面對越來越火熱的芯片產業，ASML在EUV道路(lu)上(shang)一(yi)路(lu)狂奔，佳能和尼康卻(que)“獨辟蹊徑(jing)”，試圖在獨特路(lu)線上(shang)通過差異化(hua)來獲取(qu)競爭優勢。
說到光刻(ke)機，大家(jia)第(di)(di)一反(fan)應(ying)是什么(me)？筆者(zhe)第(di)(di)一反(fan)應(ying)是ASML，第(di)(di)二反(fan)應(ying)是價格特別(bie)昂貴，第(di)(di)三反(fan)應(ying)是我國卡脖子技術。不(bu)(bu)知(zhi)不(bu)(bu)覺中，ASML似(si)乎(hu)成了(le)光刻(ke)機的(de)(de)代名詞，這個想法如(ru)果被上世紀八九(jiu)十年代的(de)(de)尼康(kang)和佳能(neng)(neng)知(zhi)道(dao)，可(ke)能(neng)(neng)要氣得直吹胡(hu)子，“哪里來的(de)(de)毛(mao)頭小子，也(ye)敢和我比肩(jian)”。
不(bu)過(guo)，現(xian)實就是這么殘忍，正(zheng)所謂“三(san)(san)十(shi)(shi)年(nian)河東(dong)，三(san)(san)十(shi)(shi)年(nian)河西”。在四五十(shi)(shi)年(nian)后的(de)今(jin)天，當(dang)初的(de)毛頭(tou)小子成為了如今(jin)手(shou)持(chi)幾十(shi)(shi)臺“印鈔神獸”的(de)霸主，占據了全球80%的(de)光刻(ke)機營收份額，而曾(ceng)(ceng)今(jin)的(de)巨頭(tou)只能淪為二三(san)(san)線，但(dan)說到(dao)底也(ye)是曾(ceng)(ceng)經稱霸一方的(de)巨頭(tou)，即(ji)使遠不(bu)敵當(dang)年(nian)驍勇，但(dan)也(ye)不(bu)會輕易舍(she)棄光刻(ke)機這一杯羹。
面對越來越火熱(re)的(de)芯片產業，ASML在EUV道(dao)路(lu)(lu)上(shang)一路(lu)(lu)狂奔(ben)，佳能和尼康卻“獨辟蹊徑”，試圖在獨特路(lu)(lu)線上(shang)通(tong)過差異化(hua)來獲取競爭優勢。
ASML，壟斷EUV
“如果我們(men)交不(bu)出EUV，摩爾(er)定律(lv)就會從(cong)此停止。”ASML首席執行官Peter Wennink在2017年曾如是說過，這句(ju)話很(hen)囂張，但無人可以(yi)反(fan)駁。從(cong)本世(shi)紀初開始，就不(bu)斷有人預言摩爾(er)定律(lv)將死，如今摩爾(er)定律(lv)已經成功迎(ying)來(lai)了第57個年頭(tou)，全(quan)球(qiu)芯片工(gong)藝進程也在向(xiang)3nm，甚至(zhi)更先進的方向(xiang)邁進，而實現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(bo)長，由來(lai)自全(quan)球(qiu)近800家供貨商的多個(ge)模(mo)塊和數十萬個(ge)零件(jian)組成，每個(ge)模(mo)塊都在ASML遍布全(quan)球(qiu)的60個(ge)工廠中完(wan)成生(sheng)產，然后運往(wang)維爾德(de)霍(huo)溫進行組裝，運輸一套EUV曝(pu)光機需要20輛卡車，或者三架滿載的波(bo)音(yin)747飛機。其內部(bu)結構(gou)大概如(ru)下：
圖源：ASML
從ASML 官方消(xiao)息來看，EUV技術從1994年(nian)就開始工業(ye)化(hua)，由ASML參加的聯盟交付了第一個(ge)原型。2006 年(nian) 8 月(yue)，ASML向美國(guo)奧爾巴尼的納米科(ke)學與工程學院和(he)比(bi)利時魯汶(wen)的 imec 運送(song)了世界上第一臺 EUV 光刻演示工具。2013年(nian)，第一個(ge) EUV 生產系統 TWINSCAN NXE:3300 發(fa)貨。
站在現在回看過去，寥(liao)寥(liao)數筆似(si)乎就(jiu)可以概括當時研(yan)發(fa)EUV光刻(ke)機的(de)那(nei)段歷史，但事實上研(yan)發(fa)過程十分艱難，主要問題(ti)在于EUV研(yan)發(fa)實在是太費錢了(le)(le)，風(feng)險巨(ju)大。在當時看來，它就(jiu)像一(yi)個無底(di)吞(tun)金(jin)“黑洞”，大把(ba)大把(ba)的(de)錢砸進(jin)去都不一(yi)定能聽(ting)到個響。但ASML砸了(le)(le)，官方消息顯示，ASML 在 17 年間在 EUV 研(yan)發(fa)上投入了(le)(le)超過 60 億歐(ou)元(yuan)。
