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ASML EUV工厂探秘 HigH NA EUV光刻机首度亮相

 

一、光刻机为何如此重要?

近年来,随着全球数字化、智能化进程的加速,全球对于半导体的需求呈现快速增长的态势。

根据半导体研究机构IC Insights 预计,2021年全球半导体产值跃升至6140亿美元,同比大涨25%。2022年全球半导体产值有望达6806亿美元规模,同比将增长11%,创历史新高纪录。

面对旺盛的半导体需求,目前全球的主要的半导体制造商也在纷纷扩大产能,由此也推升了对于半导体制造设备需求增长。

根据SEMI的预测数据显示,预计2021年原始设备制造商的半导体制造设备全球销售总额将达到1030亿美元的新高,比2020年的710亿美元的历史记录增长44.7%。预计2022年全球半导体制造设备市场总额将扩大到1140亿美元。

半导体制造设备可以分为前道设备和后道设备。其中,前道制造设备主要包括光刻机、涂胶显影设备、刻蚀机、去胶机、薄膜沉积设备、清洗机、CMP设备、离子注入机、热处理设备、量测设备;后道制造设备主要包括减薄机、划片机、装片机、引线键合机、测试机、分选机、探针台等。

有统计数据显示,光刻工艺是晶圆制造过程中占用时间比最大的步骤,约占晶圆制造总时长的40%-50%。可以说,如果没有光刻机,芯片便无法制造。

如果以各类晶圆制造设备在产线当中的投资额占比来看,光刻机也是目前晶圆制造产线中成本最高的半导体设备,约占晶圆生产线设备总成本的27%。

目前能够制造7nm以下先进制程的EUV光刻机,一台售价约2亿美元,只有ASML一家能够供应,且产能有限。

可以制造2nm先进制程的ASML的新一代高数值孔径 (High-NA) EUV光刻机EXE:5500的售价将更是高达3亿美元。

二、光刻机市场的霸主是如何炼成的?

1、诞生

ASML的前身是荷兰电子巨头飞利浦的光刻设备研发部门,曾在1973年成功研发出了新型光刻设备(PAS2000的原型),在整体性能研发方面取得一定成功,但由于成本高昂,且存在一系列技术问题,未能最终推出。

同时,由于其他设备商在解决接触式光刻机的缺陷问题上用不同的技术路径取得了突破,飞利浦一度计划要关停光刻设备研发部门。

不过,随后另一家半导体设备厂商ASMI希望与飞利浦合作开发生产光刻机,于是在1984年,双方分别出资约210万美元成立了ASML。

自2013年起担任ASML的首席执行官的彼得·温宁克(Peter Wennink),虽然早在1999年就加入了ASML,但那已是在ASML成立的15年后。

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△ASML最初的办公地点

“那时ASML经济困难,没有资金,我们很穷。因为飞利浦公司太大了,没有人看重这个小公司,他们试图做一些疯狂的事情,所以他们忽略了我们。”温宁克说到。

△彼得·温宁克(Peter Wennink)

在当时的光刻机市场,ASML也还只是一个“无名小卒”。

资料显示,当时市场主要被美国GCA和日本的尼康所占据,二者分别占据了约30%的市场,Ultratech占比约10%,剩下的市场则被Eaton、P&E、佳能、日立等厂商瓜分,不过他们的份额均不到5%。

2、发展

尽管如此,在成立的第一年,ASML成功地推出了首款步进式光刻机PAS2000(基于1973年推出光刻设备的进一步完善,飞利浦最初的210万美注资中有180万美元就是用尚未研发完成的PAS2000充当的)。

不过,PAS2000采用的是油压驱动,技术落后于当时的同行。

△PAS2000

1986年,ASML改进了对准系统,推出了PAS2500/10步进型光刻机,同时与德国镜头制造商卡尔蔡司(Carl Zeiss)建立了稳定的合作关系。

1988年,ASML跟随飞利浦在台湾的合资流片工厂台积电开拓了亚洲业务,彼时,刚刚成立不久的台积电为ASML带来了急需的17台光刻机订单,使得ASML的国际化拓展初见成功。与台积电的深度合作,也为此后ASML的高速发展奠定了基础。

