說到光刻機(jī),，大家第一反應(yīng)是什么,？筆者第一反應(yīng)是ASML,，第二反應(yīng)是價(jià)格特別昂貴,，第三反應(yīng)是我國卡脖子技術(shù)。不知不覺中，ASML似乎成了光刻機(jī)的代名詞，這個想法如果被上世紀(jì)八九十年代的尼康和佳能知道，可能要?dú)獾弥贝岛?，“哪里來的毛頭小子，也敢和我比肩”。

　　不過,，現(xiàn)實(shí)就是這么殘忍,，正所謂“三十年河?xùn)|，三十年河西”,。在四五十年后的今天,，當(dāng)初的毛頭小子成為了如今手持幾十臺“印鈔神獸”的霸主,，占據(jù)了全球80%的光刻機(jī)營收份額,，而曾今的巨頭只能淪為二三線，但說到底也是曾經(jīng)稱霸一方的巨頭,，即使遠(yuǎn)不敵當(dāng)年驍勇,，但也不會輕易舍棄光刻機(jī)這一杯羹。

　　面對越來越火熱的芯片產(chǎn)業(yè),，ASML在EUV道路上一路狂奔,，佳能和尼康卻“獨(dú)辟蹊徑”，試圖在獨(dú)特路線上通過差異化來獲取競爭優(yōu)勢,。

　　ASML,，壟斷EUV

　　“如果我們交不出EUV，摩爾定律就會從此停止,?！盇SML首席執(zhí)行官Peter Wennink在2017年曾如是說過，這句話很囂張,，但無人可以反駁,。從本世紀(jì)初開始，就不斷有人預(yù)言摩爾定律將死,，如今摩爾定律已經(jīng)成功迎來了第57個年頭,，全球芯片工藝進(jìn)程也在向3nm，甚至更先進(jìn)的方向邁進(jìn),，而實(shí)現(xiàn)這一切的大功臣就是ASML的EUV光刻機(jī),。

　　EUV光刻機(jī)也叫做極紫外光刻機(jī)，工藝極其復(fù)雜,。ASML EUV光刻機(jī)使用 13.5 nm 的波長,，由來自全球近800家供貨商的多個模塊和數(shù)十萬個零件組成，每個模塊都在ASML遍布全球的60個工廠中完成生產(chǎn),，然后運(yùn)往維爾德霍溫進(jìn)行組裝,，運(yùn)輸一套EUV曝光機(jī)需要20輛卡車，或者三架滿載的波音747飛機(jī),。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)大概如下：

　　圖源：ASML

　　從ASML 官方消息來看,，EUV技術(shù)從1994年就開始工業(yè)化，由ASML參加的聯(lián)盟交付了第一個原型。2006 年 8 月,，ASML向美國奧爾巴尼的納米科學(xué)與工程學(xué)院和比利時(shí)魯汶的 imec 運(yùn)送了世界上第一臺 EUV 光刻演示工具,。2013年，第一個 EUV 生產(chǎn)系統(tǒng) TWINSCAN NXE:3300 發(fā)貨,。

　　站在現(xiàn)在回看過去,，寥寥數(shù)筆似乎就可以概括當(dāng)時(shí)研發(fā)EUV光刻機(jī)的那段歷史，但事實(shí)上研發(fā)過程十分艱難,，主要問題在于EUV研發(fā)實(shí)在是太費(fèi)錢了,，風(fēng)險(xiǎn)巨大。在當(dāng)時(shí)看來,，它就像一個無底吞金“黑洞”,，大把大把的錢砸進(jìn)去都不一定能聽到個響。但ASML砸了,，官方消息顯示,，ASML 在 17 年間在 EUV 研發(fā)上投入了超過 60 億歐元。

　　如今,，先進(jìn)制程已經(jīng)來到了3nm的交叉路口,，臺積電和三星都表示將在今年量產(chǎn)3nm，而他們量產(chǎn)所用的光刻機(jī)應(yīng)該就是ASML最新一代0.33 NA光刻系統(tǒng)TWINSCAN NXE:3600D,。那么3nm以后,，摩爾定律又該如何“續(xù)命”？ASML日本(東京都品川區(qū))的藤原祥二郎社長表示,，“摩爾定律預(yù)計(jì)未來10年后還會持續(xù)下去,，以此為中心支撐的是最先進(jìn)的EUV光刻機(jī)”。近期,，阿斯麥公眾號也指出：“只要我們還有想法,，摩爾定律就會繼續(xù)生效！”

