11月7日《日本經(jīng)濟(jì)新聞》報(bào)道了一則消息，稱全世界唯一的高端光刻機(jī)生產(chǎn)廠商荷蘭ASML公司決定，不再向中國(guó)中芯公司出售可用于加工7nm以下芯片的極紫外光刻機(jī)(EUV)。之后，中芯國(guó)際表示：極紫外光(EUV)還在紙面工作階段，未進(jìn)行相關(guān)活動(dòng)。公司先進(jìn)工藝研發(fā)進(jìn)展順利。目前，研發(fā)與生產(chǎn)的連結(jié)一切正常。客戶與設(shè)備導(dǎo)入正常運(yùn)作。
ASML也公開表態(tài)：關(guān)于日經(jīng)新聞?dòng)嘘P(guān)中芯國(guó)際相關(guān)報(bào)導(dǎo)有誤，“延遲出貨“僅為其媒體推測(cè)，ASML從未評(píng)論或確認(rèn)，對(duì)其將推測(cè)直接定性為事實(shí)作為新聞標(biāo)題并在文中闡述，表示抗議。ASML表示，對(duì)全球客戶一視同仁。根據(jù)瓦圣納協(xié)議，ASML出口EUV到中國(guó)需取得荷蘭政府的出口許可(export license)。該出口許可于今年到期，ASML已經(jīng)于到期前重新進(jìn)行申請(qǐng)，目前正在等待荷蘭政府核準(zhǔn)。
從中芯國(guó)際和ASML的公開表態(tài)看，日經(jīng)新聞的報(bào)道有夸大其詞的嫌疑，但如果美國(guó)像干涉中資收購(gòu)德國(guó)愛思強(qiáng)那樣搞干涉，或者荷蘭政府脊梁骨不夠硬，擔(dān)心“友邦驚詫”，中芯國(guó)際的EVU光刻機(jī)恐怕是不能按期收貨了。
什么是光刻機(jī)？
2017年初，一臺(tái)價(jià)值1.06億元的設(shè)備經(jīng)空運(yùn)從荷蘭飛抵廈門，由于該設(shè)備價(jià)值高，而且對(duì)保存和運(yùn)輸有著很高的要求——必須保持在23℃恒溫狀態(tài)下。為了避免影響設(shè)備的精度，在運(yùn)輸中也對(duì)穩(wěn)定性有極高的要求。因此，機(jī)場(chǎng)海關(guān)以機(jī)坪查驗(yàn)的方式對(duì)該貨物實(shí)行全程機(jī)邊監(jiān)管，待貨物裝入特制溫控氣墊車，移至海關(guān)的機(jī)坪視頻監(jiān)控探頭之下，完成緊急查驗(yàn)后當(dāng)晚就得到放行。這臺(tái)獲得機(jī)場(chǎng)海關(guān)如此嚴(yán)陣以待的設(shè)備，就是光刻機(jī)，從價(jià)格來看，這臺(tái)光刻機(jī)并非最先進(jìn)的EUV，很有可能是采用193nm光源的光刻機(jī)。
光刻機(jī)是芯片制造的核心設(shè)備之一，按照用途可以分為好幾種：有用于生產(chǎn)芯片的光刻機(jī);有用于封裝的光刻機(jī);還有用于LED制造領(lǐng)域的投影光刻機(jī)。
在芯片制造中，光刻機(jī)的作用就是將電路圖用激光按比例放縮到硅片上。光刻機(jī)通過一系列的光源能量、形狀控制手段，將光束透射過畫著線路圖的掩模，經(jīng)物鏡補(bǔ)償各種光學(xué)誤差，將線路圖成比例縮小后映射到硅片上，然后使用化學(xué)方法顯影，得到刻在硅片上的電路圖，也就是芯片。
一般的光刻工藝要經(jīng)歷硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻膠、軟烘、對(duì)準(zhǔn)曝光、后烘、顯影、硬烘、激光刻蝕等工序。經(jīng)過一次光刻的芯片可以繼續(xù)涂膠、曝光。越復(fù)雜的芯片，線路圖的層數(shù)越多，也需要更精密的曝光控制過程。可以說，光刻機(jī)是芯片制造中最核心的裝備，也是中國(guó)半導(dǎo)體設(shè)備的最大短板。國(guó)內(nèi)晶圓廠所需的高端光刻機(jī)完全依賴進(jìn)口。
