光刻机三巨擘的殊途同归_光刻_尼康

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说到光刻机，大家第一反应是什么？笔者第一反应是ASML，第二反应是价格特殊昂贵，第三反应是我国卡脖子技能。
不知不觉中，ASML彷佛成了光刻机的代名词，这个想法如果被上世纪八九十年代的尼康和佳能知道，可能要气得直吹胡子，“哪里来的毛头小子，也敢和我比肩”。

不过，现实便是这么残酷，正所谓“三十年河东，三十年河西”。
在四五十年后的本日，当初的毛头小子成为了如今手持几十台“印钞神兽”的霸主，霸占了环球80%的光刻机营收份额，而曾今的巨子只能沦为二三线，但说到底也是曾经称霸一方的巨子，纵然远不敌当年骁勇，但也不会轻易舍弃光刻机这一杯羹。

面对越来越火热的芯片家当，ASML在EUV道路上一起狂奔，佳能和尼康却“独辟路子”，试图在独特路线上通过差异化来获取竞争上风。

ASML，垄断EUV

光刻机三巨擘的殊途同归_光刻_尼康科学

“如果我们交不出EUV，摩尔定律就会从此停滞。
”ASML首席实行官Peter Wennink在2017年曾如是说过，这句话很嚣张，但无人可以回嘴。
从本世纪初开始，就不断有人预言摩尔定律将去世，如今摩尔定律已经成功迎来了第57个年头，环球芯片工艺进程也在向3nm，乃至更前辈的方向迈进，而实现这统统的大元勋便是ASML的EUV光刻机。

EUV光刻机也叫做极紫外光刻机，工艺极其繁芜。
ASML EUV光刻机利用 13.5 nm 的波长，由来自环球近800家供货商的多个模块和数十万个零件组成，每个模块都在ASML遍布环球的60个工厂中完成生产，然后运往维尔德霍温进行组装，运输一套EUV曝光机须要20辆卡车，或者三架满载的波音747飞机。
其内部构造大概如下：

图源：ASML

从ASML 官方来看，EUV技能从1994年就开始工业化，由ASML参加的同盟交付了第一个原型。
2006 年 8 月，ASML向美国奥尔巴尼的纳米科学与工程学院和比利时鲁汶的 imec 运送了天下上第一台 EUV 光刻演示工具。
2013年，第一个 EUV 生产系统 TWINSCAN NXE:3300 发货。

站在现在回看过去，寥寥数笔彷佛就可以概括当时研发EUV光刻机的那段历史，但事实上研发过程十分困难，紧张问题在于EUV研发实在是太费钱了，风险巨大。
在当时看来，它就像一个无底吞金“黑洞”，大把大把的钱砸进去都不一定能听到个响。
但ASML砸了，官方显示，ASML 在 17 年间在 EUV 研发上投入了超过 60 亿欧元。

如今，前辈制程已经来到了3nm的交叉路口，台积电和三星都表示将在今年量产3nm，而他们量产所用的光刻机该当便是ASML最新一代0.33 NA光刻系统TWINSCAN NXE:3600D。
那么3nm往后，摩尔定律又该如何“续命”？ASML日本(东京都品川区)的藤原祥二郎社长表示，“摩尔定律估量未来10年后还会持续下去，以此为中央支撑的是最前辈的EUV光刻机”。
近期，阿斯麦"大众号也指出：“只要我们还有想法，摩尔定律就会连续生效！
”

从ASML 透露的可以看出，ASML正在开拓下一代 EUV 平台，将数值孔径 (NA) 从 0.33 增加到 0.55，可以支持多个未来节点。

图源：ASML

据理解，ASML 下一代EUV 0.55 NA平台有望使芯片尺寸减小1.7倍，进一步提高分辨率，并将微芯片密度提高近3倍。
第一个EUV 0.55 NA平台早期接入系统估量将在2023年投入利用，估量客户将在2024-2025年开始研发，2025-2026年进入客户的大批量生产。
ASML估量在2025年之前拥有大约20台0.55 High-NA EUV。

