半導(dǎo)體將擁抱2nm時(shí)代

目前，推動(dòng)半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的方式主要有兩種，一個(gè)是尺寸縮小，另一個(gè)是硅片直徑增大。由于硅片直徑增大涉及整條生產(chǎn)線設(shè)備的更換，因此目前主要發(fā)展路線是尺寸的縮小。除此之外，利用成熟特色工藝及第三代半導(dǎo)體材料改進(jìn)半導(dǎo)體產(chǎn)品的性能也被企業(yè)大量采用，這將開辟摩爾定律的另一片新的天地。

臺(tái)積電、三星角力先進(jìn)工藝

據(jù)悉，臺(tái)積電3納米工廠已經(jīng)通過環(huán)境評(píng)測(cè)，依據(jù)原定時(shí)程，全球第一座3納米工廠，可望在2020年動(dòng)工，最快2022年年底量產(chǎn)。

此外，由于三星在臺(tái)積電之前搶先公布它的3納米將采用環(huán)柵FinFET的納米片結(jié)構(gòu)，兩家3納米制程戰(zhàn)爭(zhēng)一觸即發(fā)。另有消息報(bào)道，臺(tái)積電仍沿用升級(jí)版的FinFET架構(gòu)，可能采用遷移率更高的材料，而非環(huán)柵納米片結(jié)構(gòu)。

兩家在不同的工藝與架構(gòu)問題方面各自大作文章，其中的關(guān)鍵是要找出性能瓶頸之所在，然后以最具成本效益的方式使用最佳工具來分別解決這些瓶頸。無論是I/O、內(nèi)存接口還是過熱的邏輯塊，系統(tǒng)的運(yùn)行速度都只能與該系統(tǒng)中最慢的組件一致。

其實(shí)，先進(jìn)封裝也是解決方案之一。在某些情況下，前道工藝的每一節(jié)點(diǎn)的進(jìn)步都可能需要一個(gè)完全不同的體系結(jié)構(gòu)與之配合。它可能是更多的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)，與整個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)化為一個(gè)系統(tǒng)。如果有一種一致的方法來描述這些設(shè)備并將它們連接在一起，那么釆用chiplet等方法可以更節(jié)省時(shí)間。

目前至少有六種主流的芯片/小芯片組合方式，還有更多的正在進(jìn)行中，不難想象每個(gè)芯片供應(yīng)商會(huì)根據(jù)價(jià)格、功耗、性能甚至地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)快速地提供定制解決方案。因此，雖然應(yīng)用于高性能計(jì)算(HPC)及5G開發(fā)的芯片可能需要最新的2nm制程，但是與它配套的可能是16nm的SerDes、28nm電源模塊和40nm安全芯片等，同時(shí)它們將集成在一體。

成本是關(guān)鍵因素

在半導(dǎo)體行業(yè)中，成本因素是非常關(guān)鍵的。有數(shù)據(jù)顯示，7nm工藝的研發(fā)費(fèi)用需要至少3億美元，5nm工藝平均要5.42億美元，3nm、2nm的工藝起步價(jià)大約在10億美元左右。

據(jù)最新的消息，臺(tái)積電原定于2020年6月試產(chǎn)的3nm工藝芯片，由于疫情原因可能將推遲到10月。臺(tái)積電3nm工藝的總投資高達(dá)1.5萬億元新臺(tái)幣，約合500億美元。目前在建廠方面至少已經(jīng)花費(fèi)200億美元，可見投入之龐大。

近日臺(tái)積電正式披露了其最新3nm工藝的細(xì)節(jié)詳情，它的晶體管密度達(dá)到了前所未有的2.5億個(gè)/mm2。與5納米相比，功耗下降了25%～30%，并且功能提升了10%～15%。

臺(tái)積電重申，從7nm到5nm，再到未來的3nm，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都是全節(jié)點(diǎn)的提升。這不同于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都僅是部分性能的優(yōu)化，并非全節(jié)點(diǎn)的性能提升。因此對(duì)于未來3nm制程方面的競(jìng)爭(zhēng)，臺(tái)積電是信心滿滿。

