EUV光刻技术隐秘往事:近40个国家入局,研发难度超原子弹

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编者按:本文来自微信公众号“魔铁的世界”(ID:jiangpeiyu0916),作者:魔铁,36氪经授权发布。

划重点:

1、从最终仅一国胜出的结果看,EUV光刻技术研发难度超过了原子弹。

2、2008 Sematech光刻论坛举办方让专家们就当时的各种光刻技术的市场前景投票,结果EUV光刻技术获得60%的认可,远超其它光刻技术方案。这无疑为系统集成商ASML打了一针鸡血。

3、欧美和日韩发达国家,之所以挤破头也要入局EUV光刻技术,主要是为了替本国的半导体产业抢购未来的车票。

以下为正文:

5月5日,中国最大的晶圆代工厂中芯国际宣布回归A股,确定科创板上市,拟发行16.86亿股份,募集的资金中,40%将投入14nm制程工艺项目。

中芯国际回归A股,表明未来融资通道将更为顺畅,可望缓解制程工艺提升路上的资金饥渴。但市场更关心的,是中芯国际何时能用上EUV光刻机?公司联席CEO梁孟松曾明确表示,后续的5nm、3nm制程工艺,是必须要有EUV光刻机的。

EUV光刻技术隐秘往事:近40个国家入局,研发难度超原子弹

一个不可忽略的现实是,由于EUV光刻机目前无法实现国产替代,已经成为未来国产芯片制程工艺迈向国际领先水平的制约因素。

问题来了,我们曾在一穷二白的条件下成功搞出“两弹一星”,为何迟迟没有研发出EUV光刻机?或者说,EUV光刻机的研发难度会超过原子弹?

01 近40个国家加入EUV光刻技术研发战团

EUV光刻技术的研发始于20多年前,前后有近40个国家加入战团,欧美发达国家几乎悉数入局。

行动最早的是美国。

早在1996年以前,美国即开始电子束和软X射线光刻技术研究,不过并没有商业目的,研究机构主要是国家实验室、AT&T和相关大学。

1997年,美国科技巨头们开始集体行动,英特尔联合AMD、摩托罗拉、美光、Infineon和IBM成立EUV光刻技术研发联盟。

到1999年时,EUV光刻技术的基础研究成为显学。这一年,EUV光刻技术被国际半导体技术发展路线图(ITRS)确定为下一代光刻首选技术,这就意味着,谁如果不参与到EUV光刻技术研发,谁就将在下一代芯片竞赛中自动弃权。

当时,全球芯片产业还是四分天下格局,美国巩固了CPU等逻辑芯片的霸主地位,欧洲芯片正在衰落,期望抓住一根转运的稻草,韩国和日本正为争夺存储芯片在市场大打出手,谁也不敢松口气。

于是,包括美国在内,欧洲、日本和韩国,个个撸起袖子,摩拳擦掌,都想要占领EUV光刻技术这个未来制高点:

  • 在美国,参与EUV光刻技术研究的超过50个单位,包括国家实验室、大学、科技公司等;

  • 欧洲下注最大,超过35个独立国家、大约110个研究单位,参与到EUV光刻技术研究中;

  • 日本起了个大早,EUV光刻技术研究始于1998年,却赶了个晚集,到2002年6月才成立EUV光刻技术系统研究协会,这或许和它存储芯片产业衰落有关;

  • 韩国在工商能源部(MOCIE)的支持下开展EUV光刻技术研究, 主要参加单位有 KERI (韩国电子研究社)、汉阳大学、韩国国民大学、三星浦项(Samsung Postech)、首尔大学等。

看起来赛道上热热闹闹,但要跑完全场并拿到冠军并不容易,因为这是一个难度系数超级高的比赛项目。

02 技术攻关路上,坑一个接着一个

EUV光刻技术的复杂和高难度,可以说,贯穿了基础研究、技术攻关和系统集成,真正的一条路难到底、没有任何近路可抄。

在EUV光刻技术攻关的路上,研究人员先后遇到光源、抗蚀剂和防护膜三大难题。更要命的是,过去的技术积累在这些难题面前很难派上用场,需要从零开始。

仅在EUV光源问题上,就让研究人员吃够苦头:

  • 几乎所有物质都能强烈吸收EUV,所以曝光必须在真空中进行,原来采用193nm光源的浸液式光刻机的曝光系统完全用不上;

  • 擅长制作透镜的蔡司的武功被废,因为传统透镜折射光线的方案容易吸收EUV能量,使其衰减到无法用于光刻,所以蔡司之前积累的透镜磨制技术被淘汰了,只能采用特殊镀膜的反射镜来改变和汇聚EUV,这就意味着开发成本和难度上升一个等级;

当然,上述难题和EUV光源功率的提升相比,还算比较容易的。

EUV光刻技术隐秘往事:近40个国家入局,研发难度超原子弹

EUV光源主要有两种,一种是LPP(激光等离子体)光源,是将锡或锑等物质的小液滴滴到激光上,受激发出EUV辐射;另一种是DPP(放电等离子体)光源,给放电气体加上高电压,使气体等离子化产生EUV辐射。

但无论哪一种光源,都面临一个问题,那就是转换效率太低了。

EUV光刻技术隐秘往事:近40个国家入局,研发难度超原子弹

按规定,EUV光刻机要满足商业化生产的要求,中心焦点处(IF)的EUV功率至少要达到115W,要大规模量产的话,EUV功率又必须提升到250W。注意,EUV功率不等于激光输出(或DPP光源中的电极放电)功率,后者转换成前者的效率很低。