　　從ASML 透露的消息可以看出,，ASML正在開發(fā)下一代 EUV 平臺,，將數(shù)值孔徑 (NA) 從 0.33 增加到 0.55，可以支持多個未來節(jié)點(diǎn),。

　　圖源：ASML

　　據(jù)了解,，ASML 下一代EUV 0.55 NA平臺有望使芯片尺寸減小1.7倍，進(jìn)一步提高分辨率,，并將微芯片密度提高近3倍,。第一個EUV 0.55 NA平臺早期接入系統(tǒng)預(yù)計(jì)將在2023年投入使用，預(yù)計(jì)客戶將在2024-2025年開始研發(fā),，2025-2026年進(jìn)入客戶的大批量生產(chǎn),。ASML預(yù)計(jì)在2025年之前擁有大約20臺0.55 High-NA EUV,。

　　在產(chǎn)能方面，過去十年,，ASML總共售出大約140套EUV光刻機(jī),。但在未來，EUV光刻機(jī)想必會越來越吃香,，畢竟除了邏輯芯片外,，一直采用成熟制程的存儲芯片廠商也開始加入戰(zhàn)局。

　　ASML 光刻部門的年收入份額圖源：counterpoint

　　去年8月,，美光CEO Sanjay Mehrotra在采訪中確認(rèn),，美光已將EUV技術(shù)納入DRAM技術(shù)藍(lán)圖，將由10nm世代中的1γ（gamma）工藝節(jié)點(diǎn)開始導(dǎo)入,。作為長期批量協(xié)議的一部分,， 美光已從 ASML 訂購了多種 EUV 工具,。此外,，SK 海力士也強(qiáng)調(diào)了 EUV 的重要用途，與非 EUV 光刻相比,，其 10nm DRAM 產(chǎn)品的每片晶圓的單位產(chǎn)量增加了 25%,。

　　為了滿足不斷增長的光刻機(jī)需求，ASML方面指出,，于22Q1提高了產(chǎn)能擴(kuò)張計(jì)劃,，預(yù)計(jì)到2024年產(chǎn)能擴(kuò)張25%左右，到2025年形成90臺0.33 NA EUV和約600臺DUV產(chǎn)能,。

　　佳能,，NIL控制成本

　　佳能在上世紀(jì)輸出還是很猛的，在1970年發(fā)售了日本首臺半導(dǎo)體光刻機(jī)PPC-1,；1975年發(fā)售的FPA-141F光刻機(jī),，在世界上首次實(shí)現(xiàn)了1微米以下的光刻；1984年推出了FPA-1500FA,，分辨率為 1.0 μm,；1994 年發(fā)布第一款 FPA-3000 系列，配備了分辨率為 0.35 μm 的 i-line 鏡頭,，是當(dāng)時(shí)世界上分辨率最高的鏡頭之一,。

　　算了算，今年是佳能正式投入半導(dǎo)體光刻機(jī)領(lǐng)域的第52周年,，在上世紀(jì)被著名的干濕路線之爭絆了一跤之后,，佳能就有些趕不上ASML的步伐了。如今,，佳能專注于低端產(chǎn)品,，官網(wǎng)顯示,，佳能出售的光刻機(jī)涉及i-line到KrF級別，并沒有浸入式光刻機(jī),，與EUV光刻機(jī)區(qū)別就在于光源波長的不同,，EUV 技術(shù)所使用的光源波長為13·5納米，而KrF技術(shù)則是248納米,，i線光源波長是365納米,。眾所周知，對于光刻機(jī)來說,，所用光源波長越短,，越能描繪微細(xì)線寬的半導(dǎo)體電路。所以能感受到兩者之間的差距了吧,。

　　雖然佳能光刻機(jī)低端,，但近期熱度卻不小，據(jù)華爾街日報(bào)去年年底報(bào)道,，1995年制造的二手光刻機(jī)佳能FPA3000i4,，在2014年10月只值10萬美元，今天則值170萬美元,。佳能日前公布的財(cái)報(bào)也指出安全攝像頭以及光刻機(jī)推動業(yè)績打仗,，隨著半導(dǎo)體設(shè)備投資的增加，佳能的光刻機(jī)業(yè)務(wù)還會持續(xù)增長,。