当时,ASML在美国有五个办事处,共有84名员工,并在荷兰维尔多芬(Veldhoven)设立了一个新的据点,最终成为该公司的总部。

1990年左右,ASML推出PAS5500系列光刻机,这一设计超前的8英寸光刻机,其采用了模块化设计的光刻系统,可以在同一平台上生产多代先进IC。

该平台的完全模块化设计使芯片制造商能够随着技术需求的增加升级系统,并具有业界领先的生产效率和精度,成为了ASML当时扭转局势的重要产品。

△PAS5500

PAS5500不仅为ASML带来台积电、三星和现代等关键客户,凭借PAS5500的优势持续获得客户的认可,也为ASML带来了市占率的持续提升和丰厚的盈利。到1994年时,ASML在全球光刻机市场的市占率已经提升至18%。

1995年,ASML分别在阿姆斯特丹及纽约纳斯达克上市。ASML利用上市募集的资金开始进一步加大研发投入并扩大生产规模,扩建了位于荷兰埃因霍温的厂房,现已成为ASML的总部。

3、超越

如果说PAS5500的成功,让ASML成功在光刻机市场有了重要的一席之地,那么ASML在浸没式光刻技术上的成功,则一举击败尼康等头部光刻机厂商,成为全球光刻机市场的龙头老大。

在2000年之前,光刻设备中一直采用的是干式光刻技术,虽然镜头和光源等一直在改进,但始终难以将光刻光源的193nm(DUV,深紫外光)波长缩短到157nm,从而进一步提升光刻机的分辨率。

直到2002年,时任台积电研发副总的林本坚博士提出了一个简单解决办法:放弃突破157nm,退回到技术成熟的193nm,把透镜和硅片之间的介质从空气换成水,由于水对193nm光的折射率高达1.44,那么波长可缩短为193/1.44=134nm,从而可以大幅提升光刻分辨率。

从以下公式可以看到,光刻分辨率(R)主要由三个因数决定,分别是光的波长(λ)、镜头半孔径角的正弦值(sinθ)、折射率(n)以及系数k1有关。

在光源波长及k1不变的情况下,要想提升分辨率,则需要提升n或者sinθ值。由于sinθ与镜头有关,提升需要很大的成本,目前sinθ已经提升到0.93,已很难再提升,而且其不可能大于1,所以提升n就显得更为现实。

因此,在原有的193nm光刻机系统当中增加浸没单元,利用超纯水替换透镜和晶圆表面之间的空气间隙(水在193nm波长时的折射率n=1.44,空气为1),使得光源进入后波长缩短,从而提升光刻分辨率。

基于与台积电的长期深度合作,以及希望通过弯道超车来对尼康等走干式光刻技术路线的头部光机厂商的赶超,ASML当时选择了与台积电合作,走浸没式光刻路线,在2003年开发出了首台浸没式光刻机样机TWINSCAN AT:1150i,成功将90nm制程提升到65nm。

2006年,ASML首台量产的浸入式设备TWINSCAN XT:1700i发布。2007年,AMSL又推出了首个193nm的浸没式系统TWINSCAN XT:1900i。

相对于走干式157nm光刻机路线进行迭代研发的尼康等厂商来说,ASML 193nm浸没式光刻机由于是基于原有的成熟的平台进行改进,不仅成本更低、优化升级更迅速,而且精度更高,良率也更高,受到了客户的普遍欢迎。这也使得ASML通过浸没式光刻机成功实现了技术及市场的双重领先。