如今，先進制程已經來(lai)到了3nm的(de)交叉路口，臺(tai)積電(dian)和三星都(dou)表(biao)示將在(zai)今年量產3nm，而他們(men)量產所用的(de)光(guang)刻機應該就(jiu)是ASML最(zui)新一代0.33 NA光(guang)刻系統(tong)TWINSCAN NXE:3600D。那么3nm以后，摩爾(er)定(ding)(ding)律(lv)又該如何(he)“續命”？ASML日(ri)本(ben)(東京都(dou)品(pin)川區)的(de)藤原(yuan)祥二郎社(she)長表(biao)示，“摩爾(er)定(ding)(ding)律(lv)預計未來(lai)10年后還會(hui)持續下去，以此為(wei)中心支(zhi)撐的(de)是最(zui)先進的(de)EUV光(guang)刻機”。近期(qi)，阿(a)斯麥公(gong)眾(zhong)號也(ye)指出：“只要我們(men)還有想法(fa)，摩爾(er)定(ding)(ding)律(lv)就(jiu)會(hui)繼(ji)續生(sheng)效(xiao)！”
從ASML 透露的消息可以看出(chu)，ASML正在開(kai)發下一代(dai) EUV 平臺，將數(shu)值孔徑 (NA) 從 0.33 增加到 0.55，可以支(zhi)持多(duo)個未(wei)來(lai)節點(dian)。
圖源：ASML
據了解，ASML 下一代(dai)EUV 0.55 NA平(ping)(ping)臺(tai)有(you)望(wang)使芯片尺(chi)寸減小(xiao)1.7倍，進一步提高分辨率，并將(jiang)微芯片密(mi)度提高近3倍。第一個EUV 0.55 NA平(ping)(ping)臺(tai)早期接入(ru)(ru)系(xi)統預計(ji)將(jiang)在(zai)2023年投入(ru)(ru)使用，預計(ji)客戶將(jiang)在(zai)2024-2025年開(kai)始研發，2025-2026年進入(ru)(ru)客戶的大批量生產(chan)。ASML預計(ji)在(zai)2025年之前擁有(you)大約20臺(tai)0.55 High-NA EUV。
在(zai)產能方面(mian)，過去十(shi)年，ASML總共售出大約(yue)140套EUV光(guang)刻機(ji)(ji)。但在(zai)未來(lai)，EUV光(guang)刻機(ji)(ji)想必(bi)會越(yue)來(lai)越(yue)吃(chi)香，畢竟(jing)除了邏輯(ji)芯(xin)片外，一直(zhi)采用成熟制程(cheng)的存儲芯(xin)片廠商(shang)也開始加入(ru)戰(zhan)局。
ASML 光刻(ke)部門的年收入份額
圖源(yuan)：counterpoint
去年8月，美光(guang)CEO Sanjay Mehrotra在采訪中(zhong)(zhong)確(que)認，美光(guang)已將(jiang)(jiang)EUV技(ji)術(shu)納入DRAM技(ji)術(shu)藍圖，將(jiang)(jiang)由10nm世代中(zhong)(zhong)的(de)(de)1γ（gamma）工(gong)藝節點開始(shi)導入。作(zuo)為(wei)長期批(pi)量(liang)(liang)協議的(de)(de)一(yi)部分(fen)， 美光(guang)已從 ASML 訂購(gou)了多種 EUV 工(gong)具。此外，SK 海力士也強調了 EUV 的(de)(de)重要用途，與非(fei) EUV 光(guang)刻相比，其 10nm DRAM 產品的(de)(de)每片晶圓的(de)(de)單(dan)位(wei)產量(liang)(liang)增(zeng)加了 25%。
為了(le)滿足不斷增(zeng)長的光(guang)刻機需求，ASML方面(mian)指出，于22Q1提高了(le)產(chan)能擴張計劃，預計到2024年產(chan)能擴張25%左右，到2025年形成(cheng)90臺0.33 NA EUV和(he)約600臺DUV產(chan)能。
佳能，NIL制成本
