從EUV到DUV：先進(jìn)制程離不開DUV

樹欲靜，而風(fēng)不止。

光刻機(jī)再次成為熱詞，不過這次主角由EUV（極紫外光刻）換成了DUV（深紫外線光刻）。

根據(jù)外媒的報(bào)道，拜登政府正在把美國國家人工智能安全委員會(huì)的提議擺上桌面，即禁止向中國出口包括浸沒式光刻用的DUV（深紫外線光刻）設(shè)備在內(nèi)的半導(dǎo)體制造設(shè)備。

無獨(dú)有偶，兩位共和黨議員此前曾致信拜登政府，要求其勸說荷蘭政府阻止ASML出售DUV光刻機(jī)賣給中芯國際，并且還需與盟國達(dá)成協(xié)議，統(tǒng)一出口限制和許可權(quán)。

這距中芯國際與ASML公司續(xù)簽批量購買協(xié)議（VPA）僅僅過了一個(gè)月，本就不平靜的半導(dǎo)體世界，又掀起了不小的波瀾。

先進(jìn)制程離不開DUV

沒有EUV頭頂耀眼的光環(huán)，已經(jīng)是“上代人”的DUV實(shí)際上才是晶圓制造的主力，無論是圖像傳感器、功率IC、MEMS、模擬IC，還是邏輯IC，背后都有其身影。

DUV與EUV最大的區(qū)別就是光源方面，EUV的光源波長為13.5nm，最先進(jìn)DUV的光源波則是193nm，較長的波長使其無法實(shí)現(xiàn)更高的分辨率。

早期的DUV采用KrF（氟化氪）準(zhǔn)分子激光源，將最小工藝節(jié)點(diǎn)提升至350-180nm水平，因?yàn)闊o法突破干法光刻的極限，遂被浸入式光刻機(jī)取代。

新一代的DUV采用了ArF（氟化氬）準(zhǔn)分子激光源，光源實(shí)際波長突破193nm，縮短為134nm，NA值為1.35，最高可實(shí)現(xiàn)7nm制程節(jié)點(diǎn)。浸入技術(shù)是指讓鏡頭和硅片之間的空間浸泡于液體之中，由于液體的折射率大于1，使得激光的實(shí)際波長會(huì)大幅度縮小。

圖 光刻機(jī)的進(jìn)化（來自平安證券）

別認(rèn)為7nm及以下工藝就是EUV的天下，實(shí)際上臺(tái)積電就是用DUV實(shí)現(xiàn)了7nm工藝的突破。臺(tái)積電的7nm工藝分為第一代7nm工藝（N7）、第二代7nm工藝（N7P）、7nm EUV（N7+）。其中，N7和N7P使用的是DUV光刻，為了用DUV制作7nm工藝，除了使用沉浸式光刻外，臺(tái)積電還開發(fā)了多重曝光技術(shù)。

同樣，中芯國際也是使用DUV設(shè)備開發(fā)先進(jìn)工藝。中芯國際聯(lián)席CEO梁孟松就曾表示，N+1和N+2工藝都不會(huì)使用EUV設(shè)備，等到設(shè)備就緒以后，N+2才會(huì)轉(zhuǎn)而使用EUV設(shè)備。

而且，有關(guān)人士指出臺(tái)積電和三星僅將EUV用于少數(shù)芯片層，而將浸入式DUV用于其余部分，因此在7nm以下，DUV和EUV仍是要聯(lián)合使用的。

通常情況下，28nm的IC最多可使用50層光罩，14nm/10nm的IC使用60層光罩，7nm有80層光罩，5nm則達(dá)到100層光罩。臺(tái)積電在7nm芯片上中的12層使用EUV，68層都使用DUV。在5nm節(jié)點(diǎn)，臺(tái)積電將EUV 用于其中22層，其余78 層則是DUV。因此，DUV對(duì)制造先進(jìn)工藝依然至關(guān)重要。

