ASML光刻机单台破亿,它凭什么这么贵?

2018-03-07 14:57:11 来源:传感器技术
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不久前,一台价值1.06亿元的设备经空运从荷兰飞抵厦门,由于该设备价值高,而且对保存和运输有着很高的要求——必须保持在23℃恒温状态下。为了避免影响设备的精度,在运输中也对稳定性有极高的要求。因此,机场海关以机坪查验的方式对该货物实行全程机边监管,待货物装入特制温控气垫车,移至海关的机坪视频监控探头之下,完成紧急查验后当晚就得到放行。

 
那么到底是什么设备能获得机场海关如此严阵以待,而且能有单台破亿的价格呢?
 
 
什么是光刻机
光刻机是芯片制造的核心设备之一,按照用途可以分为好几种:有用于生产芯片的光刻机;有用于封装的光刻机;还有用于LED制造领域的投影光刻机。用于生产芯片的光刻机是中国在半导体设备制造上最大的短板,国内晶圆厂所需的高端光刻机完全依赖进口,本次厦门企业从荷兰进口的光刻机就是用于芯片生产的设备。
 
在高端光刻机上,除了龙头老大ASML,尼康和佳能也曾做过光刻机,而且尼康还曾经得到过Intel的订单。但是近些年,尼康在ASML面前被打的毫无还手之力,高端光刻机市场基本被ASML占据——即便是尼康最新的Ar-F immersion 630卖价还不到ASML Ar-F immersion 1980D平均售价的一半,也无法挽回败局。
 
原因何在?一方面是Intel新CEO上台后,不再延续与尼康的620D合同,这使得尼康失去了一个大客户。另一方面,也和尼康自身技术实力不足有关,尼康的光刻机相对于ASML有不少瑕疵,在操作系统上设计的架构有缺陷,而且尼康的光刻机的实际性能和尼康官方宣传的有不小差距,这使得台积电、Intel、三星、格罗方德等晶圆大厂不可能为了省一点钱去卖有瑕疵的产品。
 
目前,尼康的高端光刻机基本被ASML吊打,主流半导体产线中只有少数低阶老机龄的光刻机还是尼康或者佳能,其他基本都是ASML的天下。某种程度上,尼康的光刻机也只能用卖的超级便宜来抢市场了。那么,卖的到底有多便宜呢?
 
用数据来说话,ASML的 EUV NXE 3350B 单价超过1亿美元,ArF Immersion售价大约在7000万美元左右。相比之下,尼康光刻机的单价只相当于ASML价格的三分之一。
 
光刻机工作原理
 
 
上图是一张ASML光刻机介绍图。下面,简单介绍一下图中各设备的作用。
 
测量台、曝光台:是承载硅片的工作台。
 
激光器:也就是光源,光刻机核心设备之一。
 
光束矫正器:矫正光束入射方向,让激光束尽量平行。
 
能量控制器:控制最终照射到硅片上的能量,曝光不足或过足都会严重影响成像质量。
 
光束形状设置:设置光束为圆型、环型等不同形状,不同的光束状态有不同的光学特性。
 
遮光器:在不需要曝光的时候,阻止光束照射到硅片。
 
能量探测器:检测光束最终入射能量是否符合曝光要求,并反馈给能量控制器进行调整。
 
掩模版:一块在内部刻着线路设计图的玻璃板,贵的要数十万美元。
 
掩膜台:承载掩模版运动的设备,运动控制精度是nm级的。
 
物镜:物镜用来补偿光学误差,并将线路图等比例缩小。
 
硅片:用硅晶制成的圆片。硅片有多种尺寸,尺寸越大,产率越高。题外话,由于硅片是圆的,所以需要在硅片上剪一个缺口来确认硅片的坐标系,根据缺口的形状不同分为两种,分别叫flat、      notch。
 
内部封闭框架、减振器:将工作台与外部环境隔离,保持水平,减少外界振动干扰,并维持稳定的温度、压力。
 
在加工芯片的过程中,光刻机通过一系列的光源能量、形状控制手段,将光束透射过画着线路图的掩模,经物镜补偿各种光学误差,将线路图成比例缩小后映射到硅片上,然后使用化学方法显影,得到刻在硅片上的电路图。一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、激光刻蚀等工序。经过一次光刻的芯片可以继续涂胶、曝光。越复杂的芯片,线路图的层数越多,也需要更精密的曝光控制过程。
 
EUV:半导体业的终极武器
台积电、英特尔都寄望,这台史上最昂贵的「工具机」,会在2017年开始试产的七奈米制程大发神威,成为主力机种。
 
全球每年生产上百亿片的手机晶片、记忆体,数十年来都仰赖程序繁琐,但原理与冲洗照片类似的曝光显影制程生产。
 
其中以投射出电路图案的微影机台最关键、也最昂贵。过去十多年,全球最先进的微影机,都采用波长一九三奈米的深紫外光,然而英特尔、台积电量产的最先进电晶体,大小已细小到仅有数十个奈米。这形同用同一支笔,要写的字却愈来愈小,最后笔尖比要写的字还粗的窘境。
 
要接替的「超细字笔」,技术源自美国雷根时代「星战计划」,波长仅有十三奈米的EUV;依照该技术的主要推动者英特尔规划,2005年就该上阵,量产时程却一延再延。
 
因为这个技术实在太难了。EUV光线的能量、破坏性极高,制程的所有零件、材料,样样挑战人类工艺的极限。例如,因为空气分子会干扰EUV光线,生产过程得在真空环境。而且,机械的动作得精确到误差仅以皮秒(兆分之一秒)计。
 
最关键零件之一,由德国蔡司生产的反射镜得做到史无前例的完美无瑕,瑕疵大小仅能以皮米(奈米的千分之一)计。
 
这是什么概念?ASML总裁暨执行长温彼得(Peter Wennink)接受《天下》独家专访时解释,如果反射镜面积有整个德国大,最高的突起处不能高于一公分高。
 
「满足这类(疯狂)的要求,就是我们的日常工作,」两年前由财务长接任执行长的温彼得说。
 
因为EUV的技术难度、需要的投资金额太高,另外两大微影设备厂──日本的Nikon和佳能,都已放弃开发。ASML俨然成为半导体业能否继续冲刺下一代先进制程,开发出更省电、运算速度更快的电晶体的最后希望。
 
「如果我们交不出EUV的话,摩尔定律就会从此停止,」温彼得缓缓地说。因此,三年前,才会出现让ASML声名大噪的惊天交易。
 
英特尔、台积电、三星等彼此竞争的三大巨头,竟联袂投资ASML41亿、8.38亿、5.03亿欧元。(台积电已于今年五月出售ASML的5%持股,获利214亿台币)
 
温彼得解释,当时各大厂都要求EUV的研发进度加快,他告诉这些顾客,「希望加快EUV的研发进度,我们就得加倍研发支出。」
 
于是,ASML研发经费倍增到现在的每年十三亿欧元的规模。多出的一倍,ASML自己出一半,三大半导体巨头合出另一半。
 
 
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