　　不過“啃老”總歸不長久,，創(chuàng)新才是真的出路。在EUV領(lǐng)域想要趕超ASML幾乎是不可能的了,，那不如就換個方向,，而佳能選中的就是“納米壓印光刻（NIL）”。佳能官方對NIL是這么介紹的,，這種方法具有簡單,、緊湊、能夠以低成本制造芯片的優(yōu)點(diǎn),。

　　確實(shí),，相比EUV光刻機(jī)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)以及難以提高生產(chǎn)率，NIL 只需要將形成三維結(jié)構(gòu)的掩膜壓在晶圓上被稱為液體樹脂的感光材料上,，同時(shí)照射光線,，一次性完成結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)印的方法。不需使用EUV光刻機(jī),，也不需要使用鏡頭,，而且還可以將耗電量可壓低至EUV技術(shù)的10%，并讓設(shè)備投資降低至僅有EUV設(shè)備的40% ,，可以說是“省錢小能手”,。

　　圖源：佳能官網(wǎng)

　　官方消息顯示,，佳能早在2004 年就開始研發(fā)NIL技術(shù)，2014年美國分子壓印公司（現(xiàn)佳能納米技術(shù)）加入佳能集團(tuán)的消息公開,，明確表示將使用納米壓印法進(jìn)行開發(fā),。2021 年春季，大日本印刷在根據(jù)設(shè)備的規(guī)格進(jìn)行了內(nèi)部模擬,，發(fā)現(xiàn)在電路形成過程中每個晶片的功耗可以降低到使用EUV曝光時(shí)的大約1/10,，根據(jù)大日本印刷的說法，NIL量產(chǎn)技術(shù)電路微縮程度則可達(dá)5nm節(jié)點(diǎn),。2017 年 7 月,，佳能納米壓印半導(dǎo)體制造設(shè)備“FPA-1200NZ2C”設(shè)備交付給東芝存儲器四日市工廠。

　　東芝存儲器四日市工廠調(diào)整納米壓印半導(dǎo)體制造設(shè)備“FPA-1200NZ2C”圖源：佳能

　　在佳能開發(fā)人員首藤真一看來,，這種納米壓印設(shè)備是一種將創(chuàng)造未來的設(shè)備,。未來，半導(dǎo)體會變得更精細(xì),，不僅會被封裝在智能手機(jī)中,，未來還會被用作貼紙，比如貼在人體皮膚上或隱形眼鏡上,。他相信只有納米壓印方式才能以客戶要求的成本和速度實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn),。

　　從目前透露的消息來看,，和佳能共同開發(fā)的NIL技術(shù)的鎧俠已掌握NIL 15nm的制程量產(chǎn)技術(shù),，目前正在進(jìn)行15nm以下技術(shù)研發(fā)，預(yù)計(jì)2025年進(jìn)一步達(dá)成,。不過佳能方面還未透露出設(shè)備量產(chǎn)的消息,，實(shí)用化的時(shí)期還不明確，我們可以期待下,。

　　尼康,，ArF液浸打磨

　　說完了佳能，再來聊聊尼康,。尼康在上世紀(jì)末是當(dāng)之無愧的光刻機(jī)巨頭,，從 80 年代后期至本世紀(jì)初，尼康光刻機(jī)市場占有率超50%,，代表著當(dāng)時(shí)光刻機(jī)的最高水平,。這點(diǎn)從尼康官網(wǎng)半導(dǎo)體光刻系統(tǒng)歷史發(fā)展也可以看出，1980年出貨 NSR-1010G（分辨率：1.0 ?m）,，從1984年開始,，幾乎每年都會出貨至少1款光刻機(jī)。

　　到了1999年,，除了推出世界第一臺干式ArF掃描儀NSR-S302A（分辨率≦180 nm）外,，尼康還推出了NSR-SF100（分辨率≦400nm）,；NSR-S204B（分辨率≦150nm）；NSR-2205i14E2（分辨率≦350nm）,；NSR-S305B（分辨率≦110nm）四款設(shè)備,，銷售的半導(dǎo)體光刻系統(tǒng)數(shù)量達(dá)到 6,000 臺。