佳能在上(shang)世紀輸出(chu)還是很猛的(de)，在1970年(nian)發(fa)售了(le)(le)日本首(shou)臺半導體光刻機PPC-1；1975年(nian)發(fa)售的(de)FPA-141F光刻機，在世界(jie)上(shang)首(shou)次實現了(le)(le)1微米(mi)以下的(de)光刻；1984年(nian)推出(chu)了(le)(le)FPA-1500FA，分(fen)辨率為 1.0 μm；1994 年(nian)發(fa)布第一款 FPA-3000 系(xi)列，配備了(le)(le)分(fen)辨率為 0.35 μm 的(de) i-line 鏡頭，是當(dang)時世界(jie)上(shang)分(fen)辨率最高的(de)鏡頭之一。
算了(le)(le)算，今(jin)年(nian)是(shi)佳(jia)能(neng)正式(shi)投入(ru)半導(dao)體(ti)光(guang)(guang)刻(ke)機(ji)(ji)(ji)領域的(de)第(di)52周(zhou)年(nian)，在(zai)上世紀被著名的(de)干濕路線(xian)之爭絆了(le)(le)一跤之后，佳(jia)能(neng)就有些趕不(bu)上ASML的(de)步伐了(le)(le)。如今(jin)，佳(jia)能(neng)專注于低(di)端(duan)產(chan)品，官(guan)網顯示，佳(jia)能(neng)出售的(de)光(guang)(guang)刻(ke)機(ji)(ji)(ji)涉(she)及i-line到KrF級別(bie)(bie)，并(bing)沒有浸入(ru)式(shi)光(guang)(guang)刻(ke)機(ji)(ji)(ji)，與EUV光(guang)(guang)刻(ke)機(ji)(ji)(ji)區別(bie)(bie)就在(zai)于光(guang)(guang)源(yuan)波長(chang)的(de)不(bu)同，EUV 技術所使(shi)用(yong)的(de)光(guang)(guang)源(yuan)波長(chang)為(wei)13·5納米，而KrF技術則(ze)是(shi)248納米，i線(xian)光(guang)(guang)源(yuan)波長(chang)是(shi)365納米。眾所周(zhou)知，對于光(guang)(guang)刻(ke)機(ji)(ji)(ji)來說，所用(yong)光(guang)(guang)源(yuan)波長(chang)越短，越能(neng)描(miao)繪微細線(xian)寬(kuan)的(de)半導(dao)體(ti)電路。所以能(neng)感受到兩者之間的(de)差距了(le)(le)吧。
雖然佳(jia)(jia)能(neng)光刻機(ji)低端，但近期(qi)熱(re)度卻不小，據華爾街(jie)日報(bao)去年(nian)年(nian)底報(bao)道，1995年(nian)制造的(de)二(er)手光刻機(ji)佳(jia)(jia)能(neng)FPA3000i4，在2014年(nian)10月只(zhi)值(zhi)10萬美(mei)元，今天則值(zhi)170萬美(mei)元。佳(jia)(jia)能(neng)日前公布的(de)財報(bao)也指(zhi)出安(an)全攝(she)像頭以及光刻機(ji)推動(dong)業績打仗(zhang)，隨著(zhu)半導(dao)體(ti)設備投(tou)資的(de)增加(jia)，佳(jia)(jia)能(neng)的(de)光刻機(ji)業務還會持續增長。
不(bu)(bu)過“啃老”總(zong)歸不(bu)(bu)長(chang)久(jiu)，創(chuang)新才是(shi)真(zhen)的(de)出(chu)路。在EUV領域想要趕超ASML幾乎是(shi)不(bu)(bu)可能(neng)(neng)的(de)了，那不(bu)(bu)如就換個方向，而佳(jia)能(neng)(neng)選中的(de)就是(shi)“納米壓印光刻(ke)（NIL）”。佳(jia)能(neng)(neng)官方對NIL是(shi)這么介紹的(de)，這種方法具有簡單、緊(jin)湊、能(neng)(neng)夠以低(di)成本制造芯片的(de)優點。
確實，相比EUV光(guang)刻(ke)機復(fu)雜(za)的(de)(de)結(jie)構(gou)以及難以提高生產率，NIL 只需要(yao)將形成(cheng)三(san)維(wei)結(jie)構(gou)的(de)(de)掩膜壓(ya)在晶圓上被稱為液體(ti)樹脂的(de)(de)感(gan)光(guang)材料上，同時(shi)照射光(guang)線，一次性完成(cheng)結(jie)構(gou)的(de)(de)轉(zhuan)印(yin)的(de)(de)方法。不需使(shi)用(yong)EUV光(guang)刻(ke)機，也不需要(yao)使(shi)用(yong)鏡頭，而且(qie)還可(ke)以將耗電量(liang)可(ke)壓(ya)低至(zhi)EUV技術的(de)(de)10%，并(bing)讓(rang)設備投資降低至(zhi)僅(jin)有EUV設備的(de)(de)40% ，可(ke)以說是“省錢小(xiao)能手”。