虽然尼康后期也开始转向浸没式光刻系统,但是由于时间进度上的大幅落后,也导致了其难以在浸没式光刻系统上实现对ASML的追赶,此后开始迅速走向没落。

4、称霸

使用193nm ArF光源的干式光刻,其可以生产的半导体工艺节点可达45/40nm,而进一步采用浸没式光刻、配合比较激进的可制造性设计(DfM)等技术后,可以生产28nm工艺节点的芯片。而要在193nm浸没式光刻的基础上,进入到更高端制程,就必须采用多重曝光,但其半导体工艺制程也只能达到7nm左右的极限。

虽然193nm浸没式光刻技术解决了此前干式光刻技术面临的光刻光源的波长难以进一步缩短的问题,但是随着工艺制程的继续推进,要想继续提升光刻分辨率,如果不能进一步缩短光源波长,就必须采用多重曝光,

然而使用多重曝光会带来两大新问题:一是光刻加掩膜的成本上升,而且影响良率,多一次工艺步骤就是多一次良率的降低;二是工艺的循环周期延长,因为多重曝光不但增加曝光次数,而且增加刻蚀(ETCH)和机械研磨(CMP)工艺次数等。同时,即便采用了多重曝光,对于193nm浸没式光刻机来说,制造7nm工艺节点的芯片也已经是极限。

所以,如果要推动半导体制程继续往5nm及以下走,最为直接的方法就是采用新的波长为13.5nm的EUV(极紫外光)作为曝光光源(仅是193nm的1/14),不仅可以使得光刻的分辨率大幅提升,同时也不再需要多重曝光,一次就能曝出想要的精细图形,而且也不需要浸没系统,没有超纯水和晶圆接触,在产品生产周期、OPC的复杂程度、工艺控制、良率等方面的优势明显。

得益于通过193nm浸没式光刻机系统在市场大获成功,成为全球领先光刻机厂商之后,ASML很快又投入了全新的EUV光刻机的研发。

2010年,ASML首次发售概念性的EUV光刻系统NXW:3100,从而开启EUV光刻系统的新时代。

但是EUV光刻机的研发不仅耗资巨大,即使研发成功,其单价也是高的惊人(单台售价超过1亿美元),仅有少数晶圆制造商能够负担的起(目前全球也仅有5家厂商在用EUV光刻机),主要给ASML带来了巨大的压力。

为了继续推动EUV光刻系统的研发,2012年ASML提出“客户联合投资专案”(Customer Co-Investment Program), 获得其主要客户英特尔、台积电、三星这三大全球晶圆制造巨头的支持,ASML以23%的股权从这三家客户那里共筹得53亿欧元资金,以投入EUV光刻系统的研发和量产。

2013年,ASML发售第二代EUV系统NXE:3300B,但是精度与效率不具备10nm以下制程的生产效益;2015年ASML又推出第三代EUV系统NXE:3350。

2016年,第一批面向制造的EUV系统NXE:3400B开始批量发售,NXE:3400B的光学与机电系统的技术有所突破,极紫外光源的波长缩短至13nm,每小时处理晶圆125片,或每天可1500片;连续4周的平均生产良率可达80%,兼具高生产率与高精度。

2019年推出的NXE:3400C更是将产能提高到每小时处理晶圆175片。目前,ASML在售的EUV光刻机包括NXE:3300B、NXE:3400C两种机型。

据ASML介绍,对于EUV光刻机的研发,ASML总计花了90亿美元的研发投入和17年的研究,才最终获得了成功。

凭借着英特尔、台积电、三星着三大头部客户的强力支持,再加上ASML自身在EUV光刻领域的持续研发投入,以及在EUV光刻设备上游的关键器件和技术领域的多笔收购及投资布局,使得ASML多年来一直是全球EUV光刻机市场的唯一供应商。

