半導體解密:ASML光刻機憑什麼能一廠獨大?台積電總能買到最好的光刻機?ASML有對手嗎?

半導體解密:ASML光刻機憑什麼能一廠獨大?台積電總能買到最好的光刻機?ASML有對手嗎?

晶片雖小,製造難度卻很大,而這一過程中一個關鍵的機器——光刻機的製造成為了一大難題。晶片之於光刻機,就如同人和大腦的關係,但縱覽幾十年全球光刻機產業的發展卻表現的差強人意,呈現出了唯有荷蘭 ASML 「一家獨大」的局面。

我們不禁也對此有很多疑問:為何全球對於製造光刻機的難度如此之大? ASML 公司是如何做到光刻機產業中「全球霸主」的地位?為何該公司一台光刻機的售價達到了數億美元?

(ASML EUV 光刻機 TWINSCAN NXE3400B,來源:ASML 官網)

六個問題解密光刻機與ASML

 

Q1:光刻機是做什麼的?在製造晶片的哪個過程發揮作用?

光刻機(英文「Mask Aligner」) ,是製造微機電、光電、二極體大規模積體電路的關鍵裝置。可以分為兩種,分別是模板與圖樣大小一致的contact aligner,曝光時模板緊貼晶圓;以及利用短波長雷射和類似投影機原理的步進式曝光機(英語:stepper)掃描式曝光機(英語:scanner),獲得比模板更小的曝光圖樣。

晶片的製造流程極其複雜,我們可以概括為幾大步驟:

  • 利用模版去除晶圓表面的保護膜。
  • 將晶圓浸泡在腐化劑中,失去保護膜的部分被腐蝕掉後形成電路。
  • 用純水洗淨殘留在晶圓表面的雜質。

其中曝光機就是利用紫外線波長的準分子雷射通過模版去除晶圓表面的保護膜的裝置。光刻是製造流程中最關鍵的一步,光刻確定了晶片的關鍵尺寸,在整個晶片的製造過程中約佔據了整體製造成本的35%。

光刻的作用是將光刻版上的幾何圖形轉移到晶圓表面的光刻膠上。首先光刻膠處理設備把光刻膠旋塗到晶圓表面,再經過分步重複曝光和顯影處理之後,在晶圓上形成需要的圖形。原理示意圖如下:

(來源:科普中國)

根據曝光方式不同,光刻可分為接觸式、接近式和投影式;根據光刻面數的不同,有單面對準光刻和雙面對準光刻;根據光刻膠類型不同,有薄膠光刻和厚膠光刻。一般的光刻流程包括底膜處理、塗膠、前烘、對準曝光、顯影、刻蝕,去膠光刻檢驗等,可以根據實際情況調整流程中的操作。

Q2:光刻機是對哪類晶片有影響?如果完全沒有光刻機,晶片是否還能正常生產?是否有光刻的替代品?

目前,無論是汽車晶片,手機晶片還是其他領域,包括軍用,航空太空等應用的晶片都離不開光刻機。而光刻機本身按照應用可以分為幾類,用於晶片前道製造的光刻機,用於後道晶片封裝的光刻機和應用於LED製造領域的投影光刻機。

1955年,貝爾實驗室的朱爾斯‧安德魯斯和沃爾特‧邦德開始把製造印刷電路板的光刻技術應用到矽片上。1958年,仙童半導體公司的傑‧拉斯特和諾伊斯製造出了第一台光刻照相機,用於矽基晶體三極管的製造。1961年,美國GCA公司製造出了第一台光刻機,從此光刻成為晶片製造中最重要的環節。

因為目前的晶片都還是矽基晶片,歷經大半個世紀的發展,從最初的電子管到電晶體,再到內建電路的發明,電晶體的關鍵尺寸一步一步縮小,而在奈米等級的尺度進行電路雕刻,目前我們所掌握的技術只有光刻。

光刻技術在發展中不斷的優化,是一步一步從歷史的實踐中得出來的工藝,如果想另闢蹊徑,我們將面對的是未知的黑暗與技術深淵,其難度不低於研發出高階光刻機。所以如果沒有光刻機,晶片是無法正常製造的,目前也沒有光刻機的替代品。

Q3:為什麼光刻機的造價如此之高?究竟是哪部分成本較高?

一台高階光刻機的造價需要上億美元,甚至比一台波音的客機還要貴。光刻機如此之昂貴的原因是因為其涉及系統內建、精密光學、精密運動、精密物料傳輸、高精度微環境控制等多項先進技術,是所有半導體製造設備中技術含量最高的設備。其中最關鍵零件之一,由德國蔡司生產的反射鏡必須要做到史無前例的光滑度,瑕疵大小僅能以皮米(奈米的千分之一)計。

這樣的精度是什麼概念? ASML 總裁暨執行長彼得(Peter Wennink)在接受媒體專訪時解釋,如果反射鏡面積有整個德國大,最高的突起處不能高於一公分!