圖源：佳能官網
官方消息顯示，佳(jia)(jia)能(neng)早在2004 年就(jiu)開(kai)(kai)始研發(fa)NIL技(ji)(ji)術(shu)，2014年美國分子壓印(yin)(yin)公(gong)司(si)（現(xian)佳(jia)(jia)能(neng)納(na)米技(ji)(ji)術(shu)）加(jia)入(ru)佳(jia)(jia)能(neng)集團的(de)(de)消息公(gong)開(kai)(kai)，明(ming)確(que)表示將(jiang)使(shi)用納(na)米壓印(yin)(yin)法(fa)進行(xing)開(kai)(kai)發(fa)。2021 年春季，大(da)日(ri)本印(yin)(yin)刷在根(gen)據設(she)備(bei)的(de)(de)規格進行(xing)了內(nei)部(bu)模擬，發(fa)現(xian)在電路形成過程中每個晶片的(de)(de)功耗可以降(jiang)低到使(shi)用EUV曝光(guang)時的(de)(de)大(da)約1/10，根(gen)據大(da)日(ri)本印(yin)(yin)刷的(de)(de)說法(fa)，NIL量產技(ji)(ji)術(shu)電路微縮程度則可達5nm節點(dian)。2017 年 7 月，佳(jia)(jia)能(neng)納(na)米壓印(yin)(yin)半(ban)導體制(zhi)造(zao)設(she)備(bei)“FPA-1200NZ2C”設(she)備(bei)交付(fu)給(gei)東(dong)芝存儲器四日(ri)市工廠(chang)。
東芝(zhi)存(cun)儲器四日市(shi)工廠調整納(na)米壓印半導體(ti)制造設(she)備(bei)“FPA-1200NZ2C”
圖源：佳能
在佳能(neng)開發人員首(shou)藤真(zhen)一看來(lai)，這(zhe)種(zhong)納米壓印設(she)備是一種(zhong)將(jiang)創造未(wei)來(lai)的(de)設(she)備。未(wei)來(lai)，半(ban)導體會變得更精(jing)細，不僅(jin)會被封裝在智能(neng)手機中，未(wei)來(lai)還(huan)會被用作(zuo)貼紙，比如貼在人體皮膚上或隱(yin)形眼鏡上。他(ta)相(xiang)信只有納米壓印方式才能(neng)以客戶要求(qiu)的(de)成本(ben)和(he)速(su)度實現這(zhe)一點(dian)。
從(cong)目(mu)前透露(lu)的(de)(de)消息來看，和佳(jia)能共同(tong)開發的(de)(de)NIL技術的(de)(de)鎧俠已掌握(wo)NIL 15nm的(de)(de)制(zhi)程量產技術，目(mu)前正(zheng)在進行15nm以(yi)下技術研發，預計2025年(nian)進一步達成。不(bu)過(guo)佳(jia)能方面還未(wei)透露(lu)出設(she)備(bei)量產的(de)(de)消息，實用化的(de)(de)時(shi)期還不(bu)明確，我(wo)們可(ke)以(yi)期待(dai)下。
尼康，ArF液浸打磨
說(shuo)完了佳能(neng)，再來(lai)聊聊尼康(kang)。尼康(kang)在上世紀末是當之無愧的光(guang)刻機巨頭，從 80 年(nian)代(dai)后期至(zhi)本世紀初，尼康(kang)光(guang)刻機市(shi)場占有率超(chao)50%，代(dai)表著(zhu)當時光(guang)刻機的最高水平。這(zhe)點從尼康(kang)官網半導體光(guang)刻系統歷史發展也可以看出，1980年(nian)出貨 NSR-1010G（分辨率：1.0 μm），從1984年(nian)開始(shi)，幾(ji)乎(hu)每(mei)年(nian)都(dou)會出貨至(zhi)少1款光(guang)刻機。
到了(le)1999年，除了(le)推出世界第一臺干式(shi)ArF掃描儀NSR-S302A（分(fen)辨(bian)率(lv)≦180 nm）外，尼康還推出了(le)NSR-SF100（分(fen)辨(bian)率(lv)≦400nm）；NSR-S204B（分(fen)辨(bian)率(lv)≦150nm）；NSR-2205i14E2（分(fen)辨(bian)率(lv)≦350nm）；NSR-S305B（分(fen)辨(bian)率(lv)≦110nm）四款設備，銷售的半導體光刻系統(tong)數量(liang)達到 6,000 臺。
