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ArF是什么光刻机,为什么格科微能成功引进?

时间:2022-03-30 11:52:40 作者:Challey 阅读:
在当前中国芯片高端技术被欧美封锁的情况下,中国半导体厂商格科微能够成功引进先进光刻机,确实不容易。那么,其引进的ArF光刻机到底是什么光刻机?与DUV光刻机和EUV光刻机的关系和区别又是什么?
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2022年3月24日,格科微电子(上海)有限公司(上证股票:688728)成功把整套ASML光刻机中的关键设备:先进ArF光刻机MOVE IN(搬入)。

3月27日,格科微电子正式宣布: “12英寸CIS集成电路特色工艺研发与产业化项目”推进迅速。

在当前中国芯片高端技术被欧美封锁的情况下,中国半导体厂商格科微能够成功引进先进光刻机,确实不容易。那么,其引进的ArF光刻机到底是什么光刻机?与DUV光刻机和EUV光刻机的关系和区别又是什么?

ArF光刻机

ArF其实是一种光源,光刻机的常见光源和波长有:

紫外光(UV),g线:436nm;i线:365nm;

深紫外光(DUV),KrF 准分子激光:248 nm, ArF 准分子激光:193 nm;

极紫外光(EUV),10 ~ 15 nm

光刻机对光源系统的要求是:

1.适当的波长。波长越短,可曝光的特征尺寸就越小;波长越短,就表示光刻的刀锋越锋利,刻蚀对于精度控制要求越高,因为衍射现象会更严重。

2.足够的能量。能量越大,曝光时间就越短;

3.曝光能量必须均匀地分布在曝光区。一般采用光的均匀度、不均匀度、光的平行度等概念来衡量光是否均匀分布

常用的紫外光光源是高压弧光灯(高压汞灯),高压汞灯有许多尖锐的光谱线,经过滤光后使用其中的g 线(436 nm)或i 线(365 nm)。

波长更短的深紫外光光源,可以使用准分子激光。例如KrF 准分子激光(248 nm)、ArF 准分子激光(193 nm)和F2准分子激光(157 nm)等。

曝光系统的功能主要有:平滑衍射效应、实现均匀照明、滤光和冷光处理、实现强光照明和光强调节等。

光刻机分类

按照光源类型划分,光刻机不仅有极紫外光刻机(EUV),还有ArF浸没式光刻机、ArF干式光刻机、KrF光刻机、i-line设备等。

其中,ArF浸没式、ArF干式和KrF都属于深紫外线光刻机(DUV),EUV是目前最先进的光刻机,但DUV其实是当前半导体制造的主力,无论是图像传感器、功率IC、MEMS、模拟IC,还是逻辑IC,主要用DUV进行生产。

EUV光刻机主要用来生产7nm、5nm及以下的芯片,譬如苹果的A15、高通的Gen 1及以后系列芯片等。

因此,ArF光刻机指的就是DUV光刻机中的一种。

DUV与EUV光刻机的发展进程与区别

DUV:Deep Ultraviolet Lithography,是指深紫外线。

EUV:Extreme Ultraviolet Lithography,是指极深紫外线。

在芯片生产领域,DUV是早于EUV的,也是生命周期最长的,其到现在还有着大量的使用。DUV最初是由日本和荷兰研发出来的。

一、DUV光刻机发展

上世纪光刻机在发展过程中,ArF干法分化成两大路线之争,ArF湿法胜于F2。

2002年DUV技术在干法ArF后期演化成2条主要进化方向:

其一是用157nm的F2的准分子光源取代193nm的ArF光源。该方法较浸没式ArF更为保守,代表厂商是尼康和佳能。

其二,采用台积电林本坚的方案,依然使用193nm的ArF光源,但是将镜头和光刻胶之间的介质由空气改成液体。  

193nm的ArF光经过纯净水的折射后,等效波长为134nm,从而实现比F2光源更高的分辨率。

目前主流采用的纯净水的折射率为1.44,ArF加浸入技术实际等效的波长193nm/1.44=134nm

这也是为什么台积电需要大量的水的原因之一,见:《台积电缺水,世界缺芯

由于F2光源无法穿透水,因此无法和浸没式技术相结合,进一步提升分辨率。ArF湿法在光刻精度上胜于F2。

以ArF浸没式为切入点,ASML成为了DUV时代龙头。

2002年台积电林本坚提出ArF浸没式方案,随后ASML在2003年成功推出第一台浸没式光刻样机。尼康虽然在2006年也顺利推出ArF浸没式光刻机,但市场先机早已被ASML夺走。伴随着ASML和台积电ArF浸没式技术的成功,ASML和台积电实现了双赢。

在光刻机领域,ASML开始奋起反超Nikon;台积电也成为第一家实现ArF浸没式量产的公司。

因为ArF系列光刻机可用于制造7nm-130nm制程的芯片,而且该制程范围内的芯片超过全部芯片供应的60%,所以ASML的市场份额快速提高,自2006年超越尼康成为全球光刻机龙头以后,其行业领导地位维持至今。

