7nm大戰(zhàn)在即 EUV熱潮不斷 中國半導(dǎo)體設(shè)備產(chǎn)業(yè)如何推進(jìn)

7nm大戰(zhàn)在即 EUV熱潮不斷 中國半導(dǎo)體設(shè)備產(chǎn)業(yè)如何推進(jìn)

半導(dǎo)體制造三星、臺(tái)積電先后宣布將于2018年量產(chǎn)7納米晶圓制造工藝。這一消息使得業(yè)界對半導(dǎo)體制造的關(guān)鍵設(shè)備之一極紫外光刻機(jī)（EUV）的關(guān)注度大幅提升。此后又有媒體宣稱，國外政府將對中國購買EUV實(shí)施限制，更是吸引了大量公眾的目光。一時(shí)之間，仿佛EUV成為了衡量中國半導(dǎo)體設(shè)備產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平的*，沒有EUV就無法實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體強(qiáng)國之夢。以目前中國半導(dǎo)體制造業(yè)的發(fā)展水平，購買或者開發(fā)EUV光刻機(jī)是否必要？中國應(yīng)如何切實(shí)推進(jìn)半導(dǎo)體設(shè)備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展？

EUV面向7nm和5nm節(jié)點(diǎn)

所謂極紫外光刻，是一種應(yīng)用于現(xiàn)代集成電路制造的光刻技術(shù)，它采用波長為10～14納米的極紫外光作為光源，可使曝光波長降到13.5nm，這不僅使光刻技術(shù)得以擴(kuò)展到32nm工藝以下，更主要的是，它使納米級時(shí)代的半導(dǎo)體制造流程更加簡化，生產(chǎn)周期得以縮短。

賽迪智庫半導(dǎo)體研究所副所長林雨就此向《中國電子報(bào)》記者解釋：“光刻是芯片制造技術(shù)的主要環(huán)節(jié)之一。目前主流的芯片制造是基于193nm光刻機(jī)進(jìn)行的。然而193nm浸沒光刻技術(shù)很難支撐40nm以下的工藝生產(chǎn)，因此到了22/20nm及以下工藝節(jié)點(diǎn)，芯片廠商不得不將193nm液浸技術(shù)和各種多重成像技術(shù)結(jié)合起來使用，以便突破工藝極限。但是采用多重成像的手段就需要進(jìn)行多次光刻、蝕刻、淀積等流程，無形中提升了制造成本，拉長了工藝周期。”

因此，EUV技術(shù)實(shí)質(zhì)上是通過提升技術(shù)成本來平衡工序成本和周期成本。例如，按照格羅方德的測算，啟用EUV技術(shù)，在7nm和5nm節(jié)點(diǎn)，都僅需要1個(gè)光罩即可生產(chǎn)。這樣理論上來說，就可以起到簡化工藝流程，減少生產(chǎn)周期的作用。

對此，芯謀研究總監(jiān)王笑龍便指出：“EUV技術(shù)的研發(fā)主要是針對傳統(tǒng)工藝中多次曝光等繁瑣問題。在過去的技術(shù)中，曝光過程可能重復(fù)2～3次，但是EUV技術(shù)可以一次完成，既減少了工序，又節(jié)約了時(shí)間。在簡化工藝流程、縮短生產(chǎn)周期的同時(shí)，EUV也增加了產(chǎn)能，提升了效率。”

中國購買為時(shí)尚早

針對EUV，在國內(nèi)流傳著一種聲音：受西方《瓦森納協(xié)議》的限制，中國只能買到ASML的中低端產(chǎn)品，出價(jià)再高，也無法購得ASML的設(shè)備。日前，ASML中國區(qū)總裁金泳璇在接受《中國電子報(bào)》記者采訪時(shí)否認(rèn)了這一說法。據(jù)金泳璇透漏：“國內(nèi)某半導(dǎo)體晶圓廠現(xiàn)已與ASML展開7nm工藝制程EUV訂單的商談工作，*臺(tái)EUV設(shè)備落戶于中國指日可待。”