因此,光刻機也具備極高的單台價值量,目前世界上最先進的 ASML EUV光刻機單價達到近一億歐元,可滿足5nm晶片工藝的生產。

ASML 的光源來自於美國Cymer,光學模組來自德國蔡司,計量設備來自美國,但屬於德國科技,它的傳送帶則來自荷蘭VDL集團。一台光刻機90%零件都是透過全球採購,當中涉及到4個國家十多家公司,而下遊客戶的利益也與 ASML 牢牢捆綁。

(註:ASML 光刻機,來源:ASML 官網)

 

Q4:當前最知名的光刻機廠商是荷蘭的 ASML,為什麼晶片強國美國、日韓沒有一家光刻機大廠?

要想知道為什麼最好的光刻機來自荷蘭,而不是美國,得從半導體發展的三個歷史階段說起。

第一階段:上世紀60~70年代是早期光刻機發展階段。

當時美國是走在世界前面的,那時候還沒有 ASML 。

光刻機的原理其實像幻燈機一樣簡單,就是把光透過帶電路圖的掩膜(Mask,後來也叫光罩)投影到塗有光敏膠的晶圓上。早期60年代的光刻掩膜版以1:1的尺寸緊貼在晶圓片上,而那時的晶圓也只有1英吋大小。

(註:光刻技術原理圖,圖片來源於網路)

因此,光刻那時並不是高科技,半導體公司通常自己設計工裝和工具,比如英特爾開始是買16毫米攝像機的鏡頭拆了用。只有 GCA、K&S 和 Kasper 等很少幾家公司有做過一點點相關設備。

60年代末,日本的 Nikon 和佳能開始進入這個領域,畢竟當時的光刻不比照相機複雜。

1973年,拿到美國軍方投資的Perkin Elmer公司推出了投影式光刻系統,搭配正性光刻膠非常好用而且良率頗高,因此迅速佔領了市場。

1978年,GCA 推出了世界上第一台商用步進光刻機DSW4800(direct step to wafer)。該機器使用g線汞燈和蔡司光學零組件。以10:1的比例將晶片線路成像到10毫米見方區域。該機器價格為45萬美元,第一台機器以37萬美元的價格賣給了德州儀器的研發部門。由於剛開始 DSW4800的生產效率相對較低,所以 Perkin Elmer 在後面很長一段時間仍處於主導地位。

第二階段是在80-90年代,半導體產業的第一次「轉移」。

80年代左右,因為美國扶植,最開始是將一些裝配產業向日本轉移,而日本也抓住了機會,在半導體領域趁勢崛起。

在90年代前後,日本的半導體產業成為了全球第一,高峰期時佔據了全球超過60%的市佔率,出口額全球第一,超過美國。

在那個晶片製程還停留在微米的時代,能做光刻機的企業,少說也有數十家,而 Nikon 憑藉著相機時代的積累,在那個日本半導體產業全面崛起的年代,成為了當之無愧的巨頭。

短短幾年,Nikon 就將昔日光刻機大國美國拉下馬,與舊王者 GCA 平起平坐,拿下三成市場市佔率。

(註: Nikon 光刻機,來源於 Nikon 官網)

Q5:為什麼台積電總是能優先拿到最新的ASML光刻機?兩間公司的關係是什麼?

Nikon 作為九十年代最大的光刻機巨頭,它的衰落,說來也充滿偶然,始於那一回157nm光源干刻法與193nm光源濕刻法的技術之爭。

當時的光刻機的光源波長被卡死在193nm,是擺在全產業面前的一道難關。

降低光的波長,從光源出發是根本方法,但高中學生都知道,光由真空入水,因為水的折射率,光的波長會改變——在透鏡和矽片之間加一層水,由於水對 193nm 光的折射率 高達 1.44,原有的193nm雷射經過折射,不就直接越過了157nm的天塹,降低到134nm了嗎!