因此,核心浸没式技术主要来自台积电,美国在DUV领域不能完全掌控,ASML向中国供应DUV光刻机也无需得到美国授权。

二、EUV光刻机发展

EUV技术起源于英特尔和美国政府牵头成立的EUV LLC联盟。

1997年,EUV LLC联盟成立,ASML后来才入局。ASML被美国从资本和技术方面完全渗透了。

1)EUV LLC联盟与ASML的入局

EUV LLC联盟汇聚了美国顶尖的研究资源和芯片巨头,包括劳伦斯利弗莫尔实验室、劳伦斯伯克利实验室、桑迪亚国家实验室三大国家实验室,联合IBM、AMD、摩托罗拉等科技巨头,集中数百位顶尖科学家,共同研究EUV光刻技术。

美国政府担心尖端技术落入外国公司,所以反对日本尼康的加入,而荷兰公司ASML表示将在美国建立工厂和研发基地等多个措施,并允许美国资本和英特尔入股后,才被允许加入EUV LLC联盟。

ASML加入EUV联盟后,于2007年收购美国Brion公司,获取了光刻技术,成功开启并购美国光刻企业之路。至此,美国开始在EUV技术方面渗入ASML。

2)ASML的发展和美国化

ASML于 1984年从飞利浦独立出来,当时的飞利浦是世界上最大的电子制造集团之一。

从飞利浦独立出来后,ASML公司只是一家名不见经传的小厂商,没有资金也没有技术。2007年之前,全球光刻机市场的霸主是日本的尼康和佳能,毕竟光刻被称为“现代光学工业之花”,日本的光学工业也极为发达。

荷兰ASML之所以能一举击败日本光刻巨头,台积电功不可没,当时的台积电想生产浸润式光刻机,却被尼康和佳能拒绝了,最终选择与ASML合作共同研发,当浸润式光刻机生产出来后,技术比日本的干式光刻机还要好。

随后,ASML订单大幅上涨,2007年成为全球光刻机市场的霸主,2009年夺得全球70%的市场份额,日本在光刻机领域就此没落。

ASML紧接着并购了美国Cymer、HMI等公司,增强了在光刻、光源、电子束检测等方面的技术储备。

随着ASML在DUV时代取得成功以及摩尔定律的逐渐放缓,美国计划后续用出资入股和技术渗透的形式牢牢把控ASML的后续EUV技术。2012年,英特尔、三星、台积电共同买入ASML 23%的股权,获得了ASML光刻机的优先供货权,成为了利益共同体。

经过多年的入股,英特尔、三星和台积电的合作关系已经非常深入,随后,三大股东逐渐卖出股份,换取大量现金收入。与此同时,华尔街资本开始购买ASML的股份,截至目前,荷兰ASML公司的第一大股东为美国资本国际集团,第二大股东为美国贝莱德集团。

因此,美国已在技术和资本层面渗入和掌控了ASML,并力推最先进的EUV光刻机,引导着技术方向。

3)最先进的EUV技术受控于美国

截止2020年末,ASML的EUV中有90%零部件来自进口,而且根据ASML加入EUVLLC的承诺,美国零部件需占比55%以上。同时,ASML的前三大股东均来自美国,合计掌握ASML近30%的股权。所以,ASML的EUV光刻机的实际控制方是美国而非荷兰。

DUV已经能满足绝大多数需求:覆盖7nm及以上制程需求。

DUV和EUV的区别

DUV和EUV最大的区别在于光源不同,从而导致分辨率也不同。EUV的光源波长为13.5nm,但最先进DUV的光源波只有193nm,较长的波长使DUV无法实现更高的分辨率,因此DUV只能用于制造7nm及以上制程的芯片。鉴于DUV涵盖了大部分数字芯片和几乎所有的模拟芯片。所以,完全掌握DUV技术就能在各类芯片领域有所建树。

随着先进制程向5nm及以下先进制程进化,EUV成为了刚需,EUV也成为未来光刻技术和先进制程的核心。

EUV作为5nm及更先进制程芯片的刚需,覆盖了手机SoC、CPU、GPU、1γ工艺DRAM等多种数字芯片。

EUV光刻机最基本的分辨率就是7纳米,理论上可以实现1纳米的制程工艺。

而DUV光刻机的最小分辨率只能达到7纳米,目前也只有台积电用DUV光刻机在2018年量产了7纳米制程工艺的芯片。

芯片技术与市场分布

前面说过,尽管EUV光刻机是芯片行业目前最尖端的技术,但5nm及以下的芯片主要用来生产苹果、高通、三星等手机及平板处理器,也主要集中在消费领域;其他60%以上的工业还不需要5nm及以下的芯片制程和技术,这类芯片主要由DUV光刻机生产。

同时,中国作为全球最大的制造基地,不仅仅是普通商品,在高端芯片的制造上也早已布局。

据统计,全球芯片产能的分布中,亚洲占据了75%,其中,中国达到37%,而美国只占12%。而欧美的很多经济包括芯片产业都离不开中国市场和中国制造。

结语

因此,尽管中国被严格禁止获得高端芯片技术,而格科微之所以能成功引入ASML的先进ArF光刻机,其原因,

并不是美国放松了制裁,

也不是看不上ArF这种DUV光刻,

而是因为,

一方面美国不掌握ArF(DUV)光刻机的主导权,ASML向中国出口DUV光刻机无需得到美国授权,

另一方面,中国的实力和广阔的市场也是ASML愿意出口DUV光刻机的原因。

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