转换效率是个大坑,搞不好的话,整个EUV光刻研究就会前功尽弃。

2005年,Powerlase公司在采用LPP光源转换EUV光源,激光输出功率为3.6KW,在中心焦点处仅得到最低10W、最高20W的EUV输出,即转换效率在0.28—0.56%之间。

按这个转换效率计算,要达到115W的EUV功率(光刻机规模化生产的功率要求),激光输出功率至少要达到41KW,如果按250W的商业化功率要求,激光输出的功率至少要达到89.3KW。

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89.3KW的激光输出功率,已经接近战术激光武器100KW的指标,别说当时,就是现在也不容易搞定。

2015年,洛克希德.马丁公司用开发的“雅典娜”激光炮烧毁了一英里外的卡车,而“雅典娜”的激光输出功率只有30KW。

目前美驱逐舰上的激光炮也就是30KW输出级别(下图)。

EUV光刻技术隐秘往事:近40个国家入局,研发难度超原子弹

“雅典娜”激光炮

而美军计划开发的是100KW级别激光炮,就是下图中的那货。

EUV光刻技术隐秘往事:近40个国家入局,研发难度超原子弹

美军战术级激光武器

换句话说,在2005年,还根本无法为EUV光刻机量产41KW级别的激光源,可行的路子是提高能量转换效率。

4年之后即2009年,Cymer公司的EUV光源功率可以达到100W,接近商业化指标,同时一举超越日本公司,成为ASML的光源模组供应商。

正是由于EUV光刻技术研发难度超高,最终修成正果的也就美国这一脉,其他国家沦为陪跑。从这个角度看,EUV光刻技术研发难度确实超过原子弹。

03 EUV光刻机市场容量一般?

EUV光刻机现已进入批量生产阶段,英特尔、台积电和三星均收到机器。由于价格昂贵(每部售价大约1.25亿美元)、技术含量极高(集人类目前最尖端的材料、精密机械和光电科技于一身),加之我国的EUV光刻机拥有量为零(台积电除外),因此有关它的新闻往往牵动人的神经。

加之全球就荷兰ASML能制造EUV光刻机,难免会有人想,如此垄断地位,ASML一定数钱数到手抽筋了吧。

还真不敢这么说。

最大的问题是市场容量有限。

目前,EUV光刻机的主要用户是三星、英特尔和台积电,最多加上中芯国际,一只手都能数过来。客户数量屈指可数,客户的下单数量同样不大。根据ASML的财报数据,2019年出货26台EUV光刻机,预计2020年出货35台。考虑到现在除台积电外,EUV光刻机在其它芯片厂还处于试生产期,加上疫情拖累,乐观估计2021年可能是EUV光刻机在三大厂大规模生产的时间节点。

这种情况下,EUV光刻机的需求是否会爆单呢?

也不会。

按ASML给出的数据,一台EUV光刻机每月能处理4.5万片12英寸晶圆,再结合三星、台积电和英特尔的产能需求估算,未来6年的EUV光刻机总需求量不超过600台,每年需求量最多不超过100台。

这就产生另一个问题,有限的市场容量能否支撑EUV光刻技术的研发成本?

答案是,很不乐观。

04 回报一般,为何仍争相入局?

按每台EUV光刻机售价1.25亿美元算,每年最多销售100台计算,ASML每年的EUV光刻机业务销售额最多125亿美元,合人民币875亿元左右。而20年来,EUV光刻技术的研发总费用(包括基础研究、技术攻关和系统集成)早不止千亿元人民币了。

实际上,EUV光刻技术的研发成本一直是个绕不开的话题,由于费用太高(至今没有具体统计数据),在2008 Sematech光刻论坛举行的小组讨论会上,专家们开始认识到,应采用何种商业运作模式,以回收巨额的先期研发投入,如何进行利益分配和成本控制,以及如何扫除光刻技术前进道路上的障碍。

为验证EUV光刻技术的前景,减少风险,论坛举办方让专家们就当时的各种光刻技术的市场前景投票,结果EUV光刻技术获得60%的认可,远超其它光刻技术方案。这无疑为系统集成商ASML打了一针鸡血。

EUV光刻技术隐秘往事:近40个国家入局,研发难度超原子弹

从EUV光刻技术最后的竞赛结果看,仅美国这一脉修成正果,其他30多个国家都在陪跑,最大的收益是融入英特尔和ASML主导的EUV光刻机产业链,可以说EUV光刻技术是投资回报一般的项目。

既然如此,为何有近40个国家还要挤破头入EUV光刻技术的局?

答案是,EUV光刻技术可以拉动一国的半导体产业。

193nm浸液式光刻技术的极限分辨率是10nm(晶体管密度相当于台积电的7nm),跳过这道鸿沟,就可以继续推进摩尔定律,享受全球芯片市场的头部收益,同时拉动一国的半导体产业升级。

这就是欧美和日韩发达国家挤破头也要入局的原因,押注EUV光刻技术,等于为本国的半导体产业抢购未来的车票。

从最终的结果看,抢跑的美国成为最终的胜出者,好比抢到一等票,其它国家和地区虽然沦为陪跑,但凭借各自的研发成果和技术实力,不同程度嵌入了EUV光刻机(EUV光刻技术的产物)的产业链条中,比如荷兰的ASML成为EUV光刻机系统集成商,日本、韩国则在抗蚀剂、防护膜、掩膜等细分领域分得一席之地,相当于抢到了二三等票或站票。

未入局的,则只能在车外观望。

可以说,在高科技的研发竞争中,拼的是投入和实力,没有近路可抄,更没有弯道超车。

参考资料

《极紫外光EUV光刻技术促进半导体格局新变化》,作者/莫大康;

《EUV光刻技术的难点分析》,作者/Mark LaPedus;

《向商业化迈进的极紫外(EUV)光刻技术》,作者/EPE编辑部。

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