半導體行業觀察 - 光刻機三巨頭的殊途同歸－鑽石舞台

May 23 Mon 2022 13:31
半導體行業觀察 - 光刻機三巨頭的殊途同歸

說到光刻機，大家第一反應是什麼？筆者第一反應是ASML，第二反應是價格特別昂貴，第三反應是我國卡脖子技術。不知不覺中，ASML似乎成了光刻機的代名詞，這個想法如果被上世紀八九十年代的尼康和佳能知道，可能要氣得直吹鬍子，「哪裡來的毛頭小子，也敢和我比肩」。

不過，現實就是這麼殘忍，正所謂「三十年河東，三十年河西」。在四五十年後的今天，當初的毛頭小子成為了如今手持幾十台「印鈔神獸」的霸主，占據了全球80%的光刻機營收份額，而曾今的巨頭只能淪為二三線，但說到底也是曾經稱霸一方的巨頭，即使遠不敵當年驍勇，但也不會輕易捨棄光刻機這一杯羹。

面對越來越火熱的芯片產業，ASML在EUV道路上一路狂奔，佳能和尼康卻「獨闢蹊徑」，試圖在獨特路線上通過差異化來獲取競爭優勢。

ASML，壟斷EUV

「如果我們交不出EUV，摩爾定律就會從此停止。」ASML首席執行官Peter Wennink在2017年曾如是說過，這句話很囂張，但無人可以反駁。從本世紀初開始，就不斷有人預言摩爾定律將死，如今摩爾定律已經成功迎來了第57個年頭，全球芯片工藝進程也在向3nm，甚至更先進的方向邁進，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，工藝極其複雜。ASML EUV光刻機使用 13.5 nm 的波長，由來自全球近800家供貨商的多個模塊和數十萬個零件組成，每個模塊都在ASML遍布全球的60個工廠中完成生產，然後運往維爾德霍溫進行組裝，運輸一套EUV曝光機需要20輛卡車，或者三架滿載的波音747飛機。其內部結構大概如下：

圖源：ASML

從ASML 官方消息來看，EUV技術從1994年就開始工業化，由ASML參加的聯盟交付了第一個原型。2006 年 8 月，ASML向美國奧爾巴尼的納米科學與工程學院和比利時魯汶的 imec 運送了世界上第一台 EUV 光刻演示工具。2013年，第一個 EUV 生產系統 TWINSCAN NXE:3300 發貨。

站在現在回看過去，寥寥數筆似乎就可以概括當時研發EUV光刻機的那段歷史，但事實上研發過程十分艱難，主要問題在於EUV研發實在是太費錢了，風險巨大。在當時看來，它就像一個無底吞金「黑洞」，大把大把的錢砸進去都不一定能聽到個響。但ASML砸了，官方消息顯示，ASML 在 17 年間在 EUV 研發上投入了超過 60 億歐元。

如今，先進制程已經來到了3nm的交叉路口，台積電和三星都表示將在今年量產3nm，而他們量產所用的光刻機應該就是ASML最新一代0.33 NA光刻系統TWINSCAN NXE:3600D。那麼3nm以後，摩爾定律又該如何「續命」？ASML日本(東京都品川區)的藤原祥二郎社長表示，「摩爾定律預計未來10年後還會持續下去，以此為中心支撐的是最先進的EUV光刻機」。近期，阿斯麥公眾號也指出：「只要我們還有想法，摩爾定律就會繼續生效！」

從ASML 透露的消息可以看出，ASML正在開發下一代 EUV 平台，將數值孔徑 (NA) 從 0.33 增加到 0.55，可以支持多個未來節點。

圖源：ASML

據了解，ASML 下一代EUV 0.55 NA平台有望使芯片尺寸減小1.7倍，進一步提高分辨率，並將微芯片密度提高近3倍。第一個EUV 0.55 NA平台早期接入系統預計將在2023年投入使用，預計客戶將在2024-2025年開始研發，2025-2026年進入客戶的大批量生產。ASML預計在2025年之前擁有大約20台0.55 High-NA EUV。