(註:浸沒式光刻可縮短等效波長,來源:Nikon,《奈米內建電路製造工藝》)

2002年,時任台積電前研發副總經理的林本堅拿著這項「沉浸式光刻」方案,跑遍美國、德國、日本等國,遊說各家半導體巨頭,但都吃了閉門羹。

當時還是小角色的 ASML(1984年飛利浦和一家小公司 ASM Internationa以50:50組成的合資公司,最初員工只有31人)決定賭一把,相比之前在傳統乾式微影上的投入,押注浸潤式技術更有可能以小博大。於是 ASML 和林本堅一拍即合,僅用一年多的時間,就在2004年拼全力趕出了第一台樣機,並先後奪下 IBM 和台積電等大客戶的訂單。

也因此,台積電與ASML關係可以說非常深遠。

第三階段,也就是這間荷蘭 ASML 的崛起。

1997年,英特爾攢起了一個叫 EUV LLC 的聯盟。聯盟中的名字個個如雷貫耳:除了英特爾和牽頭的美國能源部以外,還有摩托羅拉、AMD、IBM,以及能源部下屬三大國家實驗室:勞倫斯利弗莫爾國家實驗室、桑迪亞國家實驗室和勞倫斯柏克萊實驗室。

這些實驗室是美國科技發展的幕後英雄,他們之前的研究成果覆蓋了物理、化學、製造業、半導體產業的各種前沿方向,有核武器、超級電腦、國家點火裝置,甚至還有二十多種新發現的化學元素。

資金到位,技術入場,人才雲集,但偏偏聯盟中的美國光刻機企業 SVG、Ultratech 早在80年代就被 Nikon 打得七零八落,根本爛泥扶不上牆。於是,英特爾力邀 ASML 和 Nikon 加入 EUV LLC。但問題在於,這兩家公司,一個來自日本,一個來自荷蘭,都不是本土企業。

(註:Ultratech 光刻機,圖片來源於網路)

當時的美國政府將 EUV 技術視為推動本國半導體產業發展的核心技術,並不太希望外國企業參與其中,更何況是八九十年代在半導體領域壓了美國風頭的日本。但EUV光刻機又幾乎逼近物理學、材料學以及精密製造的極限。光源功率要求極高,透鏡和反射鏡系統也極致精密,還需要真空環境,其配套的抗蝕劑和防護膜的良品率也不高。別說日本與荷蘭,就算是美國,想要一己之力自主突破這項技術,可以說是比登天還難,畢竟美國已經登月了。

最後,ASML 同意在美國建立一所工廠和一個研發中心,以此滿足所有美國本土的產能需求。另外,還保證55%的零組件均從美國供應商處採購,並接受定期審查。所以為什麼美國能禁止荷蘭的光刻機出口中國,一切的原因都始於此時。

錯失EUV的 Nikon ,還未完全失去機會,讓它一蹶不振的,是盟友的離開。當時的英特爾為了防止核心設備供應商一家獨大,製作22nm的晶片還是一直採購 ASML 和 Nikon 兩家的光刻機。但「備胎終究是備胎」,一轉身,英特爾就為了延續摩爾定律的節奏,巨資入股 ASML,順帶將EUV技術託付。

另一邊,相比一步步內建了全球製造業精華的 ASML,早年間就習慣單打獨鬥的 Nikon 在遭遇美國封鎖後,更是一步步落後,先進設備技術跟不上且不提,就連落後設備的製造效率也遲遲提不上來。而佳能在光刻機領域一直沒有爭過老大,當年它的數位相機稱霸世界,利潤很高,但是對一年銷量只有上百台的光刻機根本沒有給予重視。

2012年,英特爾連同三星和台積電,三家企業共計投資52.29億歐元,先後入股 ASML,以此獲得優先供貨權,結成緊密的利益共同體。在2015年,第一台可量產的EUV樣機正式發佈,意味著在7nm以下的先進工藝節點,ASML 再無對手!

Q6:有沒有能對 ASML 產生威脅的廠商?他們的技術水準如何?

除了 ASML,目前世界上其他比較先進的光刻機廠商分別是日本的 Nikon 和佳能。從目前 Nikon 的官網上可以看到 Nikon 最先進的光刻機型號為 NSR-S635E。

(註:Nikon 的最先進NSR-S635E光刻機,來源:Nikon 官網)

從其關鍵參數和介紹來看,其光源波長為193nm,水準大致相當於 ASML DUV 光刻機的水準。不過,依照 ASML、Nikon、佳能三家公司的官方數據整理得知,去年全球光刻機總銷售量為413台。其中 ASML 銷售258台佔比62%,佳能銷售122台佔比30%,Nikon 銷售33台佔比8%。按照銷售額來計算的話,因為最昂貴的 EUV 只有 ASML 製造銷售,所以總的市佔率依次是91%、3%、6%。所以目前無論是 Nikon 還是佳能都無法對 ASML 構成威脅。

(註:Nikon NSR-S635E 光刻機參數表,來源:Nikon 官網)

  • 本文授權轉載自:36kr

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