這就是說，EUV要進(jìn)口到中國并沒有受到限制。但是，EUV技術(shù)進(jìn)入中國zui大的問題可能并非受限與否，而是有沒有必要現(xiàn)在購買？由于EUV開發(fā)的技術(shù)難度*，特別是EUV光源的功率不足，導(dǎo)致曝光時(shí)間過長，使得EUV一直很難得到實(shí)用，目前上EUV技術(shù)較為成熟的企業(yè)只有ASML一家，其銷售的EUV價(jià)格極為高昂，一臺(tái)售價(jià)超過1億歐元。而目前EUV的主要應(yīng)用范圍是7nm以下工藝節(jié)點(diǎn)，尤其5nm工藝節(jié)點(diǎn)的晶圓制造。

“對于國內(nèi)制造企業(yè)而言，芯片制造的工藝水平還達(dá)不到EUV所擅長的范圍，目前我們28納米量產(chǎn)，14納米還在布局。對于EUV而言，如果采用該技術(shù)進(jìn)行14nm芯片量產(chǎn)，成本太高了。”林雨指出。

王笑龍也認(rèn)為EUV技術(shù)對于中國來說仍是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。王笑龍介紹，EUV主要是從7nm開始，目前國內(nèi)暫時(shí)沒有這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用。國內(nèi)集成電路較為落后，尚未達(dá)到EUV技術(shù)的*水平，國內(nèi)的一些企業(yè)尚未對該項(xiàng)技術(shù)產(chǎn)生一定的支撐作用。“EUV進(jìn)入中國可能是多年以后的事情，目前國內(nèi)28nm才剛開始，14nm大概要2020年，那么7nm技術(shù)，zui壞的預(yù)測可能是2025年，并且中國技術(shù)較為落后，追趕*技術(shù)會(huì)產(chǎn)生高額費(fèi)用，暫時(shí)尚無足夠資金支撐這項(xiàng)技術(shù)。”王笑龍說。

實(shí)用化挑戰(zhàn)當(dāng)前依然存在

事實(shí)上，不僅中國對EUV的應(yīng)用時(shí)日尚早，上對EUV的應(yīng)用也局限在很小的范圍。對于EUV產(chǎn)業(yè)化過程中zui大的挑戰(zhàn)，林雨表示主要來自于光源和持續(xù)生產(chǎn)率。“例如，250W光源是使EUV可用于芯片量產(chǎn)的關(guān)鍵要素。到目前為止，ASML公司已經(jīng)推出多種采用80W光源的原型，預(yù)計(jì)將在年底推出其125W系統(tǒng)。目前，250W光源主要存在于實(shí)驗(yàn)階段，用于產(chǎn)業(yè)化流程中所急需突破的問題是光源的可靠工作效率。據(jù)賽迪智庫調(diào)查了解，Gigaphoton正在幫助ASML生產(chǎn)這種光源。”林雨說。

根據(jù)ASML不久前公布的數(shù)據(jù)，2017年EUV設(shè)備全年出貨量僅有12臺(tái)，預(yù)計(jì)明年出貨量將增加至20臺(tái)，而現(xiàn)在客戶未出貨訂單為27臺(tái)。日前，ASML公司將EUV光刻機(jī)小范圍量產(chǎn)，所配用的是業(yè)內(nèi)人士翹首以盼的250W光源，計(jì)劃于2017年年底完成設(shè)備產(chǎn)品化。

除此之外，耗電量和曝光速度也是EUV技術(shù)的實(shí)踐者需要征服的挑戰(zhàn)。“光刻膠和光照膜是傳統(tǒng)工藝中使用到的材料，現(xiàn)在已經(jīng)不適應(yīng)EUV技術(shù)的發(fā)展。此外，EUV技術(shù)還面臨耗電量大等問題。EUV目前的曝光速度與人們的期望還有一定差距。假如傳統(tǒng)工藝一次曝光用1小時(shí)，整個(gè)過程共需4次曝光，一共要4小時(shí)，EUV技術(shù)只需要一次曝光，預(yù)期耗費(fèi)1小時(shí)便可以完成，但是現(xiàn)實(shí)中卻需要3小時(shí)左右。”王笑龍說。