在產能方面，過去十年，ASML總共售出大約140套EUV光刻機。但在未來，EUV光刻機想必會越來越吃香，畢竟除了邏輯芯片外，一直採用成熟製程的存儲芯片廠商也開始加入戰局。

ASML 光刻部門的年收入份額

圖源：counterpoint

去年8月，美光CEO Sanjay Mehrotra在採訪中確認，美光已將EUV技術納入DRAM技術藍圖，將由10nm世代中的1γ（gamma）工藝節點開始導入。作為長期批量協議的一部分，美光已從 ASML 訂購了多種 EUV 工具。此外，SK 海力士也強調了 EUV 的重要用途，與非 EUV 光刻相比，其 10nm DRAM 產品的每片晶圓的單位產量增加了 25%。

為了滿足不斷增長的光刻機需求，ASML方面指出，於22Q1提高了產能擴張計劃，預計到2024年產能擴張25%左右，到2025年形成90台0.33 NA EUV和約600台DUV產能。

佳能，NIL控制成本

佳能在上世紀輸出還是很猛的，在1970年發售了日本首台半導體光刻機PPC-1；1975年發售的FPA-141F光刻機，在世界上首次實現了1微米以下的光刻；1984年推出了FPA-1500FA，分辨率為 1.0 μm；1994 年發布第一款 FPA-3000 系列，配備了分辨率為 0.35 μm 的 i-line 鏡頭，是當時世界上分辨率最高的鏡頭之一。

算了算，今年是佳能正式投入半導體光刻機領域的第52周年，在上世紀被著名的乾濕路線之爭絆了一跤之後，佳能就有些趕不上ASML的步伐了。如今，佳能專注於低端產品，官網顯示，佳能出售的光刻機涉及i-line到KrF級別，並沒有浸入式光刻機，與EUV光刻機區別就在於光源波長的不同，EUV 技術所使用的光源波長為13·5納米，而KrF技術則是248納米，i線光源波長是365納米。眾所周知，對於光刻機來說，所用光源波長越短，越能描繪微細線寬的半導體電路。所以能感受到兩者之間的差距了吧。

雖然佳能光刻機低端，但近期熱度卻不小，據華爾街日報去年年底報道，1995年製造的二手光刻機佳能FPA3000i4，在2014年10月只值10萬美元，今天則值170萬美元。佳能日前公布的財報也指出安全攝像頭以及光刻機推動業績打仗，隨着半導體設備投資的增加，佳能的光刻機業務還會持續增長。

不過「啃老」總歸不長久，創新才是真的出路。在EUV領域想要趕超ASML幾乎是不可能的了，那不如就換個方向，而佳能選中的就是「納米壓印光刻（NIL）」。佳能官方對NIL是這麼介紹的，這種方法具有簡單、緊湊、能夠以低成本製造芯片的優點。

確實，相比EUV光刻機複雜的結構以及難以提高生產率，NIL 只需要將形成三維結構的掩膜壓在晶圓上被稱為液體樹脂的感光材料上，同時照射光線，一次性完成結構的轉印的方法。不需使用EUV光刻機，也不需要使用鏡頭，而且還可以將耗電量可壓低至EUV技術的10%，並讓設備投資降低至僅有EUV設備的40%，可以說是「省錢小能手」。

圖源：佳能官網

官方消息顯示，佳能早在2004 年就開始研發NIL技術，2014年美國分子壓印公司（現佳能納米技術）加入佳能集團的消息公開，明確表示將使用納米壓印法進行開發。2021 年春季，大日本印刷在根據設備的規格進行了內部模擬，發現在電路形成過程中每個晶片的功耗可以降低到使用EUV曝光時的大約1/10，根據大日本印刷的說法，NIL量產技術電路微縮程度則可達5nm節點。2017 年 7 月，佳能納米壓印半導體製造設備「FPA-1200NZ2C」設備交付給東芝存儲器四日市工廠。

東芝存儲器四日市工廠調整納米壓印半導體製造設備「FPA-1200NZ2C」

圖源：佳能

在佳能開發人員首藤真一看來，這種納米壓印設備是一種將創造未來的設備。未來，半導體會變得更精細，不僅會被封裝在智能手機中，未來還會被用作貼紙，比如貼在人體皮膚上或隱形眼鏡上。他相信只有納米壓印方式才能以客戶要求的成本和速度實現這一點。