之前說了，光刻機(jī)用途廣泛，除了高端大氣上檔次的前道光刻機(jī)之外，還有用于LED制造領(lǐng)域投影光刻機(jī)和用于芯片封裝的后道光刻機(jī)，雖然在前道光刻機(jī)上國(guó)內(nèi)廠商和ASML差距如同鴻溝，但后道光刻機(jī)和投影光刻機(jī)國(guó)內(nèi)廠商不僅都能制造，還占據(jù)了不低的市場(chǎng)份額。
最新的光刻機(jī)是EUV光刻機(jī)。EUV還使用反射鏡取代了投射鏡，還使用了極紫外光源，EU這倆字母就是極紫外的縮寫，波長(zhǎng)是13.5nm。因?yàn)橛貌ㄩL(zhǎng)極短，很容易被任何東西吸收，包括空氣，所以腔體內(nèi)是真空系統(tǒng)。ASML研發(fā)EUV花了十來年時(shí)間，數(shù)百億美元，可知其技術(shù)難度。EUV光刻機(jī)的售價(jià)為1億美元一臺(tái)。
光刻機(jī)工作原理和組成
通過一系列的光源能量、形狀控制手段，將光束透射過畫著線路圖的掩模，經(jīng)物鏡補(bǔ)償各種光學(xué)誤差，將線路圖成比例縮小后映射到硅片上，不同光刻機(jī)的成像比例不同，有5:1，也有4:1。然后使用化學(xué)方法顯影，得到刻在硅片上的電路圖(即芯片)。
一般的光刻工藝要經(jīng)歷硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻膠、軟烘、對(duì)準(zhǔn)曝光、后烘、顯影、硬烘、激光刻蝕等工序。經(jīng)過一次光刻的芯片可以繼續(xù)涂膠、曝光。越復(fù)雜的芯片，線路圖的層數(shù)越多，也需要更精密的曝光控制過程。現(xiàn)在最先進(jìn)的芯片有幾十層之多。
附一張ASML光刻機(jī)的簡(jiǎn)易工作原理圖。
簡(jiǎn)單介紹一下圖中各設(shè)備的作用。
測(cè)量臺(tái)、曝光臺(tái)：承載硅片的工作臺(tái),也就是本次新聞里說的雙工作臺(tái)。一般的光刻機(jī)需要先測(cè)量，再曝光，只需一個(gè)工作臺(tái)，而ASML有個(gè)專利，有兩個(gè)工作臺(tái)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量與曝光同時(shí)進(jìn)行。之前國(guó)內(nèi)“光刻機(jī)雙工件臺(tái)系統(tǒng)樣機(jī)研發(fā)”項(xiàng)目則是在技術(shù)上突破ASML對(duì)雙工件臺(tái)系統(tǒng)的技術(shù)壟斷。
激光器：也就是光源，光刻機(jī)核心設(shè)備之一，之前已經(jīng)介紹過了。
光束矯正器：矯正光束入射方向，讓激光束盡量平行。
能量控制器：控制最終照射到硅片上的能量，曝光不足或過足都會(huì)嚴(yán)重影響成像質(zhì)量。
光束形狀設(shè)置：設(shè)置光束為圓型、環(huán)型等不同形狀，不同的光束狀態(tài)有不同的光學(xué)特性。
遮光器：在不需要曝光的時(shí)候，阻止光束照射到硅片。
能量探測(cè)器：檢測(cè)光束最終入射能量是否符合曝光要求，并反饋給能量控制器進(jìn)行調(diào)整。
掩模版：一塊在內(nèi)部刻著線路設(shè)計(jì)圖的玻璃板，貴的要數(shù)十萬美元。
掩膜臺(tái)：承載掩模版運(yùn)動(dòng)的設(shè)備，運(yùn)動(dòng)控制精度是nm級(jí)的。