在产能方面，过去十年，ASML统共售出大约140套EUV光刻机。
但在未来，EUV光刻机想必会越来越吃喷鼻香，毕竟除了逻辑芯片外，一贯采取成熟制程的存储芯片厂商也开始加入战局。

ASML 光刻部门的年收入份额

图源：counterpoint

去年8月，美光CEO Sanjay Mehrotra在采访中确认，美光已将EUV技能纳入DRAM技能蓝图，将由10nm世代中的1γ（gamma）工艺节点开始导入。
作为长期批量协议的一部分，美光已从 ASML 订购了多种 EUV 工具。
此外，SK 海力士也强调了 EUV 的主要用场，与非 EUV 光刻比较，其 10nm DRAM 产品的每片晶圆的单位产量增加了 25%。

为了知足不断增长的光刻机需求，ASML方面指出，于22Q1提高了产能扩展操持，估量到2024年产能扩展25%旁边，到2025年形成90台0.33 NA EUV和约600台DUV产能。

佳能，NIL掌握本钱

佳能在上世纪输出还是很猛的，在1970年发售了日本首台半导体光刻机PPC-1；1975年发售的FPA-141F光刻机，在世界上首次实现了1微米以下的光刻；1984年推出了FPA-1500FA，分辨率为 1.0 μm；1994 年发布第一款 FPA-3000 系列，配备了分辨率为 0.35 μm 的 i-line 镜头，是当时天下上分辨率最高的镜头之一。

算了算，今年是佳能正式投入半导体光刻机领域的第52周年，在上世纪被著名的干湿路线之争绊了一跤之后，佳能就有些赶不上ASML的步伐了。
如今，佳能专注于低端产品，官网显示，佳能出售的光刻机涉及i-line到KrF级别，并没有浸入式光刻机，与EUV光刻机差异就在于光源波长的不同，EUV 技能所利用的光源波长为13·5纳米，而KrF技能则是248纳米，i线光源波长是365纳米。
众所周知，对付光刻机来说，所用光源波长越短，越能描述微细线宽的半导体电路。
以是能感想熏染到两者之间的差距了吧。

虽然佳能光刻机低端，但近期热度却不小，据华尔街日报去年年底宣布，1995年制造的二手光刻机佳能FPA3000i4，在2014年10月只值10万美元，本日则值170万美元。
佳能日前公布的财报也指出安全摄像头以及光刻机推动古迹打仗，随着半导体设备投资的增加，佳能的光刻机业务还会持续增长。

不过“啃老”总归不长久，创新才是真的出路。
在EUV领域想要赶超ASML险些是不可能的了，那不如就换个方向，而佳能选中的便是“纳米压印光刻（NIL）”。
佳能官方对NIL是这么先容的，这种方法具有大略、紧凑、能够以低本钱制造芯片的优点。

确实，比较EUV光刻机繁芜的构造以及难以提高生产率，NIL 只须要将形成三维构造的掩膜压在晶圆上被称为液体树脂的感光材料上，同时照射光芒，一次性完成构造的转印的方法。
不需利用EUV光刻机，也不须要利用镜头，而且还可以将耗电量可压低至EUV技能的10%，并让设备投资降落至仅有EUV设备的40% ，可以说是“省钱小好手”。

图源：佳能官网

官方显示，佳能早在2004 年就开始研发NIL技能，2014年美国分子压印公司（现佳能纳米技能）加入佳能集团的公开，明确表示将利用纳米压印法进行开拓。
2021 年春季，大日本印刷在根据设备的规格进行了内部仿照，创造在电路形成过程中每个晶片的功耗可以降落到利用EUV曝光时的大约1/10，根据大日本印刷的说法，NIL量产技能电路微缩程度则可达5nm节点。
2017 年 7 月，佳能纳米压印半导系统编制造设备“FPA-1200NZ2C”设备交付给东芝存储器四日市工厂。

东芝存储器四日市工厂调度纳米压印半导系统编制造设备“FPA-1200NZ2C”