從目前透露的消息來看，和佳能共同開發的NIL技術的鎧俠已掌握NIL 15nm的製程量產技術，目前正在進行15nm以下技術研發，預計2025年進一步達成。不過佳能方面還未透露出設備量產的消息，實用化的時期還不明確，我們可以期待下。

尼康，ArF液浸打磨

說完了佳能，再來聊聊尼康。尼康在上世紀末是當之無愧的光刻機巨頭，從 80 年代後期至本世紀初，尼康光刻機市場占有率超50%，代表着當時光刻機的最高水平。這點從尼康官網半導體光刻系統歷史發展也可以看出，1980年出貨 NSR-1010G（分辨率：1.0 µm），從1984年開始，幾乎每年都會出貨至少1款光刻機。

到了1999年，除了推出世界第一台乾式ArF掃描儀NSR-S302A（分辨率≦180 nm）外，尼康還推出了NSR-SF100（分辨率≦400nm）；NSR-S204B（分辨率≦150nm）；NSR-2205i14E2（分辨率≦350nm）；NSR-S305B（分辨率≦110nm）四款設備，銷售的半導體光刻系統數量達到 6,000 台。

圖源：尼康

那時候尼康的光輝事跡密密麻麻可以寫滿了好幾頁，不過，和佳能一樣，本世紀初的那場乾濕路線之爭成為了轉折點。如今的尼康雖然憑藉多年技術積累位居光刻機二線供應商地位，但份額已經極大的縮小了。2021年度，Nikon光刻機業務營收約112億元人民幣，出貨了29台集成電路用光刻機，較2020年減少4台。

目前，在光刻機技術方面，尼康主推ArF浸沒式技術，大部分精力都在Arf和i－line光刻機領域。ArF光刻機也就是DUV光刻機，光源波長達到193nm，波長的限制使得DUV無法實現更高的分辨率，因此DUV只能用於製造7nm及以上製程的芯片。

不過這也說明了，相比佳能，尼康的光刻機更先進一點。雖然DUV光刻機也是ASML的專場，但尼康仍然有野心追趕ASML，專注於研發ArF液浸。尼康官網提到下一代光刻系統是這麼說的：隨着小型化的進展，達到了阻止現有光刻技術處理較小尺寸的理論障礙，這個問題的解決方案是浸入式光刻技術，尼康將其整合到其半導體光刻系統中。

尼康常務執行董事濱谷正人曾斷言，「ArF液浸作為尖端曝光裝置使用的電路尺寸是主戰場」。2018年，尼康推出了NSR-S635E ArF 浸沒式掃描儀，該光刻機專為5nm工藝製程量產而開發，確保出色的聚焦穩定性並最大限度地減少缺陷以提高產量，以每小時高達 275 個晶圓的超高通量優化可負擔性。

圖源：尼康

到了2021年10月，尼康宣布開發NSR-S635E進階版——NSR-S636E ArF 浸沒式掃描儀，將提供卓越的覆蓋精度和超高吞吐量，以支持最關鍵的半導體設備的製造，預計將於 2023 年開始銷售。雖然尼康並未公布S636E更多的參數，但是作為NSR-S635E進階版，量產5nm芯片應該不在話下。

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台，將比2021年度的預測上增加13台以上，達近10年最高銷量。此外，尼康今後將以物聯網的發展為背景，建設半導體新工廠，預計到2024年度為止，銷售台數都將保持穩定。

圖源：雅虎

結合尼康下一代光刻機的推出時間，我們可以期待兩年後的尼康會有怎樣的變化。

寫在最後

如果你來自未來，或許那時候的芯片產業已經成功邁入了埃米時代，回頭再看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們所為之做出的努力。但要記得，在當下，在2022年，他們仍在探索着摩爾定律的「續命之道」。

而這條路，道阻且長。

*免責聲明：本文由作者原創。文章內容系作者個人觀點，半導體行業觀察轉載僅為了傳達一種不同的觀點，不代表半導體行業觀察對該觀點讚同或支持，如果有任何異議，歡迎聯繫半導體行業觀察。

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