物鏡：物鏡由20多塊鏡片組成，主要作用是把掩膜版上的電路圖按比例縮小，再被激光映射的硅片上，并且物鏡還要補(bǔ)償各種光學(xué)誤差。技術(shù)難度就在于物鏡的設(shè)計(jì)難度大，精度的要求高。
硅片：用硅晶制成的圓片。硅片有多種尺寸，尺寸越大，產(chǎn)率越高。題外話，由于硅片是圓的，所以需要在硅片上剪一個(gè)缺口來確認(rèn)硅片的坐標(biāo)系，根據(jù)缺口的形狀不同分為兩種，分別叫flat、notch。
內(nèi)部封閉框架、減振器：將工作臺(tái)與外部環(huán)境隔離，保持水平，減少外界振動(dòng)干擾，并維持穩(wěn)定的溫度、壓力。
中外光刻機(jī)差距巨大
光刻機(jī)被稱為人類最精密復(fù)雜的機(jī)器，業(yè)界將其譽(yù)為集成電路產(chǎn)業(yè)皇冠上的明珠，研發(fā)的技術(shù)門檻和資金門檻非常高。也正是因此，能生產(chǎn)高端光刻機(jī)的廠商非常少，到最先進(jìn)的5/7nm光刻機(jī)就只剩下ASML，日本佳能和尼康已經(jīng)基本放棄EUV光刻機(jī)的研發(fā)。
目前，光刻機(jī)領(lǐng)域的龍頭老大是荷蘭ASML，并已經(jīng)占據(jù)了高達(dá)80%的市場(chǎng)份額，壟斷了高端光刻機(jī)市場(chǎng)。ASML最先進(jìn)的EUV光刻機(jī)售價(jià)曾高達(dá)1億美元一臺(tái)，且全球僅僅ASML能夠生產(chǎn)。Intel、臺(tái)積電、三星都曾經(jīng)是它的股東，Intel、三星的高端光刻機(jī)都是買自ASML，格羅方德、聯(lián)電以及中芯國(guó)際等晶圓廠的光刻機(jī)主要也是來自ASML。
相比之下，國(guó)內(nèi)光刻機(jī)廠商則顯得寒酸，處于技術(shù)領(lǐng)先的上海微電子裝備有限公司已量產(chǎn)的光刻機(jī)中性能最好的是90nm光刻機(jī)......國(guó)內(nèi)晶圓廠所需的高端光刻機(jī)完全依賴進(jìn)口。這不僅使國(guó)內(nèi)晶圓廠要耗費(fèi)巨資購(gòu)買設(shè)備，對(duì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和自主技術(shù)的成長(zhǎng)也帶來很大不利影響——ASML在向國(guó)內(nèi)晶圓廠出售光刻機(jī)時(shí)有限制性條款。
雖然總體差距很大，但在局部，國(guó)內(nèi)還是有亮點(diǎn)的。
在雙工臺(tái)方面，國(guó)內(nèi)取得了突破。過去，光刻機(jī)只有一個(gè)工作臺(tái)，所有流程都在一個(gè)工作臺(tái)上完成。雙工件臺(tái)系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得光刻機(jī)能夠在不改變初始速度和加速度的條件下，當(dāng)一個(gè)工作臺(tái)在進(jìn)行曝光工作的同時(shí)，另外一個(gè)工作臺(tái)可以同時(shí)進(jìn)行曝光之前的預(yù)對(duì)準(zhǔn)工作，使得光刻機(jī)的生產(chǎn)效率提高大約 35%。ASML 的TWINSCAN NXE3300B 型光刻機(jī)，分辨率小于 22nm，生產(chǎn)效率可以達(dá)到 125片/小時(shí)。
雖然看起來僅僅是加一個(gè)工作臺(tái)，但技術(shù)難度卻不容小覷——對(duì)換臺(tái)的速度和精度有非常高的要求，如果換臺(tái)速度慢，則影響光刻機(jī)工作效率;如果換臺(tái)精度不夠，則可能因此而影響了后續(xù)掃描光刻等步驟的正常開展。
