DUV光刻机中场战事:当年日企封杀、客户看扁,如今却是造芯主力

PigSay 2022-08-01 阅读:25

最近,DUV光刻机的话题再度火热,“28nm光刻机”再度映入眼帘,虽然说大家对DUV的关注度远不如EUV,但毕竟使用EUV技术造芯片的厂商全世界也没几家,目前DUV光刻机仍然是生产逻辑芯片和存储芯片的主力。

那么,DUV光刻机在现在有怎样的地位?

DUV光刻又是什么原理?

其发展又经历了怎样的过程?

以及最后一个问题,

所谓“28nm光刻机”的说法在行业内并不存在,那么它究竟是何物?

DUV光刻机现在有怎样的地位?

根据最近ASML第二季度财报,ASML订单量创下历史新高,净利润同比增长36%,环比增长103%的良好业绩,虽然EUV光刻机功不可没,但是DUV依旧在ASML的营收中占比超过50%。

仅在第二季度,ASML就售出DUV光刻机79台,收入21.5亿欧元,比EUV营收所得还多出6000万欧元。

并且,EUV交付周期长,价格贵,实际出货量仅有12台,是DUV的七分之一。

从2012年至今,ASML已经出货1400DUV光刻机,对应两代技术,共计9个型号。

客户遍布北美、亚洲、欧洲,这些光刻机可支持的制程工艺覆盖上至130nm,下至7nm制程。目前世界上有60%以上的芯片使用DUV光刻工艺制造,无论逻辑芯片还是存储芯片,DUV都是中流砥柱。

DUV光刻又是什么原理?

市面上但凡只要是用做制造大规模集成电路的光刻机使用都是紫外光,但是紫外光顾名思义就是紫色光以外的光线,只要波长超过10nm,低于400nm都是紫外光。

那么既然10nm到400nm都是紫外光,那么紫外光是否分高低贵贱呢?

用一个不恰当的说法,还真有,在光刻领域中,一般采用四个波长的紫外光光源,分别是

i线(波长365nm)、KrF(波长248nm)、ArF(波长193nm)以及当红头牌EUV光刻(波长13.5nm)。

248nm和193nm在大众的认知中通常被归纳为DUV光源,而行业内通常会直呼KrF和ArF。

首先,无论DUV或者EUV光刻机,都采用了掩膜对准投影式曝光的技术路线,很多科普文章习惯用照相机来比喻光刻机系统,但是按照光刻机系统和子系统的结构,以胶片电影放映机来类比似乎更加通俗。

电影放映机系统的由光源、聚光镜、胶片和物镜以及电影荧幕组成,光源发出可见光通过聚光调整为合适的平行光,透过胶片形成图案,再由物镜放大之后,投影到荧幕上。

光刻机同样也有光源,只不过ArF光刻机使用的是193nm的DUV光源,随后通过各种复杂的透镜模组照射到“胶片”上形成图案,只不过光刻过程的所谓“胶片”在行业叫做“掩膜版”,随后通过物镜系统把图案缩小,投影到涂有光刻胶的硅晶圆上。

光刻机和放映机在原理上的最大不同在于,放映机是放大图案,而光刻机是缩小图案(通常缩小到面积的25%左右),所以台积电有时候会把光刻机称作微影系统,或者微影机。

光刻机用于制造尺度仅有几十纳米乃至十几纳米尺寸的元件,对各方面的精度要求也高得多,电影放映机所需要的镜片误差,只需控制在数微米之间即可,这样的精度,很多国产厂商都可以轻松完成。但是光刻机需要的镜片,误差不能超过1nm,在EUV光刻系统上,甚至降低到了惊人的0.05nm,相当于整个中国一马平川,不允许有超过10厘米的山峰或者盆地。

再者,为什么会采用这个如此奇怪的193nm波长,而不是使用整数?

这是因为光刻机光源必须把波长限制在极窄的频谱之内,满足该条件的只有激光,而ArF代表的就是氟化氩气体激光机,这种激光器可以发出足够纯净的193nm光源,这是氟化氩这种物质的本身性质。

此外,上图中的曝光台也并不简单,其本质上是一个对准系统,在对准时需要极低的对准误差,一般来说,整个光刻过程中只有能允许对准工艺上10%的误差,90nm对应9nm,而28nm只能容许2.8nm的误差。

检测2.8nm误差就需要用到高端扫描电子显微镜,此类产品对于某些工业门类不完善,工业技术不发达的国家来说,都是相当稀罕的奢侈品。

如果说需要进行多重曝光,那么允许的误差只能更小。

既然搞清楚了193nm,这就引出了下一个问题。193nm光源的光刻机覆盖了130nm到7nm,按理说,就算是光刻机厂商再努力,193nm的物理极限应该也就在65nm制程左右,193nm光线为何有如此神奇力量, 能够一路披荆斩棘下探到7nm。

很多人都听说过湿法光刻这个词汇,湿法光刻是因光刻过程中需要用到超纯水而得名,也就是所谓的浸润式光刻机,

ArF浸润式光刻机发展又经历了怎样的过程?