圖源：尼康
那(nei)(nei)時候尼(ni)康的光(guang)輝(hui)事(shi)跡密(mi)密(mi)麻麻可以寫滿了好幾頁，不(bu)過，和佳能(neng)一樣，本世紀初的那(nei)(nei)場干濕路線(xian)之爭成(cheng)為了轉折點。如今的尼(ni)康雖然憑借多年(nian)技術(shu)積(ji)累位居光(guang)刻(ke)機(ji)(ji)二線(xian)供應(ying)商(shang)地(di)位，但(dan)份額已(yi)經極大的縮小了。2021年(nian)度，Nikon光(guang)刻(ke)機(ji)(ji)業務營收(shou)約112億元人民幣，出貨了29臺集成(cheng)電路用(yong)光(guang)刻(ke)機(ji)(ji)，較(jiao)2020年(nian)減少4臺。
目前，在(zai)(zai)光刻(ke)(ke)機(ji)技術方面，尼康(kang)主推ArF浸(jin)沒(mei)式技術，大部分精(jing)力都在(zai)(zai)Arf和i－line光刻(ke)(ke)機(ji)領域。ArF光刻(ke)(ke)機(ji)也就是DUV光刻(ke)(ke)機(ji)，光源波長達到193nm，波長的(de)限(xian)制使得(de)DUV無法實現(xian)更高的(de)分辨率，因(yin)此DUV只能(neng)用于制造7nm及以上制程(cheng)的(de)芯片。
不過這也說(shuo)明了，相比佳能，尼(ni)康(kang)的(de)光刻(ke)機(ji)更先進一點。雖然(ran)DUV光刻(ke)機(ji)也是ASML的(de)專場，但尼(ni)康(kang)仍然(ran)有(you)野心追趕(gan)ASML，專注于研發ArF液(ye)浸。尼(ni)康(kang)官網(wang)提到下一代光刻(ke)系(xi)統(tong)是這么說(shuo)的(de)：隨著小型化的(de)進展，達到了阻止現(xian)有(you)光刻(ke)技(ji)術處理較小尺寸的(de)理論障礙，這個問題的(de)解決(jue)方案是浸入(ru)式光刻(ke)技(ji)術，尼(ni)康(kang)將其(qi)整合(he)到其(qi)半導體光刻(ke)系(xi)統(tong)中。
尼康(kang)常務執行董事濱(bin)谷正人曾斷言，“ArF液浸(jin)作為尖端曝(pu)光裝置使用的電路尺(chi)寸是(shi)主戰場”。2018年，尼康(kang)推出了NSR-S635E ArF 浸(jin)沒式掃描儀，該光刻機(ji)專為5nm工藝制程量(liang)產(chan)而開發，確保出色的聚焦(jiao)穩定性(xing)(xing)并最大限度(du)地減少缺陷以提高產(chan)量(liang)，以每小時高達 275 個晶圓的超高通(tong)量(liang)優(you)化可負擔性(xing)(xing)。
圖源：尼康
到了2021年10月(yue)，尼康宣布(bu)開發NSR-S635E進階版(ban)——NSR-S636E ArF 浸沒式掃(sao)描儀，將(jiang)提供卓(zhuo)越的(de)覆蓋精度(du)和超高吞(tun)吐量，以支持(chi)最關(guan)鍵的(de)半導體設備的(de)制(zhi)造，預(yu)計將(jiang)于 2023 年開始銷售。雖然尼康并未(wei)公布(bu)S636E更(geng)多的(de)參數，但是作為NSR-S635E進階版(ban)，量產5nm芯片應該不在(zai)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(chang)，預計到2024年(nian)度為(wei)止，銷售(shou)臺(tai)數都將保持穩定。
圖源：雅虎
結合尼(ni)(ni)康下(xia)一代光(guang)刻機的(de)(de)推(tui)出時間(jian)，我(wo)們(men)可以期(qi)待兩(liang)年后的(de)(de)尼(ni)(ni)康會(hui)有怎樣的(de)(de)變化(hua)。
寫在最后
如果你來(lai)自未來(lai)，或許那時候的(de)(de)芯片產業已經(jing)成功邁入了埃米時代，回頭(tou)再看2022年，也許會像ASML過去研發EUV技術一樣，寥寥數筆就囊括了所有光刻機廠商(shang)們所為之做出的(de)(de)努力。但要(yao)記得，在(zai)當(dang)下，在(zai)2022年，他(ta)們仍(reng)在(zai)探索(suo)著(zhu)摩爾定律的(de)(de)“續命之道(dao)”。
而(er)這條(tiao)路，道阻(zu)且(qie)長。