現(xiàn)今技術(shù)成熟的雙工件臺(tái)系統(tǒng)主要是導(dǎo)軌式，驅(qū)動(dòng)方式主要分為氣浮驅(qū)動(dòng)和磁懸浮驅(qū)動(dòng)。目前，ASML公司已成功研發(fā)了磁懸浮工件臺(tái)系統(tǒng)，使得系統(tǒng)能夠忽略摩擦系數(shù)和阻尼系數(shù)，其加工速度和精度是機(jī)械式和氣浮式工件臺(tái)所無法比擬的。不僅如此，ASML 公司基于磁懸浮工件臺(tái)的基礎(chǔ)，研發(fā)了無導(dǎo)軌式的平面編碼磁懸浮工件臺(tái)系統(tǒng)，通過平面編碼器對(duì)工作臺(tái)進(jìn)行精確定位，進(jìn)一步提升了精度。此前，國(guó)內(nèi)α光刻樣機(jī)的雙工件臺(tái)系統(tǒng)取得突破，采用導(dǎo)軌式磁懸浮系統(tǒng)，關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)已達(dá)到國(guó)際同類光刻機(jī)雙工件臺(tái)水平。
中國(guó)在激光技術(shù)上頗有成就，國(guó)內(nèi)有的單位用汞燈做光源，還由單位研發(fā)出了獨(dú)一無二的固態(tài)深紫外光源，但目前，固態(tài)深紫外光源還并未用于光刻機(jī)制造，在光源上還無法徹底擺脫進(jìn)口。此前，成都光機(jī)所的國(guó)家重大科研裝備研制項(xiàng)目“超分辨光刻裝備研制”通過驗(yàn)收，SP光刻機(jī)采用汞燈(365nm i-line)做光源，光刻分辨力達(dá)到22nm，結(jié)合多重曝光技術(shù)后，可用于制造制程小于10nm的芯片。就技術(shù)路線來說，SP光刻機(jī)另辟蹊徑，沒有采用國(guó)外主流方案，走出一條自己的路。不過，SP光刻機(jī)只能加工小尺寸芯片，只能加工特殊領(lǐng)域芯片，不適合商用，無法替換ASML的光刻機(jī)。
光源、物鏡目前還無法完全擺脫進(jìn)口依賴
光源是光刻機(jī)的核心部件之一。在光刻機(jī)改進(jìn)中，所使用的光源也不斷改進(jìn)發(fā)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，在集成電路產(chǎn)業(yè)使用的中高端光刻機(jī)采用的是193nmArF光源和13.5nmEUV光源。
193nmArF也被稱為深紫外光源。使用193nmArF光源的干法光刻機(jī)，其光刻工藝節(jié)點(diǎn)可達(dá)45nm，采用浸沒式光刻、光學(xué)鄰近效應(yīng)矯正等技術(shù)后，其極限光刻工藝節(jié)點(diǎn)可達(dá)28nm。
浸沒式光刻是指在物鏡和硅片之間增加一層特殊的液體，由于液體的折射率比空氣的折射率高，因此成像精度更高。因此，也就有了浸沒式光刻的叫法。
而當(dāng)工藝尺寸縮小到22nm時(shí)，則必須采用輔助的兩次圖形曝光技術(shù)。然而使用兩次圖形曝光，會(huì)帶來兩大問題:一個(gè)是光刻加掩模的成本迅速上升，另一個(gè)是工藝的循環(huán)周期延長(zhǎng)。因而，在22nm的工藝節(jié)點(diǎn)，光刻機(jī)處于EUV與ArF兩種光源共存的狀態(tài)。
對(duì)于使用液浸式光刻+多次圖形曝光的ArF光刻機(jī)，工藝節(jié)點(diǎn)的極限是10nm，之后將很難持續(xù)。EUV光刻機(jī)，則有可能使工藝制程繼續(xù)延伸到5nm。