2020年全年，DUV設(shè)備在市場上都大受歡迎，使得設(shè)備公司開足馬力進(jìn)行生產(chǎn)。據(jù)相關(guān)媒體報(bào)道，ASML公司首批NXT 2050i系統(tǒng)的生產(chǎn)周期曾長達(dá)120天，但截至2020年底，最后5套系統(tǒng)的生產(chǎn)周期已經(jīng)縮短到60天。

中流砥柱DUV

DUV仍是行業(yè)應(yīng)用的主力，這從龍頭廠商ASML的財(cái)報(bào)中可以一窺究竟。

圖 ASML 2021Q1業(yè)績

根據(jù)ASML發(fā)布的2021Q1財(cái)報(bào)，整個(gè)DUV產(chǎn)品線（ArFi+ArF+KrF）的銷售額占比達(dá)到了60%。

ASML預(yù)計(jì)2021全年?duì)I收增長30%，上修邏輯和存儲(chǔ)用光刻機(jī)營收增速指引，預(yù)計(jì)分別增長30%和50%，較2021Q1指引值（10%和20%）大幅提升，主要原因就是預(yù)計(jì)下半年DUV出貨量將會(huì)增長。

ASML CEO Peter Wennink 在進(jìn)行業(yè)績說明時(shí)就表示：“與上個(gè)季度相比，我們對(duì)今年的展望有所增強(qiáng)，這主要是由于對(duì)DUV的需求所致。隨著對(duì)先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)的需求不斷增加，以及成熟工藝節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行時(shí)間越來越長，外加產(chǎn)能爬坡，對(duì)浸入式和干式系統(tǒng)的需求都比以往任何時(shí)候都強(qiáng)。我們已制定計(jì)劃來增加DUV生產(chǎn)能力，以幫助滿足客戶不斷增長的需求?！?/p>

放眼整個(gè)產(chǎn)業(yè)，由于5G、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、新能源汽車、人工智能、高性能計(jì)算等技術(shù)蓬勃發(fā)展，對(duì)云服務(wù)、游戲、大型數(shù)據(jù)中心、醫(yī)療保健技術(shù)等方面在需求上的不斷上升，正推動(dòng)半導(dǎo)體行業(yè)的投入大幅度增加，未來幾年對(duì)芯片的生產(chǎn)需求會(huì)不斷擴(kuò)大。

SEMI預(yù)測，半導(dǎo)體晶圓廠投資會(huì)在2019-2024年期間保持高速增長，2023年設(shè)備預(yù)算將達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的700億美元。不過，向EUV光刻工具的過渡仍然比較緩慢，這也就意味著DUV的采購依然是主流。

同時(shí)，當(dāng)前電源管理芯片、顯示驅(qū)動(dòng)芯片、車用電子芯片等產(chǎn)品市場供應(yīng)吃緊，交貨期持續(xù)拉長的情況下，顯示出這些主力以28nm成熟制程生產(chǎn)的產(chǎn)能嚴(yán)重不足。因此，擴(kuò)產(chǎn)28nm產(chǎn)能成為多個(gè)晶圓廠的重要規(guī)劃之一，這也會(huì)拉動(dòng)對(duì)DUV需求的大幅增加。

自力更生

14nm工藝是當(dāng)前芯片制造領(lǐng)域的一個(gè)分水嶺，掌握14nm工藝節(jié)點(diǎn)的廠商只有臺(tái)積電、英特爾、三星、格羅方德、聯(lián)電和中芯國際。中芯國際14nm工藝良率已達(dá)業(yè)界量產(chǎn)水準(zhǔn)，在全球代工廠中規(guī)模僅次于臺(tái)積電和聯(lián)電。在先進(jìn)工藝的開發(fā)上，中芯國際、華虹宏力等也正在發(fā)力。

