原创 ASML出货5nm工艺的DUV光刻机,细说先进节点光刻技术及代工博弈 ... ... ...

2018-8-3 19:33 11331 2 2 分类: EDA/ IP/ 设计与制造
据外媒报道,光刻机霸主ASML(阿斯麦)已经开始出货新品Twinscan NXT:2000i DUV(NXT:2000i双工件台深紫外光刻机),可用于7nm和5nm节点。NXT:2000i将是NXE:3400B EUV光刻机的有效补充,毕竟台积电/GF的第一代7nm都是基于DUV工艺。

同时,NXT:2000i也成为了ASML旗下套刻精度(overlay)最高的产品,达到了和3400B一样的1.9nm(5nm要求执照2.4nm,7nm要求至少3.5nm)。

ASML将于本季度末开始量产Twinscan NXT:2000i,价格未披露。目前,NXE:3400B EUV光刻机的报价是1.2亿美元一台,传统的ArF沉浸式光刻机(14nm节点)报价是7200万美元之间, NXT:2000i肯定是在这两者之间了。

目前主流的半导体生产中使用的是波长193nm的深紫外(DUV)光刻。实际上,在制程发展到130nm之前,人们就曾指出193nm深紫外光会发生严重的衍射现象而无法继续使用,需要换用波长为13.5nm的极紫外(EUV)光刻才能继续缩小半导体工艺。此外,还有一些公司推崇的e-beam电子束光刻技术。

EUV的研发始于20世纪90年代,最早希望在90nm制程节点投入应用,然而EUV光刻机一直达不到正式生产的要求。无奈之下,人们只能通过沉浸式光刻、多重曝光等手段,将DUV一路推进到了10nm阶段。

ASML的EUV光刻机使用40对蔡司镜面构成光路,每个镜面的反光率为70%。这也就是说,EUV光束通过该系统中的每一对镜面时都会减半,在经过40对镜面反射后,只有不到2%的光线能投射到晶元上。

到达晶圆的光线越少,光刻所需的曝光时间就越长,相应的生产成本也就越高。为了抵消镜面反射过程中的光能损耗,EUV光源发出的光束必须足够强,这样才能与现在非常成熟的DUV光刻技术比拼时间成本。

但是多年以来,光照亮度的提升始终未能达到人们的预期,ASML的EUV产品市场负责人Hans Meiling曾表示,人们严重低估了EUV的难度。正在实验中的EUV光源焦点功率刚刚达到250瓦,可以支撑机器每小时处理125个晶片,效率仅有现今DUV的一半。

如果再加上价格和能耗,EUV取代DUV还会更加艰难。最新的EUV光刻机价格超过1亿欧元,是DUV光刻机价格的二倍有余,且使用EUV光刻机进行批量生产时会消耗1.5兆瓦的电力,远超现有的DUV光刻机。

ASML方面表示,EUV光刻设备尚未彻底准备完成,最快也要到2019年才能应用于正式生产,因此几大半导体代工厂均在DUV+多重曝光技术上继续深挖,以求撑过EUV光刻机的真空期。

7nm群英会:几大半导体代工厂部署7nm制程节点时用什么光刻技术?

三星

作为芯片代工行业的后来者,三星是“全球IBM制造技术联盟”中激进派的代表,早早就宣布了7nm时代将采用EUV。今年4月,三星刚刚宣布已经完成了7nm新工艺的研发,并成功试产了7nm EUV晶元,比原进度提早了半年。

据日本PC WATCH网站上后藤弘茂的分析,三星7nm EUV的特征尺寸为44nm*36nm(Gate Pitch*Metal Pitch),仅为10nm DUV工艺的一半左右。

除了一步到位的7nm EUV外,三星还规划了一种8nm制程。这个制程实际上是使用DUV光刻+多重曝光生产的7nm制程,继承所有10nm工艺上的技术和特性。

由于DUV光刻的分辨率较差,因而芯片的电气性能不如使用7nm EUV,所以三星为其商业命名为8nm。从这一点来看,8nm相比现有的10nm,很可能在晶体管密度、性能、功耗等方面做出了终极的优化,基本上可看做深紫外光刻下的技术极限了。

DUV和EUV光刻分辨率对比

此外,三星在7nm EUV之后,还规划了使用第二代EUV光刻技术的6nm制程,它和8nm同样是商业命名,属于7nm EUV制程的加强版,电气性能会更好。

根据三星的路线,三星将于今年下半年试产7nm EUV晶元,大规模投产时间为2019年秋季。8nm制程大约在2019年第一季度登场,而6nm制程应该会在2020年后出现。

台积电

相比三星直接引入EUV光刻的激进,台积电在7nm上选择了求稳路线,并没有急于进入极紫外光刻时代。台积电表示将继续使用DUV光刻,利用沉浸式光刻和多重曝光等技术平滑进入7nm时代,然后再转换到EUV光刻。

台积电使用DUV光刻的第一代7nm FinFET已经在2017年第二季度进入试产阶段。与目前的10nm FinFET制程相比,7nm FinFET将可在晶体管数量的情况下使芯片尺寸37%,或在电路复杂度相同的情况下降低40%的功耗。

在接下来的第二代7nm FinFET+制程上,台积电将开始使用EUV光刻。针对EUV优化的布线密度可带来约10~20%的面积减少,或在电路复杂度相同的情况下,相比7nm FinFET再降低10%的功耗。

