)應(ying)商地位，但份額已經極(ji)大的縮小了(le)。2021年(nian)度，Nikon光刻(ke)機(ji)業務營(ying)收約112億元人民幣(bi)，出貨了(le)29臺集成(cheng)電路用光刻(ke)機(ji)，較2020年(nian)減少(shao)4臺。
目(mu)前，在光刻(ke)機(ji)技術方(fang)面，尼康主推ArF浸沒式技術，大部分精力都在Arf和(he)i－line光刻(ke)機(ji)領域。ArF光刻(ke)機(ji)也就是DUV光刻(ke)機(ji)，光源波長(chang)達到193nm，波長(chang)的(de)限制使得DUV無法實(shi)現更高(gao)的(de)分辨率(lv)，因(yin)此DUV只能用于制造(zao)7nm及以(yi)上制程的(de)芯(xin)片(pian)。
不過這(zhe)也說(shuo)明了(le)，相比佳能，尼(ni)康的(de)光(guang)(guang)(guang)刻(ke)機更先進(jin)(jin)一(yi)點。雖然DUV光(guang)(guang)(guang)刻(ke)機也是(shi)ASML的(de)專(zhuan)場，但尼(ni)康仍然有野心追趕ASML，專(zhuan)注于研發ArF液(ye)浸。尼(ni)康官網提到(dao)下(xia)一(yi)代(dai)光(guang)(guang)(guang)刻(ke)系統是(shi)這(zhe)么(me)說(shuo)的(de)：隨(sui)著小型化(hua)的(de)進(jin)(jin)展，達到(dao)了(le)阻止現有光(guang)(guang)(guang)刻(ke)技術處理(li)較小尺寸(cun)的(de)理(li)論障礙，這(zhe)個(ge)問題(ti)的(de)解(jie)決方案是(shi)浸入式光(guang)(guang)(guang)刻(ke)技術，尼(ni)康將其整合到(dao)其半導體光(guang)(guang)(guang)刻(ke)系統中。
尼(ni)康常務執行董事(shi)濱谷正(zheng)人曾(ceng)斷(duan)言，“ArF液(ye)浸作為尖(jian)端曝(pu)光(guang)裝置使用的(de)電路尺寸是(shi)主戰(zhan)場(chang)”。2018年，尼(ni)康推出了NSR-S635E ArF 浸沒(mei)式掃(sao)描儀，該光(guang)刻機專為5nm工藝制程量產而開發(fa)，確保出色的(de)聚焦穩定性并(bing)最大限(xian)度地減少缺陷以提高(gao)(gao)產量，以每小時高(gao)(gao)達(da) 275 個晶圓的(de)超高(gao)(gao)通量優化可負(fu)擔性。
圖源：尼康
到了(le)2021年10月，尼康宣(xuan)布開發NSR-S635E進(jin)(jin)階(jie)版(ban)——NSR-S636E ArF 浸沒式掃描儀，將提供卓越的(de)覆蓋精(jing)度和超高(gao)吞(tun)吐量，以(yi)支持最關鍵的(de)半(ban)導(dao)體設備的(de)制造，預計將于 2023 年開始(shi)銷售。雖然(ran)尼康并未公(gong)布S636E更多的(de)參數，但是作(zuo)為NSR-S635E進(jin)(jin)階(jie)版(ban)，量產5nm芯片應該不(bu)在話下。
同佳能一樣，在芯片熱潮的帶動下，尼康對光刻機業績也給了很大的期望。今年3月，尼康發布了2022年度半導體曝光裝置銷量，預計將超過2019年度的業績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，尼康今后將以物聯網的發展為(wei)背景，建設半導體新工廠，預計(ji)到2024年度為(wei)止，銷售臺數都將保(bao)持穩定(ding)。
圖源：雅虎
結合尼康(kang)下一(yi)代光刻(ke)機的推出時間，我們(men)可以期待兩年后的尼康(kang)會有怎樣的變(bian)化。
寫在最后
如果(guo)你來自(zi)未來，或許那時候的(de)芯片產(chan)業(ye)已經成(cheng)功邁(mai)入(ru)了(le)埃米時代(dai)，回頭再看(kan)2022年，也許會像ASML過去研發EUV技術(shu)一(yi)樣，寥(liao)寥(liao)數筆就囊括了(le)所有光刻機廠商(shang)們所為之(zhi)做出(chu)的(de)努力。但要記得(de)，在當下，在2022年，他們仍在探(tan)索著摩爾定(ding)律的(de)“續命之(zhi)道”。
而這條路，道阻(zu)且長。