EUV光刻機(jī)對(duì)中芯國(guó)際不是剛需
雖然光刻機(jī)非常重要，雖然ASML在該領(lǐng)域占據(jù)統(tǒng)治地位，但國(guó)內(nèi)一些媒體把EUV光刻機(jī)過度神話了。其實(shí)，當(dāng)下中芯國(guó)際最大的問題倒不是EUV光刻機(jī)，而是如何使用現(xiàn)有的設(shè)備攻克12/14nm工藝。
雖然一些輿論將中芯國(guó)際在工藝上落后于臺(tái)積電歸咎于中芯國(guó)際無法采購(gòu)到最先進(jìn)的光刻機(jī)，并認(rèn)為如果中芯國(guó)際也有了EUV光刻機(jī)，那么在工藝上就會(huì)迅速追上臺(tái)積電。但鐵流要說，這種觀點(diǎn)是片面的。事實(shí)上，目前中芯國(guó)際的光刻機(jī)和臺(tái)積電用來加工10nm芯片的設(shè)備是一個(gè)等級(jí)的。臺(tái)積電能用這些設(shè)備搞定10/12/16nm工藝，但中芯國(guó)際的14nm工藝還處于跌跌撞撞的狀態(tài)，真正比較成熟的還是28nm工藝。
差距在哪呢?打個(gè)比方，光刻機(jī)好比是刻刀，而如何使用這把刻刀，就要看雕刻師傅的手藝了，臺(tái)積電在這方面積累了大量經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，使用相同的刻刀，臺(tái)積電做出比中芯國(guó)際更好的產(chǎn)品，這些需要大量時(shí)間和實(shí)踐去磨礪和積累，并非買到EUV光刻機(jī)就能解決的。
當(dāng)下，中芯國(guó)際的設(shè)備其實(shí)完全能夠支持10nm工藝量產(chǎn)。在加工14nm以下芯片的過程中，光刻機(jī)(193nm ArF)在曝光的時(shí)候，出來的不是一個(gè)很直的深孔或深溝，而是變成彎彎曲曲的形狀，這主要是因?yàn)楣獾牟ㄩL(zhǎng)和波粒二象性。一般的深紫外光刻機(jī)只能刻出40nm的線條。再往下就要看極紫外光刻機(jī)(EUV)，目前也只能刻出20nm線條。
那么，臺(tái)積電是怎么用深紫外光刻機(jī)做出10nm/16nm芯片的呢?
據(jù)中微半導(dǎo)體創(chuàng)始人尹志堯介紹：
其實(shí)靠等離子刻蝕機(jī)和薄膜的組合拳把它做出來，不是靠光刻做的。如果通過光刻機(jī)刻出一個(gè)40nm的模板，然后按這個(gè)模板刻下去，刻出一個(gè)墻，你理解它是一個(gè)重剖面。這個(gè)墻是氧化硅的材料，是40nm，這是通過光刻翻版出來，然后呢我在上面鋪一層氮化硅薄膜，鋪的時(shí)間控制好，這個(gè)側(cè)面的墻是20nm，這樣的話呢，第二次用等離子刻蝕機(jī)刻，有方向性地把上面的蓋去掉，把底部去掉，就出來兩個(gè)叫邊墻。這邊墻的厚度就是20nm，這是刻的氮化物。刻氮化物需要用選擇性的氣體刻。然后刻完以后第三次刻呢，我們換一些氣體專門刻氧化物，把氧化物刻掉，這個(gè)墻就留下來了。所以一個(gè)40nm的微觀結(jié)構(gòu)就翻成兩個(gè)20nm的結(jié)構(gòu)了，這個(gè)叫二重模版。
還有進(jìn)一步的四層模板技術(shù)，在20nm的氮化物墻上，再鋪一個(gè)10nm的氧化物的膜，我第四次刻的時(shí)候把上頭蓋去掉，底去掉以后，就出了四個(gè)邊墻。然后再用不同的化學(xué)氣體，把中間的核刻掉，就變成了四個(gè)10nm的邊墻。20nm以下是這樣做出來。這里就沒有光刻的事，就是等離子與薄膜組合拳，把它翻版就越翻越小。
那么，能不能繼續(xù)這種模式把芯片做到5nm呢?理論上是可以的，但實(shí)際操作中，會(huì)遇到良率的問題。