臺(tái)積電還談到2nm工藝技術(shù)進(jìn)展，公司采用FinFet第六代技術(shù)平臺(tái)開發(fā)3nm技術(shù)的同時(shí)，也已開始進(jìn)行2nm制程技術(shù)研發(fā)，并針對(duì)2nm以下技術(shù)進(jìn)行探索性研究。

對(duì)于極紫外光(EUV)技術(shù)，要減少光刻機(jī)的掩膜缺陷及制程堆疊誤差，并降低整體成本。臺(tái)積電表示，今年在2nm及更先進(jìn)制程上，將著重于改善極紫外光技術(shù)的品質(zhì)與成本。

半導(dǎo)體尺寸縮小遠(yuǎn)非有EUV光刻機(jī)就能實(shí)現(xiàn)的。嚴(yán)格地說，到3nm時(shí)，可能釆用現(xiàn)有的FinFET架構(gòu)也無法達(dá)到，需要從器件的架構(gòu)、工藝變異、熱效應(yīng)、設(shè)備與材料等方面綜合解決。

由于HPC及5G等市場(chǎng)的需求，半導(dǎo)體業(yè)向3nm過渡已成定局，臺(tái)積電及三星兩家已經(jīng)承諾，至多時(shí)間上有可能推遲。2nm的現(xiàn)實(shí)可能性也極大。由于費(fèi)用過高及許多技術(shù)上的難點(diǎn)無法解決，外加必須有高端設(shè)備及材料的支持，所以1nm能否實(shí)現(xiàn)目前尚無法預(yù)言。但是半導(dǎo)體尺寸縮小的終點(diǎn)遲早會(huì)來臨。

近期，光刻機(jī)的相關(guān)消息鋪天蓋地，在國(guó)際貿(mào)易摩擦反復(fù)無常的環(huán)境背景下，業(yè)界對(duì)于仍處處受制于他國(guó)的光刻機(jī)設(shè)備格外關(guān)注。

據(jù)了解，光刻機(jī)是通過光學(xué)系統(tǒng)將光掩模版上設(shè)計(jì)好的集成電路圖形印制到硅襯底的感光材料上，實(shí)現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)移，根據(jù)應(yīng)用工序不同，光刻機(jī)可以用于集成電路的制造環(huán)節(jié)和封裝環(huán)節(jié)，其中用于封裝環(huán)節(jié)的光刻機(jī)在技術(shù)門檻上低于用于制造環(huán)節(jié)的光刻機(jī)。

在制造環(huán)節(jié)中，光刻工藝流程決定了芯片的工藝精度及性能水平，對(duì)光刻機(jī)的技術(shù)要求十分苛刻，因此光刻機(jī)也是集成電路制造中技術(shù)門檻最高、價(jià)格最昂貴的核心設(shè)備，被譽(yù)為集成電路產(chǎn)業(yè)皇冠上的明珠。

01

美日荷光刻機(jī)競(jìng)逐賽

在過去數(shù)十年間，光刻機(jī)不斷發(fā)展演進(jìn)同時(shí)推動(dòng)了集成電路制造工藝不斷發(fā)展演進(jìn)，集成電路的飛速發(fā)展，光刻技術(shù)起到了極為關(guān)鍵的作用，兩者相輔相成，因而自1947年貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明點(diǎn)觸式晶體管，光刻機(jī)技術(shù)亦已具備發(fā)展土壤。

光刻機(jī)最初從美國(guó)發(fā)展起來。1959年，仙童半導(dǎo)體研制出全球首臺(tái)“步進(jìn)重復(fù)”相機(jī)，使用光刻技術(shù)在單個(gè)晶圓片上制造了許多相同的硅晶體管。20世紀(jì)60年代末，日本企業(yè)尼康和佳能開始進(jìn)入光刻機(jī)領(lǐng)域并逐步崛起，但70年代主要是美國(guó)公司的競(jìng)逐賽。