早年的光刻机结构相当简单,大多采用接触式光刻的方式,掩膜版覆盖在硅晶圆上进行光刻,掩膜版多大的,晶圆就有多大。

后来随着制程工艺的逐渐缩小,才发展出来的投影式光刻,在掩膜版和晶圆之间增加透镜,缩小投影图案,使其能够不断在制程工艺上有所进步。

当透镜系统不能满足时,就开始在其他零部件上做优化。最后逼不得已才会对光源下手,当时的佳能、尼康被锁死在65nm,无法突破下一代节点,所以改变光源成了当时这两家日本大厂的最后手段。

佳能、尼康欲将193nm光源换成157nm光源,后果也显而易见,牵一发而动全身。原本在193nm上使用的合成石英玻璃镜片,会大量吸收157nm光线,物镜系统、掩膜版材料都需要改朝换代,研发成本高、难度大,佳能、尼康在157nm波长苦苦求索而不得解。

2002年召开的国际光电学会技术研讨会,却改变了这一切。

当时,佳能、尼康仍在坚持157nm光源,但是随后一个台积电工程师的发言,彻底改变了整个研讨会的方向。

工程师林本坚拿出了构思20年的思路,他认为,未来光刻工艺的发展必然不是在157nm上发力,而是通过浸润式光刻,直接把193nm波长光线通过水的折射直接降低到134nm,一举突破65nm制程,此言一出,满堂震惊。

所有人全部睁大眼睛,把157nm丢到一边,开始讨论134nm的可能性。

不过会议之后,外界开始质疑这条技术路线,例如水容易被污染,水中间容易产生肉眼不可见的微小气泡,影响曝光效果。

某些大公司(可能包括佳能、尼康)还直接找到林本坚的领导蒋尚义,蒋尚义回忆说,让他管管林本坚,不要搅局。

这也侧面验证了,当年157nm干式光刻突破困难,佳能、尼康已经投入数十亿美元,陷入了进退两难的境地。

反观台积电这边,蒋尚义不但没限制林本坚,反倒是大力支持浸润式光刻的设想,随后台积电找到了一家荷兰小公司——ASML。

前面提到,ASML在光刻机市场独领风骚,但是在2002年时候,ASML市场份额拢共加起来也不到20%,当时的台积电地位也远不如现在,年营收刚刚超过50亿美元,进入全球半导体排行榜的前十名,但如果还是仰赖佳能、尼康供货,台积电永无翻身之日。

所以台积电找到ASML,是两个极其渴望上位夺冠的人,走到了一起,随后产生的化学反应,也改变了世界光刻机的格局。

荷兰小厂发现,林本坚属实是个高人,外界提出的质疑他都能见招拆招,这套理论有戏,浸润式光刻,必须干!

台积电成为了ASML深度合作伙伴,在研发浸润式光刻机那2年中形影不离,跑遍了美国、日本、德国的各类零部件供应商,最终在2003年推出了193nm浸润式光刻机。也是因为台积电林本坚团队的努力,确立了ASML采用高度外包的商业模式,90%的零件来自外部供应商,而自己则专注客户需求和系统整合。

当年,在很多国际大客户眼里,浸润式光刻机就是一个“狗不理”,据蒋尚义回忆,某国际大厂对浸润式光刻机嗤之以鼻,但随着台积电迭代出新的制程后,该大厂立刻前来订购,短短2~3年时间,几乎全世界所有的晶圆厂都换用了这种光刻机。

从侧面也能够看出,深受国际芯片大厂喜爱的台积电,并不是单纯的代工厂,而是让ASML走上神坛的狠角色。

所谓“28nm光刻机”是何物?

首先,需要明确一点,关于“28nm光刻机”的说法不严谨,虽然很多人这么叫,其实际指的是可以被用于28nm芯片制造的光刻机,现在终于可以给出一个明确定义:

采用193nm氟化氩激光器作为光源使用掩膜版微缩投影技术结合浸润系统实现134nm光刻。

以上,所谓“28nm光刻机”即是193nm浸润式光刻机。

不过,这种光刻机的极限远不止28nm工艺制程,从工程实践应用上来看,已经可以量产7nm制程。

如果可以克服重重困难,进一步优化光刻机结构,提高孔径数值和分辨率,以及换用更高折射率的介质,解决成本和良率问题,DUV光刻的极限则在5nm左右。

另外,光刻工艺远不止前所述如此简单,中间涉及到多个工艺环节,包括掩膜版的制造,多重曝光的对准技术,这些技术同样仍有潜力可挖掘,在逐渐演进制程节点的同时,提高产量和良率,对于芯片制造来说也同样重要。