一文读懂半导体业的印钞机:EUV光刻机

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第三代光刻机采用 248nm 的 KrF(氟化氪)准分子激光作为光源,将最小工艺节点提升至350-180nm 水平,在光刻工艺上也采用了扫描投影式光刻,即现在光刻机通用的,光源通过掩模, 经光学镜头调整和补偿后, 以扫描的方式在硅片上实现曝光。

第四代 ArF 光刻机:最具代表性的光刻机产品。第四代光刻机的光源采用了 193nm 的 ArF(氟化氩)准分子激光,将最小制程一举提升至 65nm 的水平。第四代光刻机是目前使用最广的光刻机,也是最具有代表性的一代光刻机。由于能够取代 ArF 实现更低制程的光刻机迟迟无法研发成功,光刻机生产商在 ArF 光刻机上进行了大量的工艺创新,来满足更小制程和更高效率的生产需要。

第五代 EUV 光刻机,千呼万唤始出来。1-4 代光刻机使用的光源都属于深紫外光, 第五代 EUV光刻机使用的则是波长 13.5nm 的极紫外光。早在上世纪九十年代,极紫外光刻机的概念就已经被提出,ASML 也从 1999 年开始 EUV 光刻机的研发工作,原计划在 2004 年推出产品。但直到2010年ASML才研发出第一台 EUV 原型机,2016年才实现下游客户的供货,比预计时间晚了十几年。

目前,光刻机领域的龙头老大是荷兰ASML,并已经占据了高达80%的市场份额,垄断了高端光刻机市场——最先进的EUV光刻机售价曾高达1亿美元一台,且全球仅仅ASML能够生产。Intel、台积电、三星都是它的股东,重金供养ASML,并且有技术人员驻厂,Intel、三星的14nm光刻机都是买自ASML,格罗方德、联电以及中芯国际等晶圆厂的光刻机主要也是来自ASML。

EUV另类特性

EUV除了售价高,技术复杂外,其耗电能力也是一绝。

据媒体报道,全台湾过去5年用电的增长量,约有1/3都是由台积电贡献的。而随着新一代的可生产5nm工艺的EUV 微影技术的导入,用电量还将会暴增,可达目前主流制程的1.48倍。

业内人士表示,EUV光刻机就是用极端的耗电来出大力做奇迹。

这背后主要因为它的几大特性。

1,极紫外光能被很多材料吸收,包括空气。

所以,要使用极紫外光,必须消耗电力把整个环境都抽成真空。

2,极紫外光能被透镜吸收。

因为这个特性,将极紫外光集中到一起只能靠反射了。用硅与钼制成的镀膜反射镜,可以用来集中极紫外光。但是极紫外光每被反射一次,能量就会损失三成。极紫外光从光源出发,经过十几次反射,到达晶圆的时候,只剩下不到2%的光线了。韩国企业海力士曾经说过,极紫外光EUV 的能源转换效率只有 0.02% 左右。

除此之外,要得到这样高功率的极紫外光,需要极大的激光器。这样大的激光器,工作时候会产生很大的热量,需要一套优良的散热冷却系统,才能保证机器正常工作,而这又需要消耗大量电力。

目前ASML公司的EUV的极紫外光光刻机的输出功率是 250 瓦,要达到这样的输出功率,需要0.125万千瓦的电力输入才能维持。也就是说,一台输出功率为250W的EUV光刻机工作一天,光是光源这一项,就会消耗3万度电!

不仅如此,这还是一门祖传手艺。

ASML的镜片是蔡司技术打底。镜片材质做到均匀,需几十年到上百年技术积淀。有业内人士感慨:“同样一个镜片,不同工人去磨,光洁度相差十倍。”而在德国,抛光镜片的工人,祖孙三代在同一家公司的同一个职位。

目前来看,国内研发光刻机相关的企业有上海微电子装备有限公司、中国电子科技集团公司第四十五研究所、合肥芯硕半导体有限公司、先腾光电科技有限公司、无锡影速半导体科技有限公司,其中上海微装发展最为领先,是中国唯一一家生产高端前道光刻机整机的公司,从某种意义上可以说其代表着国产光刻机技术水平。而上海微装目前可生产加工90nm工艺制程的光刻机,这是目前国产光刻机最高水平,而ASML如今已量产7nm工艺制程 EUV光刻机,两者差距不得不说非常大。

与非网小编不得不感慨,这给摩尔定律续命的EUV光刻机可以称得上是半导体的印钞机了。

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