70年代初，美國(guó)Kasper公司推出接觸式光刻設(shè)備；1973年，Perkin Elmer公司推出了投影式光刻系統(tǒng)并迅速占領(lǐng)市場(chǎng)，在一段時(shí)間里處于主導(dǎo)地位；1978年，GCA公司推出了真正現(xiàn)代意義的自動(dòng)化步進(jìn)式光刻機(jī)（Stepper），但產(chǎn)量效率相對(duì)較低。

80年代日本企業(yè)開始發(fā)力，尼康推出首臺(tái)商用Stepper NSR-1010G，隨后尼康一度占據(jù)光刻機(jī)過半市場(chǎng)份額，佳能亦在市場(chǎng)上占有一席之地。值得一提的是，1984年4月，飛利浦與荷蘭公司ASMI正式合資成立ASML，ASML脫胎于飛利浦光刻設(shè)備研發(fā)小組，該小組于1973年已推出其新型光刻設(shè)備。

80年代末到90年代，美國(guó)初代光刻機(jī)公司走向衰落，GCA被收購(gòu)后關(guān)閉、Perkin Elmer光刻部也被出售，日企尼康處于市場(chǎng)主導(dǎo)地位。同時(shí)，ASML亦在逐步發(fā)展，1991年推出了PAS 5000光刻機(jī)；1995年，ASML在阿姆斯特丹和納斯達(dá)克交易所上市。

進(jìn)入21世紀(jì)，ASML強(qiáng)勢(shì)崛起。2000年，ASML推出其首臺(tái)Twinscan系統(tǒng)光刻機(jī)；隨后，ASML相繼發(fā)布首臺(tái)量產(chǎn)浸入式設(shè)備TWINSCAN XT:1700i、首臺(tái)193nm浸入式設(shè)備TWINSCAN XT:1900i，一舉力壓尼康、佳能成為全球光刻機(jī)市場(chǎng)新霸主。

如今，ASML已成為全球光刻機(jī)領(lǐng)域的絕對(duì)龍頭企業(yè)，壟斷高端EUV（極紫外）光刻機(jī)市場(chǎng)，是全球唯一一家可提供EUV光刻機(jī)的企業(yè)。

02

國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)攻關(guān)歷程

在歐美日光刻機(jī)市場(chǎng)風(fēng)云變幻的數(shù)十年間，我國(guó)也在通過各種努力研制國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)設(shè)備。據(jù)了解，20世紀(jì)70年代我國(guó)就開始有清華大學(xué)精密儀器系、中科院光電技術(shù)研究所、中電科四十五所等機(jī)構(gòu)投入光刻機(jī)設(shè)備研制。

除了上述提及的高校/科研單位，國(guó)內(nèi)從事光刻機(jī)及相關(guān)研究生產(chǎn)的企業(yè)/單位還有上海微電子裝備、中科院長(zhǎng)春光機(jī)所、合肥芯碩半導(dǎo)體、江蘇影速集成電路裝備，以及光刻機(jī)雙工件臺(tái)系統(tǒng)企業(yè)北京華卓精科等。

2001年，國(guó)務(wù)院正式批準(zhǔn)在“十五”期間繼續(xù)實(shí)施國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃），國(guó)家科技部和上海市于2002年共同推動(dòng)成立上海微電子裝備公司，承擔(dān)國(guó)家“863計(jì)劃”項(xiàng)目研發(fā)100nm高端光刻機(jī)。據(jù)悉，中電科四十五所當(dāng)時(shí)將其從事分步投影光刻機(jī)團(tuán)隊(duì)整體遷至上海參與其中。

