7nm大戰在即 EUV熱潮不斷 半導體設備產業如何推進

半導體制造龍頭三星、臺積電先后宣布將于2018年量產7納米晶圓制造工藝。這一消息使得業界對半導體制造的關鍵設備之一紫外光刻機（EUV）的關注度大幅提升。此后又有媒體宣稱，國外政府將對購買EUV實施限制，更是吸引了大量公眾的目光。一時之間，仿佛EUV成為了衡量半導體設備產業發展水平的標桿，沒有EUV就無法實現半導體強國之夢。以目前半導體制造業的發展水平，購買或者開發EUV光刻機是否必要？應如何切實推進半導體設備產業的發展？

EUV面向7nm和5nm節點

所謂紫外光刻，是一種應用于現代集成電路制造的光刻技術，它采用波長為10～14納米的紫外光作為光源，可使曝光波長降到13.5nm，這不僅使光刻技術得以擴展到32nm工藝以下，更主要的是，它使納米級時代的半導體制造流程更加簡化，生產周期得以縮短。

賽迪智庫半導體研究所副所長林雨就此向《電子報》記者解釋：“光刻是芯片制造技術的主要環節之一。目前主流的芯片制造是基于193nm光刻機進行的。然而193nm浸沒光刻技術很難支撐40nm以下的工藝生產，因此到了22/20nm及以下工藝節點，芯片廠商不得不將193nm液浸技術和各種多重成像技術結合起來使用，以便突破工藝限。但是采用多重成像的手段就需要進行多次光刻、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技術實質上是通過提升技術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，在7nm和5nm節點，都僅需要1個光罩即可生產。這樣理論上來說，就可以起到簡化工藝流程，減少生產周期的作用。

對此，芯謀研究總監王笑龍便指出：“EUV技術的研發主要是針對傳統工藝中多次曝光等繁瑣問題。在過去的技術中，曝光過程可能重復2～3次，但是EUV技術可以一次完成，既減少了工序，又節約了時間。在簡化工藝流程、縮短生產周期的同時，EUV也增加了產能，提升了效率。”

購買為時尚早

針對EUV，在流傳著一種聲音：受西方《瓦森納協議》的限制，只能買到ASML的中低端產品，出價再高，也無法購得ASML的高端設備。日前，ASML區總裁金泳璇在接受《電子報》記者采訪時否認了這一說法。據金泳璇透漏：“某知名半導體晶圓廠現已與ASML展開7nm工藝制程EUV訂單的商談工作，臺EUV設備落戶于指日可待。”

這就是說，EUV要進口到并沒有受到限制。但是，EUV技術進入大的問題可能并非受限與否，而是有沒有必要現在購買？由于EUV開發的技術難度高，特別是EUV光源的功率不足，導致曝光時間過長，使得EUV一直很難得到實用，目前上EUV技術較為成熟的企業只有ASML一家，其銷售的EUV價格為高昂，一臺售價超過1億歐元。而目前EUV的主要應用范圍是7nm以下工藝節點，尤其5nm工藝節點的晶圓制造。

“對于制造企業而言，芯片制造的工藝水平還達不到EUV所擅長的范圍，目前我們28納米量產，14納米還在布局。對于EUV而言，如果采用該技術進行14nm芯片量產，成本太高了。”林雨指出。

王笑龍也認為EUV技術對于來說仍是一項挑戰。王笑龍介紹，EUV主要是從7nm開始，目前暫時沒有這項技術的應用。集成電路較為落后，尚未達到EUV技術的水平，的一些企業尚未對該項技術產生一定的支撐作用。“EUV進入可能是多年以后的事情，目前28nm才剛開始，14nm大概要2020年，那么7nm技術，壞的預測可能是2025年，并且技術較為落后，追趕技術會產生高額費用，暫時尚無足夠資金支撐這項技術。”王笑龍說。

實用化挑戰當前依然存在

事實上，不僅對EUV的應用時日尚早，上對EUV的應用也局限在很小的范圍。對于EUV產業化過程中大的挑戰，林雨表示主要來自于光源和持續生產率。“例如，250W光源是使EUV可用于芯片量產的關鍵要素。到目前為止，ASML公司已經推出多種采用80W光源的原型，預計將在年底推出其款125W系統。目前，250W光源主要存在于實驗階段，用于產業化流程中所急需突破的問題是光源的可靠工作效率。據賽迪智庫調查了解，Gigaphoton正在幫助ASML生產這種光源。”林雨說。

根據ASML不久前公布的數據，2017年EUV設備全年出貨量僅有12臺，預計明年出貨量將增加至20臺，而現在客戶未出貨訂單為27臺。日前，ASML公司將EUV光刻機小范圍量產，所配用的是業內人士翹以盼的250W光源，計劃于2017年年底完成設備產品化。

除此之外，耗電量和曝光速度也是EUV技術的實踐者需要征服的挑戰。“光刻膠和光照膜是傳統工藝中使用到的材料，現在已經不適應EUV技術的發展。此外，EUV技術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。假如傳統工藝一次曝光用1小時，整個過程共需4次曝光，一共要4小時，EUV技術只需要一次曝光，預期耗費1小時便可以完成，但是現實中卻需要3小時左右。”王笑龍說。

