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科普知識

DUV和EUV光刻機的區別在哪?

稿件來源:科創板日報 責任編輯:ICAC 發布時間:2021-12-21

DUV:深紫外線(Deep Ultraviolet Lithography)

EUV:極深紫外線(Extreme Ultraviolet Lithography)

  一、DUV技術由日本和荷蘭獨立發展:   

  ArF干法后期兩大路徑之爭,ArF濕法勝于F2。2002年DUV技術在干法ArF后期演化成2條主要進化方向:

  其一是用157nm的F2的準分子光源取代193nm的ArF光源。該方法較浸沒式ArF更為保守,代表廠商是尼康和佳能。

  其二,采用臺積電林本堅的方案,依然使用193nm的ArF光源,但是將鏡頭和光刻膠之間的介質由空氣改成液體。

  193nm的光經過折射后,等效波長為134nm,從而實現比F2光源更高的分辨率。浸沒式ArF的代表廠商是ASML和臺積電。由于F2光源無法穿透水,因此無法和浸沒式技術相結合,進一步提升分辨率。ArF濕法在光刻精度上勝于F2。

  以ArF浸沒式為切入點,ASML成為DUV時代龍頭。2002年臺積電林本堅提出ArF浸沒式方案,隨后ASML在2003年成功推出第一臺浸沒式光刻樣機。尼康雖然在2006年也順利推出ArF浸沒式光刻機,但市場先機早已被ASML奪走。伴隨著ASML和臺積電ArF浸沒式技術的成功,ASML和臺積電實現了雙贏。在光刻機領域,ASML開始奮起反超Nikon;臺積電也成為第一家實現ArF浸沒式量產的公司。

  因為ArF系列光刻機可用于制造7nm-130nm制程的芯片,而且該制程范圍內的芯片占芯片供應的60%多,所以ASML的市場份額快速提高,自2006年超越尼康成為全球光刻機龍頭以后,其行業領導地位維持至今。同時,由于核心浸沒式技術主要來自臺積電,所以美國在DUV領域不具備統治地位,ASML向中國出貨DUV光刻機也無需得到美國授權。

  

  二、EUV自出生就被美國從資本和技術層面全面掌控(與DUV有本質的不同) 

  1997年至今,ASML被美國從資本和技術方面的滲透是一個循序漸進的過程。我們按事件的進程可以分為以下三個階段。

  1)1997年EUV LLC聯盟成立,ASML成功入局。EUV技術起源于英特爾和美國政府牽頭成立EUV LLC聯盟。該聯盟匯聚了美國頂尖的研究資源和芯片巨頭,包括勞倫斯利弗莫爾實驗室、勞倫斯伯克利實驗室、桑迪亞國家實驗室三大國家實驗室,聯合IBM、AMD、摩托羅拉等科技巨頭,集中數百位頂尖科學家,共同研究EUV光刻技術。

  美國政府擔心尖端技術落入外國公司,所以反對尼康的加入,而ASML做出在美國建立工廠和研發基地等多項讓步后才成功加入EUV聯盟。隨后,ASML在2007年收購美國Brion,獲取了光刻技術后,成功開啟并購美國光刻企業之路。至此,美國開始在EUV技術方面滲入ASML。

  2)英特爾入股ASML疊加ASML并購加速,美國加速實現對ASML的資本和技術雙控制。隨著ASML在DUV時代取得成功以及摩爾定律的逐漸放緩,美國計劃后續用出資入股和技術滲透的形式牢牢把控ASML的后續EUV技術。2012年,英特爾、三星、臺積電共同買入ASML23%的股權,獲得了ASML光刻機的優先供貨權,成為了利益共同體。

  同時,ASML并購了美國Cymer、HMI等公司,增強了在光刻、光源、電子束檢測等方面的技術儲備。至此,美國已在技術和資本層面滲入ASML,并逐步掌控ASML EUV光刻機的產能和發展方向。

  3)目前ASML的EUV技術受控于美國。截止2020年末,ASML的EUV中有90%零部件來自進口,而且根據ASML加入EUVLLC的承諾,美國零部件需占比55%以上。同時,ASML的前三大股東均來自美國,合計掌握ASML近30%的股權。所以,ASML的EUV光刻機的實際控制方是美國而非荷蘭。

  DUV已經能滿足絕大多數需求:覆蓋7nm及以上制程需求。DUV和EUV最大的區別在光源方案。EUV的光源波長為13.5nm,但最先進DUV的光源波只有193nm,較長的波長使DUV無法實現更高的分辨率,因此DUV只能用于制造7nm及以上制程的芯片。鑒于DUV涵蓋了大部分數字芯片和幾乎所有的模擬芯片。所以,完全掌握DUV技術就能在各類芯片領域有所建樹。然而,隨著先進制程向5nm及以下先進制程進化,EUV成為了剛需。

  EUV是未來光刻技術和先進制程的核心。為了追求芯片更快的處理速度和更優的能效,需要縮短晶體管內部導電溝道的長度,而光刻設備的分辨率決定了IC的最小線寬。因此,光刻機的升級就勢必要往最小分辨率水平發展。光刻機演進過程是隨著光源改進和工藝創新而不斷發展的。EUV作為5nm及更先進制程芯片的剛需,覆蓋了手機SoC、CPU、GPU、1γ工藝DRAM等多種數字芯片。

  隨著先進制程的進一步推進,全球半導體制造龍頭臺積電、三星、英特爾紛紛擴大EUV光刻機資本開支,積極擴充7nm以下先進產能。另外,存儲龍頭三星、海力士、美光也隨著它們存儲器制程的進步而加碼擴大EUV光刻機的資本開支。同時,EUV相較DUV簡化了光刻流程的復雜性,使客戶能夠提高成本效益。我們認為,掌握EUV技術,就是掌握未來半導體先進制程的發展方向和制高點。美國作為全球半導體龍頭,深知EUV技術的重要性,所以必會牢牢控制EUV技術。

  基于內外雙循環,當務之急是實現美國主導的非光刻設備(刻蝕機、PVD、CVD、ALD、清洗機、外延、測試、氧化、離子注入等)的突破。  

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