图源：佳能

在佳能开拓职员首藤真一看来，这种纳米压印设备是一种将创造未来的设备。
未来，半导体会变得更风雅，不仅会被封装在智好手机中，未来还会被用作贴纸，比如贴在人体皮肤上或隐形眼镜上。
他相信只有纳米压印办法才能以客户哀求的本钱和速率实现这一点。

从目前透露的来看，和佳能共同开拓的NIL技能的铠侠已节制NIL 15nm的制程量产技能，目前正在进行15nm以下技能研发，估量2025年进一步达成。
不过佳能方面还未透露出设备量产的，实用化的期间还不明确，我们可以期待下。

尼康，ArF液浸打磨

说完了佳能，再来聊聊尼康。
尼康在上世纪末是当之无愧的光刻机巨子，从 80 年代后期至本世纪初，尼康光刻机市场霸占率超50%，代表着当时光刻机的最高水平。
这点从尼康官网半导体光刻系统历史发展也可以看出，1980年出货 NSR-1010G（分辨率：1.0 µm），从1984年开始，险些每年都会出货至少1款光刻机。

到了1999年，除了推出世界第一台干式ArF扫描仪NSR-S302A（分辨率≦180 nm）外，尼康还推出了NSR-SF100（分辨率≦400nm）；NSR-S204B（分辨率≦150nm）；NSR-2205i14E2（分辨率≦350nm）；NSR-S305B（分辨率≦110nm）四款设备，发卖的半导体光刻系统数量达到 6,000 台。

图源：尼康

那时候尼康的光辉业绩密密麻麻可以写满了好几页，不过，和佳能一样，本世纪初的那场干湿路线之争成为了迁移转变点。
如今的尼康虽然凭借多年技能积累位居光刻机二线供应商地位，但份额已经极大的缩小了。
2021年度，Nikon光刻机业务营收约112亿元公民币，出货了29台集成电路用光刻机，较2020年减少4台。

目前，在光刻机技能方面，尼康主推ArF浸没式技能，大部分精力都在Arf和i－line光刻机领域。
ArF光刻机也便是DUV光刻机，光源波长达到193nm，波长的限定使得DUV无法实现更高的分辨率，因此DUV只能用于制造7nm及以上制程的芯片。

不过这也解释了，比较佳能，尼康的光刻机更前辈一点。
虽然DUV光刻机也是ASML的专场，但尼康仍旧有野心追赶ASML，专注于研发ArF液浸。
尼康官网提到下一代光刻系统是这么说的：随着小型化的进展，达到了阻挡现有光刻技能处理较小尺寸的理论障碍，这个问题的办理方案是浸入式光刻技能，尼康将其整合到其半导体光刻系统中。

尼康常务实行董事滨谷君子曾断言，“ArF液浸作为尖端曝光装置利用的电路尺寸是主沙场”。
2018年，尼康推出了NSR-S635E ArF 浸没式扫描仪，该光刻机专为5nm工艺制程量产而开拓，确保出色的聚焦稳定性并最大限度地减少毛病以提高产量，以每小时高达 275 个晶圆的超高通量优化可包袱性。

图源：尼康

到了2021年10月，尼康宣告开拓NSR-S635E进阶版——NSR-S636E ArF 浸没式扫描仪，将供应卓越的覆盖精度和超高吞吐量，以支持最关键的半导体设备的制造，估量将于 2023 年开始发卖。
虽然尼康并未公布S636E更多的参数，但是作为NSR-S635E进阶版，量产5nm芯片该当不在话下。

同佳能一样，在芯片热潮的带动下，尼康对光刻机古迹也给了很大的期望。
今年3月，尼康发布了2022年度半导体曝光装置销量，估量将超过2019年度的古迹45台，将比2021年度的预测上增加13台以上，达近10年最高销量。
此外，尼康今后将以物联网的发展为背景，培植半导体新工厂，估量到2024年度为止，发卖台数都将保持稳定。

图源：雅虎

结合尼康下一代光刻机的推出韶光，我们可以期待两年后的尼康会有若何的变革。