2006年，國(guó)務(wù)院發(fā)布《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》確定發(fā)展16個(gè)重大專項(xiàng)，其中包括“極大規(guī)模集成電路制造裝備及成套工藝”國(guó)家科技重大專項(xiàng)（02專項(xiàng)）。2008年，國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)實(shí)施02專項(xiàng)，200多家企事業(yè)單位和2萬多名科研人員參與攻關(guān)，其中EUV光刻技術(shù)列被為“32-22nm裝備技術(shù)前瞻性研究”重要攻關(guān)任務(wù)。

當(dāng)時(shí)，中科院長(zhǎng)春光機(jī)所作為牽頭單位，聯(lián)合中科院光電技術(shù)研究所、中科院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所、中科院微電子研究所、北京理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)，承擔(dān)“極紫外光刻關(guān)鍵技術(shù)研究”項(xiàng)目研究工作。

隨后，清華大學(xué)牽頭，聯(lián)合華中科技大學(xué)、上海微電子裝備和成都工具所承擔(dān)02專項(xiàng)“光刻機(jī)雙工件臺(tái)系統(tǒng)樣機(jī)研發(fā)”，以研制光刻機(jī)雙工件臺(tái)系統(tǒng)樣機(jī)為目標(biāo)，力爭(zhēng)為研發(fā)65-28nm雙工件臺(tái)干式及浸沒式光刻機(jī)提供具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品級(jí)技術(shù)。

可見，在國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)研發(fā)歷程上，國(guó)家在政策上予以支持，并動(dòng)員了高校、科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)等科技力量共同進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)。

03

階段性突破與差距

歷經(jīng)多年努力過，那么國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)研發(fā)方面有何成果？與國(guó)際先進(jìn)水平還有多大差距？

2016年4月，清華大學(xué)牽頭的02專項(xiàng)“光刻機(jī)雙工件臺(tái)系統(tǒng)樣機(jī)研發(fā)”項(xiàng)目成功通過驗(yàn)收，標(biāo)志中國(guó)在雙工件臺(tái)系統(tǒng)上取得技術(shù)突破。

光刻機(jī)雙工件臺(tái)樣機(jī)，圖片來源：清華大學(xué)新聞網(wǎng)

2017年6月，中科院長(zhǎng)春光機(jī)所牽頭的02專項(xiàng)“極紫外光刻關(guān)鍵技術(shù)研究”項(xiàng)目通過驗(yàn)收，該項(xiàng)目成功研制了波像差優(yōu)于0.75 nm RMS的兩鏡EUV光刻物鏡系統(tǒng)，構(gòu)建了EUV光刻曝光裝置，國(guó)內(nèi)首次獲得EUV投影光刻32 nm線寬的光刻膠曝光圖形。

2018年11月，中科院光電技術(shù)研究所承擔(dān)的“超分辨光刻裝備研制”項(xiàng)目通過驗(yàn)收，該裝備在365nm光源波長(zhǎng)下，單次曝光最高線寬分辨力達(dá)到22nm，項(xiàng)目在原理上突破分辨力衍射極限，建立了一條高分辨、大面積的納米光刻裝備研發(fā)新路線......

然而，盡管多個(gè)光刻機(jī)項(xiàng)目取得成果并通過驗(yàn)收，這些技術(shù)在助力國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)發(fā)展突破上也起到重要作用，但真正實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)并應(yīng)用于生產(chǎn)線上卻又是另一回事，如上述超分辨光刻裝備要想應(yīng)用于芯片生產(chǎn)還需要攻克一系列技術(shù)難關(guān)，距離國(guó)際先進(jìn)水平還相當(dāng)遙遠(yuǎn)。目前，上海微電子裝備的90nm光刻機(jī)仍代表著國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)最高水平。

據(jù)了解，隨著光源的改進(jìn)和工藝的創(chuàng)新，光刻機(jī)已經(jīng)歷了五代產(chǎn)品的更新替代。第一代為光源g-Line，波長(zhǎng)436nm，最小工藝節(jié)點(diǎn)0.8-0.25微米；第二代為光源i-Line、波長(zhǎng)365nm，最小工藝節(jié)點(diǎn)0.8-0.25微米；第三代為光源KrF、波長(zhǎng)248nm，最小工藝節(jié)點(diǎn)180-130nm；第四代為光源ArF、波長(zhǎng)193nm，最小工藝節(jié)點(diǎn)45-22nm；第五代為光源EUV、波長(zhǎng)13.5nm，最小工藝節(jié)點(diǎn)22-7nm。

