前沿导读
据新浪财经指出,ASML CEO克里斯托弗·富凯再次谈及EUV光刻机技术,他表示“全世界只有一家公司能够制造这类设备。想要造出设备,和真正有能力造出设备,二者之间存在巨大鸿沟。ASML有数十年的技术经验、供应链能力、工程能力的沉淀,这个技术领域没有捷径可走。”
“世界上很多国家都进入追赶阶段,少数几家企业已经掌握了决定整体经济未来的关键能力。”
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技术鸿沟
富凯的态度很明确,能够生成EUV光刻图像只是一个起点,下一步还需要实现数十亿颗芯片的量产制造。其中涉及到光刻机的制造效率、对准精度,还要保持非常高的开机率以及可靠性。
目前来说,只有ASML做到了以上要求。
对于半导体设备来说,可以划分为四个关键点:物理原理、工程整机、供应链生态、客户量产验证。缺少了任何一个关键点,都无法实现设备的商业化发展。
EUV光刻机采用13.5nm极紫外光制造芯片,这个波长缩短可以制造更小的晶体管线宽,但是其技术难题也来自波长太短。EUV无法穿透普通玻璃,空气、灰尘、甚至残余气体都会对EUV光源进行吸收。
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DUV光刻机的那套“透镜组和空气光路”的方法直接用不了,所以就必须对整个激光系统和曝光系统的进行重构,光源用等离子体发射,光路用真空和反射镜引导曝光。
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ASML的EUV技术大致是这样:每秒喷几万滴锡滴,先用预脉冲把锡滴打扁,再用高功率CO₂激光击中产生等离子体,辐射出13.5nm光,再经多层膜反射镜收集进投影系统。
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原理已经很清晰了,但关键问题是要实现长期稳定输出足够功率、足够均匀、足够低污染的极紫外光。能量转换效率只有几个百分点,绝大部分电变成热,热管理、锡碎屑、镜面污染、激光一致性全都要同时解决。
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解决这些问题,需要基础学科的科学家、工程学家、供应链管理人员等多个领域的人才集中起来进行解决。ASML的技术团队就是容纳了大量多学科、多领域的高精尖人才,剩下就是顶级供应链企业的支持。
由于EUV不能透射,只能用钼/硅多层膜反射镜。每面镜要抛光到近原子级面形,再镀几十层交替薄膜,任何一层厚度偏差、任何一点表面粗糙度,都会降低反射率。
一台EUV从光源收集、照明到投影,镜组十来片,每反射一次都有损耗,最后到晶圆上的光强度全靠镜面的精度支撑。
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在曝光镜头和曝光系统这个板块,ASML交给了德国蔡司半导体部门。
蔡司在光学镜头领域拥有足够的权威,光靠着眼镜片、显微镜、望远镜、相机镜头等消费产品的业务支持,就可以让蔡司稳定发展几十年。
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尼康、佳能、索尼等日系光学巨头也拥有非常强大的光学技术,但是无论这些日系厂商的技术有多强,都无法动摇蔡司在这个领域的龙头地位,甚至蔡司还推出了多款适配日系相机的镜头产品,与日系镜头形成竞争关系。
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EUV在曝光时,锡滴、激光、收集镜、照明镜、掩模、投影镜、双工件台、对齐传感器、真空阀门、热补偿算法全要同步进行工作。
这对于一台重量约180吨、尺寸相当于两层巴士车的EUV光刻机来说是个不小的挑战,其光刻机的装配与校准需要耗费数月时间才能完成。单纯拥有EUV光刻机的所有零部件只是第一步,下一步需要将所有零部件拼装在一起,形成一个可以使用的整体。
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蔡司做光学、通快做高功率CO₂激光器、Cymer做锡滴与光源整机、VDL等做机电与工件台结构,再加真空、传感器、软件、计量、材料等多个环节,ASML的全球供应商已经超过了5000家。
ASML的优势不完全在于某个零件,而在于把数十万级零件整合在一起,形成一套可预测、可维护、可升级的光刻系统。
竞争对手
EUV光刻机是个处于“风口浪尖”的尖端制造设备,除ASML之外,日本企业和中国企业都在对EUV技术进行研究,只不过日本企业在商业化层面早已放弃,而中国企业还在持续进行攻关。
在DUV技术时代,尼康、佳能这俩日本厂商还占据主动权。但是随着台积电联合ASML开发了更加先进的浸润式DUV光刻机,尼康和佳能的江湖地位开始持续下降,以至于现在完全被ASML“压着打”。
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尼康是日本此前EUV光刻机项目的核心支柱,并且也投入了上千亿日元进行技术研发,但是直到2018年,尼康都没有造出一台像样的原型机设备来推动项目进入下一个阶段,而此时的ASML已经完成了多款EUV系统的研发,并且也将最终可量产芯片的EUV光刻机交付给晶圆厂制造芯片。
需要EUV光刻机的客户很少,当时只有台积电、三星、英特尔这三家。这些企业不需要一台只会进行曝光的原型机,而是需要一台全年高开机率、高稳定性、可量产、可持续升级的制造设备。
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如果没有头部晶圆厂使用设备生成制造数据,那么该设备只能是停留在实验室阶段,无法进行技术优化和进一步的升级。
ASML能在浸润式DUV和EUV领域“异军突起”,也因为和英特尔、台积电、三星等国际大厂形成研发—采购—反馈的闭环模式。
ASML后来收购Cymer、参股蔡司、和通快达成深度合作,也都是为了在供应链层面深化合作,统一调度,形成以ASML为中心的技术生态圈。
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反观尼康就没这么顺利了,尼康本身就可以制造高素质的工业镜头,主打一个高度自研自产。也正是因为尼康这种过于自主研发的模式,导致其丧失了与国际供应链接触的最佳时机。
ASML已经将商业化的EUV卖给了需要设备的几家大客户,尼康只能被迫停掉了EUV项目,及时止损。
ASML CEO富凯表示称,我们的客户心理会产生疑问,如果只有一家供应商,这安全吗?大家总说要找第二家供应商,但是想要找到跟ASML一样实力,并且可以量产先进光刻机的企业,这很难。大量的技术储备、投入的资金、耗费的时间都是巨大的。
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并且ASML认为必须要集结全球顶级企业,才能够做成EUV这个先进设备。如果当初让ASML跟尼康一样在EUV领域进行全栈自研,那么ASML绝不可能取得成功。
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虽然ASML将日本光刻机产业的没落归咎于过度的自研自产,没有很好的与国际顶尖供应链接触。但尼康EUV项目的失败还有一个因素,那就是用户市场。
ASML已经率先向国际层面需要EUV光刻机的大客户提供了设备,这些客户自然也就不需要尼康的EUV设备了。再加上日本本土的先进芯片制造业较为羸弱,只有设备和材料的优势,芯片制造也是以闪存芯片为主,对于EUV技术没有应用需求,内需市场这条路也被堵死了。
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而中国半导体产业与日本产业不同,中国大陆市场自始至终就不被允许获得ASML的EUV光刻机,这导致中国本土晶圆厂有EUV需求,但是没有设备能拿来用。
出口管制迫使中国半导体产业逐步走向自立自强,整个产业链的制造设备都需要自己搞,其中自然也包括DUV光刻机和EUV光刻机。
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如果短时间内要求中国企业的国产设备达到跟ASML一样的水平,这很困难。但是从长远的发展角度来看,只要是有自主可控的国产EUV设备,而且还有内需市场的商业化支持,完全可以构建出一条独属于中国半导体产业的发展路径。
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