1997年,英特尔牵头创办了EUV LLC联盟,随后ASML作为唯一的光刻设备生产商加入联盟,共享研究成果。

1999年6月,ASML收购MicroUnity Systems Engineering Inc. 业务部JMaskTools,使得公司在先进技术节点方面可以提供最完整的解决方案,改善了公司光刻机的扫描和成像能力,显著增加了聚集深度,扩大了光刻窗口,提高了芯片产量。

2001年5月完成对Silicon Valley Group,Inc. (SVG) 的收购,获得了投影掩罩瞄准技术、扫描技术,极大的提升了公司产品的技术,并在美国拥有了研发生产基地。

2007年3月,ASML完成了收购光刻解决方案提供商Brion Technologies, Brion的计算光刻技术(设计验证,分辨率增强技术RET以及光学邻近效应修正OPC)能使半导体制造商得以对制作出的集成电路图形进行仿真,并可更正掩模图形,从而优化制造工艺,提高成品率。

2013年5月30日,ASML以25亿美元完成了对美国准分子光源提供商Cymer公司的收购,为ASML量产EUV光刻系统起决定性作用。

不过,需要指出的是,美国政府同意ASML收购Cymer是有条件的,ASML需同意在美国建立一所工厂和一个研发中心,以此满足所有美国本土的产能需求。同时,ASML还需要保证Cymer的产品的55%的零部件均从美国供应商处采购,并接受定期审查。这也为美国后续阻挠ASML对中国大陆出口EUV光刻机埋下了伏笔。

2016年11月5日,AMSL收购了卡尔蔡司半导体制造技术公司(Carl Zeiss SMT)的24.9%股权,以强化双方在半导体微影技术方面的合作,研发下一代Hig NA EUV光刻系统。

2016年11月22日,ASML完成对汉微科Hermes Microvision收购,以强化对半导体制造商的高科技服务。

以上这些收购和投资,使得ASML几乎控制了整个EUV光刻机上游的关键环节,为其长期独霸EUV光刻机市场奠定了坚实的基础。凭借着在浸没式光刻机及EUV光刻机市场的成功,ASML最终成为了全球光刻机市场的绝对霸主。

根据统计数据显示,2020年全球半导体光刻机总销量约413台,销售额约130亿美元,其中用于晶圆制造的基本均为ASML、尼康和佳能三家公司的产品。

如果以销量来看,ASML销售258台占比62%(其中EUV光刻机出货量已经达到 31台),佳能销售122台占比30%,尼康销售33台占比8%;如果以销售额来看,ASML的份额高达近90%。

三、ASML EUV光刻机工厂揭秘

CNBC在本月初的时候参观了ASML位于荷兰维尔多芬(Veldhoven)总部的EUV光刻机工厂。据介绍,该工厂占地约50000平方米,共有1500名员工,他们正在7 x 24小时轮班工作,ASML销售到全球各地的EUV光刻机均由该工厂进行总装生产。

据ASML介绍整部EUV光刻机是由“照明光学模组”(Illuminator)、“投影光学模组”(Projection optics)、“光罩传输模组”(Reticle Handler)、“光罩平台模组”(Reticle Stage)、“晶圆传送模组”(Wafer Handler)、“晶圆平台模组”(Wafer Stage)及“光源模组”(Soure)这七大模组组成。

其中,EUV光源被称为激光等离子体光源,是通过30千瓦功率的二氧化碳激光器每秒2次轰击雾化的锡(Sn)金属液滴(锡金属液滴以每秒50000滴的速度从喷嘴内喷出),将它们蒸发成等离子体,通过高价锡离子能级间的跃迁获得13.5nm波长的EUV光线。

△EUV激光系统

△锡金属液滴以每秒50000滴的速度从喷嘴内喷出,通过二氧化碳激光器激光进行轰击,产生EUV光线

由于EUV光线波长非常短,所以它们会很容易被空气吸收,所以整个EUV光源的工作环境需要被抽成真空。

同时,EUV光线也无法被玻璃透镜折射,必须以硅与钼制成的特殊镀膜反射镜,来修正光的前进方向,而且每一次反射仍会损失不少的能量,导致最终到达晶圆的光子只有原来的约5%左右(ASML公布的最新数据)。