第五代EUV光刻機(jī)是目前全球光刻機(jī)最先進(jìn)水平，ASML是唯一一家可量產(chǎn)EUV光刻機(jī)的廠商。財(cái)報(bào)資料顯示，2019年ASML出售了26臺(tái)EUV光刻機(jī)，主要用于臺(tái)積電、三星的7nm及今年開始量產(chǎn)的5nm工藝。近期媒體報(bào)道稱，目前ASML正在研發(fā)新一代EUV光刻機(jī)，主要面向3nm制程，最快將于2021年問世。

日本企業(yè)尼康方面，官網(wǎng)顯示其最新的光刻機(jī)產(chǎn)品為ArF液浸式掃描光刻機(jī)NSR-S635E，搭載高性能對(duì)準(zhǔn)站inline Alignment Station（iAS），曝光光源ArF excimer laser、波長(zhǎng)193nm，分辨率≦38nm，官方介紹稱這款光刻機(jī)“專為5nm工藝制程量產(chǎn)而開發(fā)”。

圖片來源：截圖于尼康官網(wǎng)產(chǎn)品資料

而上海微電子裝備方面，官網(wǎng)顯示其目前量產(chǎn)的光刻機(jī)包括200系列光刻機(jī)（TFT曝光）、300系列光刻機(jī)（LED、MEMS、Power Devices制造）、500系列光刻機(jī)（IC后道先進(jìn)封裝）、600系列光刻機(jī)（IC前道制造）。其中，用于IC前道制造用的600系列光刻機(jī)共有3款，性能最好的是SSA600/20，曝光光源ArF excimer laser、分辨率90nm。

圖片來源：截圖于上海微電子裝備官網(wǎng)

相較于ASML的EUV光刻機(jī)，上海微電子裝備的90nm光刻機(jī)無疑落后了多個(gè)世代，與尼康相比亦有所落后；再者，目前國(guó)內(nèi)晶圓代工廠龍頭企業(yè)中芯國(guó)際已可量產(chǎn)14nm制程工藝，根據(jù)半導(dǎo)體設(shè)備要超前半導(dǎo)體產(chǎn)品制造開發(fā)新一代產(chǎn)品的規(guī)律，90nm光刻機(jī)已遠(yuǎn)不能滿足國(guó)內(nèi)晶圓制造的需求。

不過值得一提的是，近期有媒體報(bào)道稱，上海微電子裝備披露將于年底量產(chǎn)28nm的immersion式光刻機(jī)，在2021年至2022年交付國(guó)產(chǎn)第一臺(tái)SSA/800-10W光刻機(jī)設(shè)備。雖然業(yè)界對(duì)此消息頗有爭(zhēng)議，但若該消息屬實(shí)，那對(duì)于國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)而言不得不說是一重大突破。

04

迎來發(fā)展好時(shí)代？

由于技術(shù)嚴(yán)重落后于國(guó)際先進(jìn)水平，國(guó)內(nèi)光刻機(jī)市場(chǎng)長(zhǎng)期被ASML、尼康、佳能等企業(yè)所占據(jù)，但隨著國(guó)內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)加速發(fā)展，國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)迎來發(fā)展機(jī)遇。

近年來，全球半導(dǎo)體產(chǎn)能向國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)移，國(guó)內(nèi)晶圓生產(chǎn)線不斷擴(kuò)產(chǎn)或新增，成為全球新建晶圓廠最積極的地區(qū)，為國(guó)產(chǎn)設(shè)備提供了巨大的市場(chǎng)空間。根據(jù)中國(guó)國(guó)際招標(biāo)網(wǎng)信息，長(zhǎng)江存儲(chǔ)、華虹無錫等近年新建晶圓廠招標(biāo)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率已顯著提升，包括北方華創(chuàng)、中微公司、屹唐半導(dǎo)體等企業(yè)均有中標(biāo)。