而根据后藤弘茂的分析,台积电7nm DUV的特征尺寸介于台积电10nm FinFET和三星7nm EUV之间,Metal Pitch特征尺寸40nm,Gate Pitch特征尺寸尚不明确,但必定小于10nm时的66nm。

此外,与完全使用DUV工具制造的芯片相比,使用EUV光刻生产芯片的周期也将缩短,台积电计划在2018年第二季度开始试产7nm FinFET+晶元。

GLOBALFOUNDRIES

GF此前曾是AMD自家的半导体工厂,后由于AMD资金问题而拆分独立。GF同样属于IBM“全球IBM制造技术联盟”的一员,其半导体工艺和三星同宗同源。然而GF在28nm、14nm两个节点上都遇到了重大技术难题,不得不向“后来者”三星购买生产技术。

介于此,GF在14nm之后决定放弃10nm节点,直接向7nm制程进军。虽然这个决策稍显激进,但GF也明白步子大了容易扯到啥的道理,决定在光刻技术上稳中求进,使用现有的DUV光刻技术实现第一代7nm工艺的制造,随后再使用EUV光刻进行两次升级迭代。

据其在阿尔伯尼纽约州立大学理工学院负责评估多重光刻技术的George Gomba以及其他IBM的同事透露,GF将在第一代7nm DUV产品上,使用四重光刻法。

不过在EUV的部署上,GF尚存在一些阻碍。据了解,目前ASML提供的保护膜仅适用于每小时85个晶片的生产率(WpH),而GF今年的计划是达到125WpH,这意味着现有的保护膜无法应对量产所需的强大光源。

目前,GF尚未透露将于何时开始使用EUV光刻,只说要等到“准备就绪”以后,不过看起来难以在2018年以前准备就绪。因此业界普遍猜测GF最早也要到2019年才能使用EUV光刻生产芯片。

Intel

Intel作为全球最大的半导体企业,在半导体工艺方面一直保持着领先地位,并且引领了大量全新技术的发展。不过近几年,Intel半导体工艺的发展速度似乎逐渐慢了下来,比如14nm工艺竟然用了三代,10nm工艺也被竞争对手抢先。

实际上,三星和台积电在进入16/14nm节点后,在制程上常使用一些商业命名,比如上面提到的三星7nm制程,优化一下就变成了6nm。而Intel的14nm制程虽然历经两次优化,却只是以14nm、14nm+和14nm++来命名,二者已经不存在直接的可比性。

由于晶体管制造的复杂性,每代晶体管工艺中有面向不同用途的制造技术版本,不同厂商的代次之间统计算法也完全不同,单纯用代次来对比是不准确的。目前业内常用晶体管密度来衡量制程水平,实际上,Intel最新10nm制程的晶体管密度甚至反而要比三星、台积电的7nm制程更高。

而根据后藤弘茂的分析,如果将Intel、台积电、三星和GF近些年制程的特征尺寸放在一起对比,也可以看出Intel的14nm制程确实要优于三星和GF的14nm LPP以及台积电的16nm FinFET,仅略输于三星早期的10nm制程。

Intel的10nm制程则更是全面胜过台积电和三星的10nm制程,甚至比台积电和GF的第一批7nm DUV都要更好。虽然不如三星和GF的第二批7nm EUV制程,但Intel肯定也会深挖10nm制程,第二代10nm赶超三星和GF的7nm EUV也不是不可能。

关于ASML
总部位于荷兰的ASML脱胎于飞利浦,于1984年成立,至今所经营的产品主要还是光刻机。ASML凭借自己多年在行业中所积累的技术和经验,在2017年取得的收入又创出新高,净利润也同步大增。ASML的收入大致分为两个部分,一个是通过向客户供应极紫外EUV、深紫外DUV光刻机等设备获得的收入(在ASML当年的营收中占比达七成左右),另一个就是为客户提供设备安装、系统升级等服务获得的收入(在ASML当年的营收中占比约三成)。

2017年全球光刻机市场占比7成,是绝对的一哥,后面跟着的是佳能、尼康和上海微电子。

集成电路在制作过程中经历材料制备、掩膜、光刻、刻蚀、清洗、掺杂、机械研磨等多个工序,其中以光刻工序最为关键,它是整个集成电路产业制造工艺先进程度的重要指标,即在芯片制造过程中的掩膜图形到硅衬底图形之间的转移,在硅片上刻出晶体管器件的结构和晶体管之间的连接通路。

光刻机原理是把高精密底片底版投射到晶原片上,光刻机难在OVERLAY套刻精度以及产率。需要精密的光学镜头,和精密的对焦稳定,和散射极低的光源激光。镜头虚,有云翳,不行,对焦丝扣不匀不细,不稳,不行。光源散射也不行。要比千分尺(螺旋测微器)更细更稳。

用螺旋测微器原理,精密螺纹调焦对焦,稳定相距焦平面。工作台的膨胀,减震,连续工作的精准,都对精度要求极高。小试验室小作坊,做一两个己经很难,大批量生产,精度就更难。

其实这些年来,国内早就有设备厂商,以及研究机构在对光刻机进行研发。如上海微电子、中电科四十五所、中电科四十八所等,但是离国外几家光刻机厂商差距甚远,更别提在先进节点上的顶尖光刻设备差距了。

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