7nm節(jié)點(diǎn)后光刻技術(shù)從DUV轉(zhuǎn)至EUV，設(shè)備價(jià)值劇增

過(guò)去幾十年，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在摩爾定律的指導(dǎo)下獲得了高速的發(fā)展，為了滿(mǎn)足摩爾定律“同等面積芯片集成的晶體管數(shù)每18個(gè)月翻一番”的要求，晶圓廠一直在推動(dòng)工藝制程的更新。但隨著節(jié)點(diǎn)的演進(jìn)，產(chǎn)業(yè)界普遍認(rèn)為傳統(tǒng)的光刻將會(huì)在65nm或者45nm的時(shí)候遭受到障礙，為此他們尋找新的解決辦法，EUV就是他們的主要選擇。

所謂EUV，是指波長(zhǎng)為13.5nm的光。相比于現(xiàn)在主流光刻機(jī)用的193nm光源，新的EUV光源能給硅片刻下更小的溝道，從而能實(shí)現(xiàn)在芯片上集成更多的晶體管，進(jìn)而提高芯片性能，繼續(xù)延續(xù)摩爾定律。

芯片行業(yè)從20世紀(jì)90年代開(kāi)始就考慮使用13.5nm的EUV光刻（紫外線(xiàn)波長(zhǎng)范圍是10~400nm）用以取代現(xiàn)在的193nm。EUV本身也有局限，比如容易被空氣和鏡片材料吸收、生成高強(qiáng)度的EUV也很困難。業(yè)內(nèi)共識(shí)是，EUV商用的話(huà)光源功率至少250瓦，Intel還曾說(shuō)，他們需要的是至少1000瓦。除了光刻機(jī)本身的不足之外，對(duì)于EUV光刻機(jī)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，光罩、薄膜等問(wèn)題也有待解決。

近兩年內(nèi)來(lái)看（2019-2020 年），7nm節(jié)點(diǎn)后光刻技術(shù)從 DUV 轉(zhuǎn)至 EUV，設(shè)備價(jià)值劇增。當(dāng)前使用的沉浸式光刻技術(shù)波長(zhǎng) 193nm（DUV，深紫外光），而當(dāng)進(jìn)行 7nm 以下節(jié)點(diǎn)制造時(shí)就需采用波長(zhǎng) 13nm 的 EUV 光刻機(jī)。根據(jù) ASML 公布的路線(xiàn)圖，EUV 光刻機(jī)首先于2018年在7nm及以下邏輯芯片開(kāi)始應(yīng)用。在EUV設(shè)備制造過(guò)程中，由于EUV波長(zhǎng)僅13nm，沒(méi)有合適介質(zhì)進(jìn)行精準(zhǔn)折射，因而所有光路設(shè)計(jì)均采用反射的形式，設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，對(duì)精度要求極高，制造難度極大。全球只有 ASML 生產(chǎn)的 NXE3400B 是唯一支持 7nm 及 5nm 的EUV 光刻機(jī)，單臺(tái)機(jī)器價(jià)值約 1.17 億美元。

臺(tái)積電擁有 EUV 設(shè)備最多，為 ASML 最大客戶(hù)，三星次之。EUV 設(shè)備作為 7nm 以下制程必備工藝設(shè)備，對(duì)廠商最新制程量產(chǎn)具有至關(guān)重要的作用。由于對(duì)精度要求極高，臺(tái)積電與 ASML 在研發(fā)上有相關(guān)技術(shù)配合。臺(tái)積電與三星是 ASML 前兩大訂購(gòu)客戶(hù)。對(duì)于中國(guó)大陸廠商來(lái)說(shuō)，并不存在“瓦森納協(xié)議”限制向中國(guó)出口最先進(jìn) EUV 光刻機(jī)的情況。中芯國(guó)際目前已從 ASML 預(yù)定 1 臺(tái) EUV 光刻機(jī)，這對(duì)于中芯國(guó)際未來(lái)發(fā)展 7nm 以下技術(shù)具有積極意義。英特爾 7nm 采用 EUV 雙重曝光技術(shù)已有提前布局，仍有望按原定計(jì)劃量產(chǎn)。

在今年的5月份，三星就發(fā)布了基于7nm EUV工藝的下一代手機(jī)處理器Exynos 9825。三星稱(chēng)，通過(guò)7nm EUV工藝，新處理器的生產(chǎn)過(guò)程可以減少 20% 的光罩流程，使整個(gè)制造過(guò)程更簡(jiǎn)單，還能節(jié)省時(shí)間和金錢(qián)，另外還達(dá)成40%面積縮小、以及20%性能增加與55%的功耗降低目標(biāo)。臺(tái)積電也在6月份宣布批量生產(chǎn)7nmN7+工藝，這是臺(tái)積電第一次、也是行業(yè)第一次量產(chǎn)EUV極紫外光刻技術(shù)。并表明這種新工藝的產(chǎn)量已經(jīng)可以達(dá)到原來(lái)7nm工藝的水平了。

在EUV之外，7nm 節(jié)點(diǎn)還有另外一種技術(shù)路徑，即采用 193nm 波長(zhǎng)+SAQP 四重圖案化達(dá)到所需分辨率。下圖黃線(xiàn)中紅點(diǎn)處即代表采用193i 浸沒(méi)式光刻機(jī)+SAQP四重圖案技術(shù)，對(duì)應(yīng)英特爾所選擇的技術(shù)路線(xiàn)；7nm在藍(lán)線(xiàn)中藍(lán)色區(qū)域代表采用EUV光刻機(jī)單次圖案化，代表臺(tái)積電和三星所選擇的技術(shù)路線(xiàn)。在之后的 5nm 節(jié)點(diǎn)，193i 光刻機(jī)技術(shù)難度更大，采用 EUV 雙重圖案化是較為合理的選擇。

從成本角度考量，193i 多重圖案化在某些場(chǎng)景仍然是最為經(jīng)濟(jì)的選擇。根據(jù)東京電子測(cè)算的不同曝光工藝標(biāo)準(zhǔn)化晶圓成本，EUV 單次曝光的成本是193i（DUV）單次曝光的 4倍，而 193i 四重圖案曝光 SAQP 是 3 倍，EUV 單次曝光技術(shù)的晶圓成本高于自對(duì)準(zhǔn)四圖案曝光（193i SAQP）。采用 193i SAQP 仍然具有成本優(yōu)勢(shì)。

盡管 193i更為經(jīng)濟(jì)，但EUV 仍是未來(lái)更先進(jìn)制程不可或缺的工具。英特爾在 Fab42 工廠已有布局 EUV，計(jì)劃用于 7nm 及以下節(jié)點(diǎn)，由于英特爾 7nm 節(jié)點(diǎn)不再面臨 SAQP 四重曝光技術(shù)難題，而是EUV 雙重曝光，有望重回正軌按原定計(jì)劃 2020 年量產(chǎn)。