成本高也是EUV技術的一個難題。“EUV技術研發投入的資金量很大，技術昂貴，設備稀少。如果這些問題得不到改善，那么這項技術將無法得到實用。鑒于以上所述，EUV技術既是挑戰，也是機遇。”王笑龍說。

長期戰略，不應缺位

盡管EUV現在還存在各種障礙，但是其未來應用前景依然各方被看好。從長遠角度來看，發展EUV技術是非常必要的。對此，林雨指出：“自上世紀九十年代起，便開始關注并發展EUV技術。初開展的基礎性關鍵技術研究主要分布在EUV光源、EUV多層膜、超光滑拋光技術等方面。2008年‘大規模集成電路制造裝備及成套工藝’科技重大專項將EUVL技術列為下一代光刻技術重點攻關。《制造2025》也將EUVL列為了集成電路制造領域的發展重點對象，并計劃在2030年實現EUV光刻機的國產化。”

“目前來看，EUV這項技術對尚無實際意義，但是具有一定的戰略意義。雖然技術落后，研發EUV技術困難頗多，但是仍要發展完整的工業體系，EUV是整套體系中困難的一塊。放眼于未來，的技術后還是會到達高水平層次，7nm技術也會得到應用，這一步勢必要走，所以現在的準備工作是一定要做的，努力減小未來與的差距，所以即使如今技術不成熟、制作設備缺少、但是EUV技術還是要加大關注，為未來我國技術做鋪墊。”王笑龍說。

雖然政策對于的EUV技術給予了研究支持，但是在光刻行業的技術、人才等積累還很薄弱。追逐者，必將付出更大的精力和更多的資金。“對于來說，這項技術的基礎薄弱，制作設備稀缺，光學系統也會是大的挑戰，可以這么比喻，在，做EUV要比做航空母艦困難得多。”王笑龍說。

因此，針對于EUV技術的發展，王笑龍給出了一些建議。“追求實用技術是企業的本能，追求新技術卻不符合企業效益。因此對于的EUV技術，光靠企業和社會資本是無法支撐起來的，對于企業來說，研發技術缺少資金的支持；對于社會資本來說，缺乏熱情的投入，因此，這項技術需要政府的支持，需要政策的推進。”王笑龍說。

7nm大戰在即 買不到EUV光刻機的大陸廠商怎么辦？

基于三星10nm制程工藝的驍龍835早已隨著三星S8、小米6等一眾面世，而基于臺積電10nm制程工藝的聯發科Helio X30也和魅族Pro 7系列一起亮相了。除此之外麒麟970及A11處理器將于今秋和消費者見面，各家產品雖有強有弱但芯片的10nm時代已經展開，下一步就是向7nm推進，工藝推動者無疑就是三星和臺積電這兩家已較勁了幾代制程的業者了。

對于7nm制程工藝，三星和臺積電兩大晶圓代工領域巨頭都早已入手布局以便爭搶IC設計業者們的訂單。其中三星原定于明年破土動工的韓國華城18號生產線動工時間已被提前到了今年11月，以便在2019年能夠進入7nm制程量產階段。值得注意的是三星華城18號生產線將會架設10多臺紫外光（EUV）設備。而根據早前的報道，目前臺積電在7nm上已有12個產品設計定案，代7nm將在2018年實現量產（一說為年前實現量產），第二代7nm則會在2019年實現量產，并導入紫外光技術。

不論是三星還是臺積電在7nm上都將引入EUV設備，而這種被視為延續摩爾定律的設備的研發正是因為制程工藝進入10nm后難度驟增，193nm光刻技術不足以應付7nm、5nm的需要，所以寄希望于研發EUV光刻工藝來推動制程進步。

7nm制程的進度在一定程度上也是被EUV設備所控制的，而EUV設備卻是被荷蘭半導體設備廠商ASML所控制的。據悉ASML是一家從事半導體設備設計、制造及銷售的企業，于1984年從飛利浦出來，在去年先后宣布收購漢微科及蔡司半導體24.9%股份。這家壟斷了高端光刻機市場的廠商股東中有三家就是我們耳熟能詳的英特爾、臺積電和三星。而據其公布的2017第二季財報顯示，公司該季營收凈額為21億歐元，毛利率為45%。

EUV光刻機研發難度非常大因此單臺價格高昂至少要1億多歐元，但這種價值連城的設備還不是有錢就能買到的，如受限于《瓦森納協定》，大陸的廠商就買不到高端的光刻機設備。此外，由于EUV光刻機生產難度和成本都非常大，導致稱霸了該領域的ASML年產量也只有12臺。不過有報道稱，ASML正在提升生產效率，或能在2018年將產能增加到24臺，2019年達到40臺。

對于大力投入集成電路發展的大陸，ASML雖然不能出售高端的設備，但是也有其他的合作方式。3月份時，與上海微電子裝備（集團）股份有限公司簽署了戰略合作備忘錄；6月份時，宣布與上海集成電路研究開發中心合作，將共同建立一個培訓中心。而對于高端光刻機設備的研究也十分重視，由長春光機所牽頭承擔的科技重大專項02專項——“紫外光刻關鍵技術研究”項目已于今年6月在評審組的一致同意下通過了項目驗收，這是我國紫外光刻核心光學技術水平提升的重要一步。