如果使用刻蝕設(shè)備和薄膜設(shè)備組合拳的模式，確實(shí)能做5nm芯片，但會(huì)產(chǎn)生一個(gè)問題，會(huì)導(dǎo)致加工步驟大幅增加。就以加工14nm芯片來說，會(huì)使原本的光刻、薄膜、刻蝕1：1：1的步驟，變成1：3：5的步驟。正是因此，近年來刻蝕機(jī)和薄膜的市場(chǎng)漲得非常快。
就總的加工步驟來說，到了5nm的時(shí)候，最新的數(shù)據(jù)是數(shù)千個(gè)步驟。由于精度實(shí)在太高，加工過程中不可避免會(huì)出現(xiàn)失誤，而這種失誤會(huì)因?yàn)樯锨Т蔚募庸?shù)量被放大，如果每次合格率99.9%，那0.999的一千次方變成52%。然而，臺(tái)積電、中芯國(guó)際等晶圓廠合格率80%到85%以上才賺錢，合格率80%以下就賠錢了。如果使用EUV光刻機(jī)，那么，就可以減少5nm芯片的加工步驟，從而提升制造5nm芯片的良率。
因此，EUV光刻機(jī)對(duì)于當(dāng)下正在攻關(guān)12/14nm工藝的中芯國(guó)際而言，不是剛需。中芯國(guó)際真正需要關(guān)注的是如何提升芯片的良率，以及如何用好現(xiàn)有的設(shè)備，攻克12/14nm工藝。
對(duì)于EUV光刻機(jī)必須有兩手準(zhǔn)備
EUV光刻機(jī)技術(shù)太過高端，短時(shí)間想要攻克非常困難，即便是ASML也是集整個(gè)歐美的技術(shù)才能打造出EUV光刻機(jī)，比如ASML EUV光刻機(jī)的光源技術(shù)就源自美國(guó)，一些光學(xué)鏡片源自德國(guó)，說是舉歐美各國(guó)之力打造也不為過。中國(guó)在很多技術(shù)上取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但在不少基礎(chǔ)學(xué)科和歐美還有一定差距，而EUV光刻機(jī)恰恰是非常考驗(yàn)工業(yè)基礎(chǔ)的設(shè)備，追趕之路任重道遠(yuǎn)。
對(duì)于ASML出口EUV光刻機(jī)等待荷蘭政府批準(zhǔn)的事情，應(yīng)當(dāng)做兩手準(zhǔn)備。我們一方面基于善意，相信這是出口出口許可到期，目前正在等待荷蘭政府核準(zhǔn)。另一方面，我們也要留個(gè)心眼，沒準(zhǔn)是在美國(guó)的壓力下，ASML和荷蘭政府之間唱雙簧，把出口許可到期作為搪塞中國(guó)的借口。畢竟，荷蘭是一個(gè)小國(guó)，荷蘭也有美軍的基地，政治上只能屈從于美國(guó)，沒準(zhǔn)會(huì)受美國(guó)的脅迫放棄與中國(guó)企業(yè)的交易，而且這也是有前科的，此前奧巴馬以國(guó)家安全為名干涉中資收購(gòu)德國(guó)愛思強(qiáng)公司就是典型案例。另外，ASML的 EUV光刻機(jī)的光源技術(shù)就源自美國(guó)，一旦美國(guó)搞長(zhǎng)臂管轄，拿這個(gè)要挾ASML，ASML也不可能冒著休克的危險(xiǎn)繼續(xù)和中國(guó)企業(yè)做生意。
此前，相關(guān)部門有一個(gè)規(guī)劃，時(shí)間節(jié)點(diǎn)是2030年攻克EUV技術(shù)，雖然實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)非常困難，但鐵流還是希望這個(gè)目標(biāo)能夠?qū)崿F(xiàn)。
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