ASML光刻机与台积电

近年来,我国虽然在科技研发上取得了多项重大进步,但在芯片研发和制造领域却亟待突破,特别是在新冠疫情之后,全球新一轮的“芯片荒”来袭造成了产业链对于芯片供不应求的问题,我国想要推进独立自主的芯片研发,光刻机的生产制造就显得尤为重要。

ASML光刻机与台积电
DUV光刻机

随着半导体制程节点的不断提升,光刻机激光波长也在不断的缩小,从436nm、365nm的近紫外(NUV)激光进入到246nm、193nm的深紫外(DUV)激光,现在DUV光刻机是目前大量应用的光刻机,波长是193nm,从45nm到10nm甚至是7nm工艺都可以使用这种光刻机,但7nm这个节点已经是DUV光刻的极限了, 台积电的第三代7nm引入了极紫外光刻工艺,而三星与Intel则计划直接采用极紫外光刻工艺来生产7nm芯片。

EUV光刻机供不应求,是台积电、Intel及三星这三家半导体厂商争夺的焦点,在这场光刻机争夺战中,台积电的EUV光刻机数量遥遥领先三星,据统计,ASML近年来一共量产了100台左右的EUV光刻机,其中供应给台积电的就有70台,占了绝大多数份额,多数都是在最近一年中交付的。

ASML光刻机与台积电
芯片“三玩家”

 

光刻机

光刻机(Mask Aligner) 又名:掩模对准曝光机,曝光系统,光刻系统等,是制造芯片的核心装备。它采用类似照片冲印的技术,把掩膜版上的精细图形通过光线的曝光印制到硅片上。

光刻工艺的作用是将掩膜版(光刻版)上的几何图形转移到晶圆表面的光刻胶上。首先光刻胶处理设备把光刻胶旋涂到晶圆表面,再经过分步重复曝光和显影处理之后,在晶圆上形成需要的图形。原理示意图如下:

ASML光刻机与台积电
光刻工艺

 

ASML与台积电

二十年前,ASML还只是光刻机领域的小角色,当时处于光刻机市场霸主地位的是日本厂家Nikon。随着半导体制程节点的不断提升,光刻机激光波长也在不断的缩小,从436nm、365nm的近紫外(NUV)激光进入到246nm、193nm的深紫外(DUV)激光,但在65 纳米技术节点上遇到了困难,当时的光刻机的光源波长被卡死在193nm,是摆在全产业面前的一道难关,也试验了很多技术(如157nm干式光刻技术等)但都无法很好的突破这一难题。

Nikon主张采用157纳米的F2激光。美国牵头的EUV联盟主张采用十几纳米的极紫外光。但当时的光源技术没有取得突破,无法满足这两种方案。半导体发展遇到了障碍停止不前,整个行业都在绞尽脑汁,苦苦摸索。正当业界一筹莫展时,时任台积电研发副总经理的林本坚却另辟蹊径,提出了一个脑洞大开的方案。

ASML光刻机与台积电
时任台积电研发副总经理的林本坚

光源技术突破不了,没办法降低光的波长,林本坚则是另辟蹊径,通过介质来降低波长。传统的光刻技术中,其镜头与光刻胶之间的介质是空气,而如果在光刻机投影物镜最后一个透镜的下表面与硅片上的光刻胶之间充满高折射率的液体,利用光通过液体介质后光源波长缩短来提高分辨率,光经液体介质的折射,波长降为134nm,这样投射到硅片的图案分辨率更清晰,芯片密度可以达到更高。

ASML光刻机与台积电

林本坚拿着这项「沉浸式光刻」方案,跑遍美国、德国、日本等国,游说各家半导体巨头,但都吃了闭门羹。

当时还是小角色的ASML(1984年飞利浦和一家小公司ASM Internationa以各占50%股份组成的合资公司,最初员工只有31人)决定赌一把,相比之前在传统干式微影上的投入,押注浸润式技术更有可能以小博大。于是 ASML 和林本坚一拍即合,并与台积电形成同盟,仅用一年多的时间,就在2004年拼全力赶出了第一台样机,并先后夺下 IBM 和台积电等大客户的订单。

ASML崛起

光刻起初并不是高科技,半导体公司通常自己设计工装和工具,比如英特尔开始是买16毫米摄像机的镜头拆了用。只有GCA、K&S和Kasper等很少几家公司有做过一点点相关设备。

60年代末,日本的尼康和佳能开始进入这个领域,毕竟当时的光刻不比照相机复杂。在那个芯片制程还停留在微米的时代,能做光刻机的企业,少说也有数十家,而尼康凭借着相机时代的积累,在那个日本半导体产业全面崛起的年代,成为了当之无愧的巨头。短短几年,尼康就将昔日光刻机大国美国拉下马,与旧王者GCA平起平坐,拿下三成市场份额。

当时的美国政府将EUV技术视为推动本国半导体产业发展的核心技术,并不太希望外国企业参与其中,更何况是八九十年代在半导体领域压了美国风头的日本。但EUV光刻机又几乎逼近物理学、材料学以及精密制造的极限。光源功率要求极高,透镜和反射镜系统也极致精密,还需要真空环境,其配套的抗蚀剂和防护膜的良品率也不高。别说日本与荷兰,就算是美国,想要一己之力自主突破这项技术,可以说是比登天还难,毕竟美国已经登月了。

最后,ASML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。另外,还保证55%的零部件均从美国供应商处采购,并接受定期审查。错失EUV的尼康,逐渐失去机会,最终让ASML在EUV光刻机领域一家独大。

ASML光刻机与台积电

在2015年,第一台可量产的EUV样机正式发布,这意味着在7nm以下的先进工艺节点,ASML 再无对手!


参考:https://36kr.com/p/1150254137590921

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