如果DUV禁運(yùn)，將對(duì)國內(nèi)晶圓廠后續(xù)的產(chǎn)能擴(kuò)充和工藝升級(jí)造成不可預(yù)知的影響。

行業(yè)專家莫大康指出：“美國還是將繼續(xù)采用許可證制度，但可能會(huì)擴(kuò)大名單范圍，包括華虹，長鑫等，這也包括了二手設(shè)備，這些廠的產(chǎn)能擴(kuò)充將會(huì)受阻，影響巨大?！?/p>

中芯國際在2020Q3業(yè)績會(huì)說明會(huì)上也表示，公司原計(jì)劃在2020年Q4和明年Q1供貨的設(shè)備機(jī)臺(tái)有所延長或不確定性，造成了Q4和明年Q1部分客戶需求的滿足受到一定影響。

數(shù)據(jù)顯示，2020年ASML累計(jì)交付258臺(tái)光刻機(jī)系統(tǒng)，前三大客戶區(qū)是：中國臺(tái)灣93臺(tái)，占比36%；韓國79臺(tái)，占比31%；中國大陸46臺(tái)，占比18%。中國大陸的銷售額從2019年的12%增長至2020年的18%。因?yàn)槊绹呀?jīng)實(shí)施了EUV光刻系統(tǒng)的禁運(yùn)制裁，也意味著DUV光刻系統(tǒng)是中國大陸廠商購買的主要機(jī)型。

當(dāng)然，美國要實(shí)施全面禁運(yùn)DUV，也并非一件易事。集微咨詢高級(jí)分析師陳躍楠認(rèn)為，如果要實(shí)行全面DUV禁運(yùn)，那是一件非常復(fù)雜的事情，需要美國與日本進(jìn)行協(xié)調(diào)，因?yàn)镈UV已經(jīng)是一個(gè)非常成熟的國際產(chǎn)業(yè)。

ASML在浸入式 DUV市場中占有94％的份額，佳能公司沒有參與這一領(lǐng)域，余下的份額則屬于尼康公司。ASML的193nm ArF市占率從2018年的95%下降到2019年的88%，再到2020年的85%，而尼康的行業(yè)份額還一直保持并略有增長。因此美國要完成光刻機(jī)的包圍圈，還要形成美日間的協(xié)同，尚需不少時(shí)日。此外，要做到對(duì)二手光刻機(jī)的限制，也遠(yuǎn)非易事。

反過來，對(duì)于國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)來說，與其猜測鞋子何時(shí)落地，不如自己動(dòng)手早做準(zhǔn)備。好消息就是，成立于2002年的中國上海微電子設(shè)備（SMEE）宣布，它將在之前的90nm基礎(chǔ)上生產(chǎn)第一臺(tái)中國制造的28納米浸入式平版印刷機(jī)，將于2021-2022之間交付。這款光刻機(jī)直接對(duì)標(biāo)國際光刻龍頭ASML現(xiàn)階段最強(qiáng)DUV光刻機(jī) TWINSCAN NXT：2000i。

莫大康指出，高性能光刻技術(shù)對(duì)中國企業(yè)來說成本高昂，但是其戰(zhàn)略意義不容忽視。中國要推進(jìn)完整的光刻工業(yè)體系的發(fā)展，只能采取從低到高的策略，比如193nm深紫外ArF干式光刻機(jī)、浸沒式光刻機(jī)，以及周邊設(shè)備材料開始。

核心的光學(xué)鏡片、準(zhǔn)分子激光光源等技術(shù)目前都不掌握在國內(nèi)廠商的手中，要實(shí)現(xiàn)突破絕非一日之功，但是這一步是必須要走的。

“如果完全實(shí)行禁運(yùn)，對(duì)中國也是一個(gè)好機(jī)會(huì)，這樣才能下決心實(shí)現(xiàn)光刻機(jī)的突破，最終提高國產(chǎn)芯片的替代率?！标愜S楠最后表示。

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