成本高也是EUV技術(shù)的一個(gè)難題。“EUV技術(shù)研發(fā)投入的資金量很大，技術(shù)昂貴，設(shè)備。如果這些問題得不到改善，那么這項(xiàng)技術(shù)將無法得到實(shí)用。鑒于以上所述，EUV技術(shù)既是挑戰(zhàn)，也是機(jī)遇。”王笑龍說。

長期戰(zhàn)略，中國不應(yīng)缺位

盡管EUV現(xiàn)在還存在各種障礙，但是其未來應(yīng)用前景依然各方被看好。從長遠(yuǎn)角度來看，發(fā)展EUV技術(shù)是非常必要的。對此，林雨指出：“自上世紀(jì)九十年代起，中國便開始關(guān)注并發(fā)展EUV技術(shù)。zui初開展的基礎(chǔ)性關(guān)鍵技術(shù)研究主要分布在EUV光源、EUV多層膜、超光滑拋光技術(shù)等方面。2008年‘極大規(guī)模集成電路制造裝備及成套工藝’國家科技重大專項(xiàng)將EUVL技術(shù)列為下一代光刻技術(shù)重點(diǎn)攻關(guān)?！吨袊圃?025》也將EUVL列為了集成電路制造領(lǐng)域的發(fā)展重點(diǎn)對象，并計(jì)劃在2030年實(shí)現(xiàn)EUV光刻機(jī)的國產(chǎn)化。”

“目前來看，EUV這項(xiàng)技術(shù)對中國尚無實(shí)際意義，但是具有一定的戰(zhàn)略意義。中國雖然技術(shù)落后，研發(fā)EUV技術(shù)困難頗多，但是仍要發(fā)展完整的工業(yè)體系，EUV是整套體系中zui困難的一塊。放眼于未來，中國的技術(shù)zui后還是會(huì)到達(dá)高水平層次，7nm技術(shù)也會(huì)得到應(yīng)用，這一步勢必要走，所以現(xiàn)在的準(zhǔn)備工作是一定要做的，努力減小未來中國與世界的差距，所以即使如今技術(shù)不成熟、制作設(shè)備缺少、但是EUV技術(shù)還是要加大關(guān)注，為未來我國技術(shù)做鋪墊。”王笑龍說。

雖然國家政策對于*EUV技術(shù)給予了研究支持，但是中國在光刻行業(yè)的技術(shù)、人才等積累還很薄弱。追逐者，中國必將付出更大的精力和更多的資金。“對于中國來說，這項(xiàng)技術(shù)的基礎(chǔ)薄弱，制作設(shè)備稀缺，光學(xué)系統(tǒng)也會(huì)是極大的挑戰(zhàn)，可以這么比喻，在中國，做EUV要比做航空母艦困難得多。”王笑龍說。

因此，針對于中國EUV技術(shù)的發(fā)展，王笑龍給出了一些建議。“追求實(shí)用技術(shù)是企業(yè)的本能，追求技術(shù)卻不符合企業(yè)效益。因此對于*EUV技術(shù)，光靠企業(yè)和社會(huì)資本是無法支撐起來的，對于企業(yè)來說，研發(fā)技術(shù)缺少資金的支持；對于社會(huì)資本來說，缺乏熱情的投入，因此，這項(xiàng)技術(shù)需要政府的支持，需要國家政策的推進(jìn)。”王笑龍說。

7nm大戰(zhàn)在即 買不到EUV光刻機(jī)的大陸廠商怎么辦？

基于三星10nm制程工藝的驍龍835早已隨著三星S8、小米6等一眾手機(jī)面世，而基于臺(tái)積電10nm制程工藝的聯(lián)發(fā)科Helio X30也和魅族Pro 7系列手機(jī)一起亮相了。除此之外麒麟970及A11處理器將于今秋和消費(fèi)者見面，各家產(chǎn)品雖有強(qiáng)有弱但手機(jī)芯片的10nm時(shí)代已經(jīng)展開，下一步就是向7nm推進(jìn)，工藝推動(dòng)者無疑就是三星和臺(tái)積電這兩家已較勁了幾代制程的業(yè)者了。

