半導體光刻技術與專利之爭

曹欣欣

阿斯麥的崛起

蘋果自研芯片的實力大家有目共睹，從移動端使用的A系列到電腦端用的M系列都是碾壓同期競品的存在。近期有報道稱，蘋果計劃最快于2023年推出由臺積電代工的3nm Mac芯片，也就是第三代Apple Silicon芯片，內部代號分別為“Ibiza”、“Lobos”以及“Palma”。在半導體制造中，3納米工藝是繼5納米MOSFET技術節點之后的下一個技術。三星和臺積電已宣布計劃將3nm半導體節點投入商業生產，它基于GAAFET（全能柵極場效應晶體管）技術，這是一種多柵極MOSFET技術。

在半導體晶圓（基板）上燒制出電路的光刻工序是半導體制造過程中最為重要的工序之一，所以近年來也成為了科技公司爭奪的“技術高地”。

光刻設備由以荷蘭為大本營的阿斯麥（ASML）掌握壓倒性份額，據Bloomberg數據，全球五大半導體設備制造商分別為應用材料（AMAT）、阿斯麥（ASML）、東京威力科創（TEL）、科林研發（Lam Research）、科磊（KLA），這五大半導體制造商以其領先的技術、強大的資金支持占據著全球半導體設備制造業超過70%的份額。

1984年，電子巨頭飛利浦和芯片機器制造商（ASMI） 創建了一家新公司AMSL，目的是為了滿足不斷增長的半導體市場而開發光刻系統。當時辦公室尚在母公司的空地一旁的木屋內，僅有百余人陸續加入，同年推出第一個系統——PAS 2000步進機。

工程師在ASML一培訓中心使用 EUV 光刻機

到了1988年，飛利浦在中國臺灣成立合資代工廠后，ASML開始進軍亞洲市場。ASML并非一帆風順，在上世紀八九十年代也經歷過倒閉危機。幾番掙扎，得到IPO的投資后，推出了突破性平臺PAS 5500，才得以翻身。1995年ASML 成為一家完全獨立的上市公司，在阿姆斯特丹和紐約證券交易所上市。

2010年第一臺極紫外 （EUV） 光刻工具原型 （NXE：3100），標志著光刻新時代的開始。EUV 光刻使用較短波長的光來制造更小的芯片，從而產生更快、更強大的芯片。2021年，ASML已經成為當仁不讓的霸主。年交付量預估會達到45臺到50臺。目前ASML出貨的光刻機主要是NXE：3400B及改進型的NXE：3400C，兩者基本結構相同，但NXE：3400C采用模塊化設計，維護更加便捷，平均維修時間將從48小時縮短到8～10小時，支持7nm、5nm。

光刻機的痛點和難點

從技術上看，光刻（lithography）設備本身是一種投影曝光系統，由紫外光源、光學鏡片、對準系統等部件組裝而成。在半導體制作過程中，光刻設備投射光束，穿過印著圖案的光掩膜版及光學鏡片，將線路圖曝光在帶有光感涂層的硅晶圓上。通過蝕刻曝光或未受曝光的部分來形成溝槽，然后再進行沉積、蝕刻、摻雜，架構出不同材質的線路。

此工藝過程將數十億計的MOSFET（金氧半場效晶體管）或其他晶體管建構在硅晶圓上，形成一般所稱的集成電路。光刻工藝在整個芯片制造過程中至關重要，其決定了半導體線路納米級的加工度，對于光刻機的技術要求十分苛刻，對誤差及穩定性的要求極高，相關部件需要集成材料、光學、機電等領域最尖端的技術。因而光刻機的分辨率、精度也成為其性能的評價指數，直接影響到芯片的工藝精度以及芯片功耗、性能水平。

光源的改進讓光刻機經歷了四五代，到了28nm工藝節點之后，單次曝光圖形間距已經無法進一步提升，業界開始采用Multiple patterning（多次曝光和刻蝕）的技術來提高圖形密度但由此引入的掩膜使得生產工序增加，導致成本大幅上升，且良品率也無法保障。

沉浸式光刻在7nm之后的下一代工藝節點，難以再次發展，EUV（極紫外光刻）成為了解決這一問題的關鍵，目前EUV光刻機光源主要采用的辦法是將準分子激光照射在錫等靶材上，激發出13.5nm的光子，作為光刻機光源。

各大制造廠在7nm以下的最高端工藝上都會采用EUV光刻機，其中三星在7nm節點上就已經采用。而目前只有ASML一家能夠提供可量產的EUV光刻機，國內的光刻機技術從20世紀70年代開始就先后有清華大學精密儀器系、中科院光電技術研究所、中電科45所投入研制，目前國內廠商只有上海微電子（SMEE）及中國電科（CETC）旗下的電科裝備，其中SMEE目前量產的性能最好的為90nm（193 ArF）光刻機，與國際水平差距較大。

即便各家對光刻機的探索進度不一，這項技術的極限已經快到了，因為硅這種材料的極限在1納米左右，想要超越1納米，那就得換材料，但是目前已經發現的材料中，沒有比硅更適合的。超越1nm很難，那么達到1nm呢？目前當芯片內部線寬窄到3納米，電路中用于導電的銅線之間的間距太小，就會發生短路。

光刻前后處理領域的專利

除了光刻機技術的發展，完成半導體芯片制造的流程中，還存在不同專利，也是當下中國光刻機發展必須要關注的。半導體的制造工序分為：在圓形基板上制造大量電路的前工序和把基板上形成的電路一個個切割為片狀后進行組裝的后工序。

在光刻的前后處理領域，我們的鄰國日本發揮了比較穩定的優勢。從2006～2018年累計數據來看，在4萬2646項申請中有1萬8531項（占比43.5%）的申請者為日本國籍，大幅超過7000多項的韓國和美國。

另一方面，按申請者的國家和地區來看，2012年在美國進行的專利申請超過日本，之后美國一直維持首位。從2018年進行的專利申請來看，美國之后是中國大陸、中國臺灣和韓國。有分析認為，這導致了日本占世界半導體生產的份額下降等問題。日本在光刻設備領域落后于ASML，但擁有前后處理技術的日本半導體制造設備企業在世界上保持著較高存在感。不僅是制造設備，在光刻膠等原材料領域，實力尚存。

從單個申請者來看，東京威力科創（TEL）每年穩定申請400項左右，2006～2018年累計達到5196項，占整體的12.1%。東京威力科創（TEL）在向半導體基板上涂布光刻膠、利用光刻設備燒制電路之后顯影的涂布顯影設備領域，掌握超過80%的全球份額。

在日本企業優勢突出的光刻前后處理技術領域，其他企業也在加速追趕。最大半導體代工企業臺積電（TSMC）的專利申請數量近年來出現激增。在中國大陸企業中，半導體代工企業中芯國際集成電路制造（SMIC）近年來申請數量為250項，闖入前10位。世界半導體制造設備協會（SEMI）的預測顯示，2021年的半導體制造設備市場規模將比2020年增長34%，增至953億美元，到2022年有望超過1000億美元。

光刻設備的前后工序包括光刻膠（感光樹脂）的涂布、顯影和剝離等工序