再者，過去兩年國(guó)際貿(mào)易摩擦態(tài)勢(shì)反復(fù)，美國(guó)對(duì)國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的技術(shù)限制愈加嚴(yán)格。

在此環(huán)境背景下，半導(dǎo)體設(shè)備國(guó)產(chǎn)替代迫在眉睫，國(guó)家高度重視和大力支持行業(yè)發(fā)展，相繼出臺(tái)了多項(xiàng)政策，推動(dòng)中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和加速國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程，國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)的發(fā)展情況更是受到了業(yè)界重點(diǎn)關(guān)注。國(guó)家的重視與支持以及產(chǎn)業(yè)與市場(chǎng)的迫切需求，將有望促使國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)加快發(fā)展步伐。

還有一個(gè)較好的發(fā)展勢(shì)頭是在資金方面。半導(dǎo)體設(shè)備投資周期長(zhǎng)、研發(fā)投入大，是典型的資本密集型行業(yè)，尤其是光刻機(jī)領(lǐng)域。此前，國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體設(shè)備企業(yè)的主要資金來源于股東投入與政府支持，融資渠道單一，近年來國(guó)家大基金、地方性投資基金及民間資本以市場(chǎng)化的投資方式進(jìn)入半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，豐富了半導(dǎo)體設(shè)備企業(yè)的資金來源，不少企業(yè)也正在尋求上市。

目前，北方華創(chuàng)、晶盛機(jī)電、長(zhǎng)川科技等企業(yè)早已登陸資本市場(chǎng)，中微公司、華峰測(cè)控、芯源微等半導(dǎo)體設(shè)備企業(yè)亦集中在去年以及今年于科創(chuàng)板上市。光刻機(jī)企業(yè)方面，上海微電子裝備于2017年12月已進(jìn)行輔導(dǎo)備案，光刻機(jī)雙工件臺(tái)企業(yè)華卓精科亦擬闖關(guān)科創(chuàng)板，近日江蘇影速亦宣布已進(jìn)入上市輔導(dǎo)階段。

此外，隨著市場(chǎng)資本進(jìn)入半導(dǎo)體設(shè)備領(lǐng)域，近兩年來亦新增了一些光刻機(jī)相關(guān)項(xiàng)目。如今年6月5日，上海博康光刻設(shè)備及光刻材料項(xiàng)目簽約落戶西安高陵，據(jù)西安晚報(bào)報(bào)道，該項(xiàng)目總占地200畝，總投資13億元；今年4月，埃眸科技納米光刻機(jī)項(xiàng)目落戶常熟高新區(qū)，計(jì)劃總投資10億元，主要方向?yàn)榧{米壓印光刻機(jī)的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售及運(yùn)營(yíng)。

有人說，對(duì)于半導(dǎo)體設(shè)備產(chǎn)業(yè)而言，這是最好的時(shí)代、也是最壞的時(shí)代。面對(duì)與國(guó)際先進(jìn)水平的差距以及技術(shù)封鎖，國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)仍有很長(zhǎng)的路要走。除去外部因素，自身人才匱乏、技術(shù)欠缺亦是發(fā)展難題，光刻機(jī)研制出來后產(chǎn)線驗(yàn)證難更是制約國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)進(jìn)入生產(chǎn)線的主要瓶頸之一，種種問題亟待解決。

不過，國(guó)內(nèi)越來越多的新增晶圓生產(chǎn)線走向穩(wěn)定，將有望給予國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)等更多“試錯(cuò)”機(jī)會(huì)。對(duì)于國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)，我們需要承認(rèn)差距，亦要寄予希望，上海微電子裝備等已燃起了星星之火，我們期待其早日燎原。