對于7nm制程工藝，三星和臺(tái)積電兩大晶圓代工領(lǐng)域*都早已入手布局以便爭搶IC設(shè)計(jì)業(yè)者們的訂單。其中三星原定于明年破土動(dòng)工的韓國華城18號生產(chǎn)線動(dòng)工時(shí)間已被提前到了今年11月，以便在2019年能夠進(jìn)入7nm制程量產(chǎn)階段。值得注意的是三星華城18號生產(chǎn)線將會(huì)架設(shè)10多臺(tái)極紫外光（EUV）設(shè)備。而根據(jù)早前的報(bào)道，目前臺(tái)積電在7nm上已有12個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)定案，*代7nm將在2018年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)（一說為年前實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)），第二代7nm則會(huì)在2019年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，并導(dǎo)入極紫外光技術(shù)。

不論是三星還是臺(tái)積電在7nm上都將引入EUV設(shè)備，而這種被視為延續(xù)摩爾定律的設(shè)備的研發(fā)正是因?yàn)橹瞥坦に囘M(jìn)入10nm后難度驟增，193nm光刻技術(shù)不足以應(yīng)付7nm、5nm的需要，所以寄希望于研發(fā)EUV光刻工藝來推動(dòng)制程進(jìn)步。

7nm制程的進(jìn)度在一定程度上也是被EUV設(shè)備所控制的，而EUV設(shè)備卻是被荷蘭半導(dǎo)體設(shè)備廠商ASML所控制的。據(jù)悉ASML是一家從事半導(dǎo)體設(shè)備設(shè)計(jì)、制造及銷售的企業(yè)，于1984年從飛利浦獨(dú)立出來，在去年先后宣布收購漢微科及蔡司半導(dǎo)體24.9%股份。這家壟斷了光刻機(jī)市場的廠商股東中有三家就是我們耳熟能詳?shù)挠⑻貭?、臺(tái)積電和三星。而據(jù)其公布的2017第二季財(cái)報(bào)顯示，公司該季營收凈額為21億歐元，毛利率為45%。

EUV光刻機(jī)研發(fā)難度非常大因此單臺(tái)價(jià)格高昂至少要1億多歐元，但這種價(jià)值連城的設(shè)備還不是有錢就能買到的，如受限于《瓦森納協(xié)定》，大陸的廠商就買不到zui的光刻機(jī)設(shè)備。此外，由于EUV光刻機(jī)生產(chǎn)難度和成本都非常大，導(dǎo)致稱霸了該領(lǐng)域的ASML年產(chǎn)量也只有12臺(tái)。不過有報(bào)道稱，ASML正在提升生產(chǎn)效率，或能在2018年將產(chǎn)能增加到24臺(tái)，2019年達(dá)到40臺(tái)。

對于大力投入集成電路發(fā)展的大陸，ASML雖然不能出售zui的設(shè)備，但是也有其他的合作方式。3月份時(shí)，與上海微電子裝備（集團(tuán)）股份有限公司簽署了戰(zhàn)略合作備忘錄；6月份時(shí)，宣布與上海集成電路研究開發(fā)中心合作，將共同建立一個(gè)培訓(xùn)中心。而國內(nèi)對于光刻機(jī)設(shè)備的研究也十分重視，由長春光機(jī)所牽頭承擔(dān)的國家科技重大專項(xiàng)02專項(xiàng)——“極紫外光刻關(guān)鍵技術(shù)研究”項(xiàng)目已于今年6月在評審專家組的一致同意下通過了項(xiàng)目驗(yàn)收，這是我國極紫外光刻核心光學(xué)技術(shù)水平提升的重要一步。