　　圖源：尼康

　　那時(shí)候尼康的光輝事跡密密麻麻可以寫滿了好幾頁,，不過,，和佳能一樣，本世紀(jì)初的那場干濕路線之爭成為了轉(zhuǎn)折點(diǎn),。如今的尼康雖然憑借多年技術(shù)積累位居光刻機(jī)二線供應(yīng)商地位,，但份額已經(jīng)極大的縮小了。2021年度,，Nikon光刻機(jī)業(yè)務(wù)營收約112億元人民幣,，出貨了29臺集成電路用光刻機(jī)，較2020年減少4臺,。

　　目前,，在光刻機(jī)技術(shù)方面，尼康主推ArF浸沒式技術(shù),，大部分精力都在Arf和i－line光刻機(jī)領(lǐng)域,。ArF光刻機(jī)也就是DUV光刻機(jī)，光源波長達(dá)到193nm,，波長的限制使得DUV無法實(shí)現(xiàn)更高的分辨率,，因此DUV只能用于制造7nm及以上制程的芯片。

　　不過這也說明了,，相比佳能,，尼康的光刻機(jī)更先進(jìn)一點(diǎn)。雖然DUV光刻機(jī)也是ASML的專場,，但尼康仍然有野心追趕ASML,，專注于研發(fā)ArF液浸。尼康官網(wǎng)提到下一代光刻系統(tǒng)是這么說的：隨著小型化的進(jìn)展,，達(dá)到了阻止現(xiàn)有光刻技術(shù)處理較小尺寸的理論障礙,，這個問題的解決方案是浸入式光刻技術(shù)，尼康將其整合到其半導(dǎo)體光刻系統(tǒng)中,。

　　尼康常務(wù)執(zhí)行董事濱谷正人曾斷言,，“ArF液浸作為尖端曝光裝置使用的電路尺寸是主戰(zhàn)場”。2018年,，尼康推出了NSR-S635E ArF 浸沒式掃描儀,，該光刻機(jī)專為5nm工藝制程量產(chǎn)而開發(fā)，確保出色的聚焦穩(wěn)定性并最大限度地減少缺陷以提高產(chǎn)量,，以每小時(shí)高達(dá) 275 個晶圓的超高通量優(yōu)化可負(fù)擔(dān)性,。

　　圖源：尼康

　　到了2021年10月,，尼康宣布開發(fā)NSR-S635E進(jìn)階版——NSR-S636E ArF 浸沒式掃描儀，將提供卓越的覆蓋精度和超高吞吐量,，以支持最關(guān)鍵的半導(dǎo)體設(shè)備的制造,，預(yù)計(jì)將于 2023 年開始銷售。雖然尼康并未公布S636E更多的參數(shù),，但是作為NSR-S635E進(jìn)階版,，量產(chǎn)5nm芯片應(yīng)該不在話下。

　　同佳能一樣,，在芯片熱潮的帶動下,，尼康對光刻機(jī)業(yè)績也給了很大的期望。今年3月,，尼康發(fā)布了2022年度半導(dǎo)體曝光裝置銷量,，預(yù)計(jì)將超過2019年度的業(yè)績45臺，將比2021年度的預(yù)測上增加13臺以上,，達(dá)近10年最高銷量,。此外，尼康今后將以物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展為背景,，建設(shè)半導(dǎo)體新工廠,，預(yù)計(jì)到2024年度為止，銷售臺數(shù)都將保持穩(wěn)定,。

　　圖源：雅虎

　　結(jié)合尼康下一代光刻機(jī)的推出時(shí)間,，我們可以期待兩年后的尼康會有怎樣的變化。

　　寫在最后

　　如果你來自未來,，或許那時(shí)候的芯片產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成功邁入了埃米時(shí)代,，回頭再看2022年，也許會像ASML過去研發(fā)EUV技術(shù)一樣,，寥寥數(shù)筆就囊括了所有光刻機(jī)廠商們所為之做出的努力。但要記得,，在當(dāng)下,，在2022年，他們?nèi)栽谔剿髦柖傻摹袄m(xù)命之道”,。

　　而這條路,，道阻且長。