为此,ASML与德国光学公司蔡司(Zeiss)合作,由该公司来生产世界上最平坦的镜面,以使得EUV光线经过多次反射后能够精准的投射到晶圆上。

△蔡司的反射镜

据ASML EUV工厂工程总监Mike LaBelle介绍,EUV光刻系统当中的蔡司的反射镜的平整度是令人难以置信的。“如果将这个反射镜放大到我们所在国家的大小,那么EUV光线最大的撞击在这个国家大小的镜面上的只有大约一毫米。”

ASML EUV工厂工程总监Mike LaBelle

台积电也曾表示,“目标必须非常精确,这相当于从月球发射EUV激光,击中地球上的一枚硬币。”

此外,CNBC还参观了位于美国圣地亚哥的ASML生产光源的子公司Cymer的洁净室。

ASML工厂探秘:3亿美元一台的EUV光刻机首次亮相

据ASML制造业务高级经理Pete Mayol介绍,他负责这个生产EUV光源的洁净室已经六年了。下图中的设备上部就是储存“锡”的地方,下方则是喷射“锡滴”的喷嘴。

ASML工厂探秘:3亿美元一台的EUV光刻机首次亮相

“如果任何一种有缺陷的颗粒出现,甚至出现在毛细管的顶端,那就意味着失败。我们将移除并重新开始。”Pete Mayol说到。

ASML工厂探秘:3亿美元一台的EUV光刻机首次亮相

△喷射“锡滴”的喷嘴

四、庞大的供应链体系与共生关系

ASML公布资料显示,一部EUV光刻机的长度超过10米、高度达2层楼的EUV,每台有超过10万个零件,加上3000条线缆、4万个螺栓及2公里长的软管等零组件,最大重量达180吨。

其中的7大模块,每个模块则是由ASML全球六个生产基地之一制造(涵盖了全球60个工厂),然后运送到荷兰Veldhoven进行测试总装,然后再将其拆开装运,需要20辆卡车或3架满载的波音747飞机。

需要指出的是,ASML的EUV光刻机的10万多个零件,涉及到来自超过40多个国家的5000多家供应商。机器内部结构和零部件极为复杂,对误差和稳定性的要求极高,并且这些零件几乎都是定制的,90%零件都采用的是世界上最先进技术,85%的零部件是和供应链共同研发,甚至一些接口都要工程师用高精度机械进行打磨,尺寸调整次数更可能高达百万次以上。

虽然在DUV光刻机领域,除了ASML之外,还有尼康和佳能这两家供应商可以选择,但是在EUV光刻机领域,ASML一直是唯一的选择。

有专家表示,任何其他公司都可能需要几十年的时间才能迎头赶上,这不仅是因为ASML的专有技术,还因为它与近800家供应商达成了复杂的、往往是独家的交易。

“我们对客户来说是独一无二的,就像我们的一些供应商对我们来说是独一无二的一样。有些人说,那些几乎共生的关系比结婚更糟糕,因为你不能离婚。”温宁克说到。

自2020年四季度以来,全球爆发了全面的“缺芯”危机,促使众多的晶圆制造商开始积极的扩产以提升产能,而这些厂商大都需要采购ASML的光刻机。为此ASML也在努力的提升产能,但是ASML的供应商同样也遇到了缺芯问题。

“我们收到了很多来自供应商的信息,他们说,‘嘿,我们可能会延迟向你们交付模块,因为我们无法获得芯片。’同样对于我们来说,如果我们不能得到芯片,我们也就不能制造更多的机器来制造更多的芯片。所以这里有一个陷阱。我们还在努力,祈祷好运。但这是一场持久的斗争。我认为ASML的产能未来会跟上需求,也许增长甚至会超过他们的目标,这是可能的。”

温宁克进一步指出:“世界需要更多的芯片,所以我们需要制造更多的机器。虽然我们的机器的平均售价会持续增长,但是我们能够持续降低单位晶体管的制造成本,这正是我们过去38年来一直在做的事情。在接下来的几十年里,我们将继续这样做。”

ASML工厂探秘:3亿美元一台的EUV光刻机首次亮相

根据财报数据显示,在2021年,ASML出售了42台EUV机器,使其ASML光刻机的EUV光刻机总出货量达到140台左右。

由于每台机器的售价高达近2亿美元,目前只有五家客户有能力购买ASML的EUV系统,包括美光、SK Hynix、三星、英特尔和台积电,而最后三家厂商占ASML业务的近83.7%。

ASML工厂探秘:3亿美元一台的EUV光刻机首次亮相

五、单价超3亿美元,HigH NA EUV光刻机已售出四台

由于EUV光刻系统中使用的极紫外光波长(13.5nm)相比DUV 浸入式光刻系统(193 nm)有着显着降低,多图案 DUV 步骤可以用单次曝光 EUV 步骤代替。可以帮助芯片制造商继续向7nm及以下更先进制程工艺推进的同时,进一步提升效率和降低曝光成本。

自2017年ASML的第一台量产的EUV光刻机正式推出以来,三星的7nm/5nm工艺,台积电的第二代7nm工艺和5nm工艺的量产都是依赖于0.55 数值孔径的EUV光刻机来进行生产。

目前,台积电、三星、英特尔等头部的晶圆制造厂商也正在大力投资更先进的3nm、2nm技术,以满足高性能计算等先进芯片需求。而3/2nm工艺的实现则需要依赖于ASML新一代的高数值孔径 (High-NA) EUV光刻机EXE:5000系列。

ASML工厂探秘:3亿美元一台的EUV光刻机首次亮相

ASML目前正在开发当中的高数值孔径 (High NA) EUV光刻机是基于 0.33 数值孔径透镜的 EUV 光刻系统的迭代产品,其具有 0.55 数值孔径的镜头,分辨率为 8 纳米。

而现有的0.33 数值孔径透镜的 EUV 光刻系统的分辨率为 13 纳米,使得芯片制造商能够生产3/2nm及以下更先进制程的芯片,并且图形曝光的成本更低、生产效率更高。

但是,High NA EUV光刻系统造价相比前代的EUV光刻机也更高了,达到了3亿美元。

在此次CNBC的采访当中,ASML似乎也是首次公开展示了High NA EUV光刻系统EXE 5000。不过,ASML并未介绍更多的细节信息。但从外形来看,High NA EUV光刻系统要比前代的EUV光刻系统高度更高。

ASML工厂探秘:3亿美元一台的EUV光刻机首次亮相

△High NA EUV光刻系统EXE 5000

值得注意的是,ASML总裁兼CEO温宁克透露,在2021年第四季度,ASML获得的价值为70.50亿欧元的新增订单当中,0.35 NA EUV光刻系统和0.55 NA EUV光刻系统的订单金额就达到了26亿欧元。

温宁克表示,ASML在2021年第四季度收到了一份TWINSCAN EXE:5000的订单。自2018年以来,ASML已经收到四份TWINSCAN EXE:5000的订单。

据了解,EXE:5000主要面向的是3nm工艺,而第二代的0.55 NA EUV光刻机TWINSCAN EXE:5200将会被用于2nm工艺的生产。

据温宁克透露,在2022年初,ASML已收到了下一代的TWINSCAN EXE:5200的第一份订单(来自英特尔),这标志着ASML在引入 0.55 NA EUV光刻的道路上又迈出了一步。

根据ASML的路线图,TWINSCAN EXE:5000将会在今年下半年出货,每小时可生产185片晶圆。而TWINSCAN EXE:5200将会在2024年底出货,每小时可生产超过220片晶圆。



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