7nm大战在即 EUV热潮不断 中国半导体设备产业如何推进
国际半导体制造龙头三星、台积电先后宣布将于2018年量产7纳米晶圆制造工艺。这一消息使得业界对半导体制造的关键设备之一极紫外光刻机（EUV）的关注度大幅提升。此后又有媒体宣称，国外政府将对中国购买EUV实施限制，更是吸引了大量公众的目光。一时之间，仿佛EUV成为了衡量中国半导体设备产业发展水平的标杆，没有EUV就无法实现半导体强国之梦。以目前中国半导体制造业的发展水平，购买或者开发EUV光刻机是否必要？中国应如何切实推进半导体设备产业的发展？
EUV面向7nm和5nm节点
所谓极紫外光刻，是一种应用于现代集成电路制造的光刻技术，它采用波长为10～14纳米的极紫外光作为光源，可使曝光波长降到13.5nm，这不仅使光刻技术得以扩展到32nm工艺以下，更主要的是，它使纳米级时代的半导体制造流程更加简化，生产周期得以缩短。
赛迪智库半导体研究所副所长林雨就此向《中国电子报》记者解释：“光刻是芯片制造技术的主要环节之一。目前主流的芯片制造是基于193nm光刻机进行的。然而193nm浸没光刻技术很难支撑40nm以下的工艺生产，因此到了22/20nm及以下工艺节点，芯片厂商不得不将193nm液浸技术和各种多重成像技术结合起来使用，以便突破工艺极限。但是采用多重成像的手段就需要进行多次光刻、蚀刻、淀积等流程，无形中提升了制造成本，拉长了工艺周期。”
因此，EUV技术实质上是通过提升技术成本来平衡工序成本和周期成本。例如，按照格罗方德的测算，启用EUV技术，在7nm和5nm节点，都仅需要1个光罩即可生产。这样理论上来说，就可以起到简化工艺流程，减少生产周期的作用。
对此，芯谋研究总监王笑龙便指出：“EUV技术的研发主要是针对传统工艺中多次曝光等繁琐问题。在过去的技术中，曝光过程可能重复2～3次，但是EUV技术可以完成，既减少了工序，又节约了时间。在简化工艺流程、缩短生产周期的同时，EUV也增加了产能，提升了效率。”
中国购买为时尚早
针对EUV，在国内流传着一种声音：受西方《瓦森纳协议》的限制，中国只能买到ASML的中低端产品，出价再高，也无法购得ASML的高端设备。日前，ASML中国区总裁金泳璇在接受《中国电子报》记者采访时否认了这一说法。据金泳璇透漏：“国内某半导体晶圆厂现已与ASML展开7nm工艺制程EUV订单的商谈工作，台EUV设备落户于中国指日可待。”
这就是说，EUV要进口到中国并没有受到限制。但是，EUV技术进入中国的问题可能并非受限与否，而是有没有必要现在购买？由于EUV开发的技术难度极高，特别是EUV光源的功率不足，导致曝光时间过长，使得EUV一直很难得到实用，目前国际上EUV技术较为成熟的企业只有ASML一家，其销售的EUV价格极为高昂，一台售价超过1亿欧元。而目前EUV的主要应用范围是7nm以下工艺节点，尤其5nm工艺节点的晶圆制造。
“对于国内制造企业而言，芯片制造的工艺水平还达不到EUV所擅长的范围，目前我们28纳米量产，14纳米还在布局。对于EUV而言，如果采用该技术进行14nm芯片量产，成本太高了。”林雨指出。
王笑龙也认为EUV技术对于中国来说仍是一项挑战。王笑龙介绍，EUV主要是从7nm开始，目前国内暂时没有这项技术的应用。国内集成电路较为落后，尚未达到EUV技术的先进水平，国内的一些企业尚未对该项技术产生一定的支撑作用。“EUV进入中国可能是多年以后的事情，目前国内28nm才刚开始，14nm大概要2020年，那么7nm技术，坏的预测可能是2025年，并且中国技术较为落后，追赶先进技术会产生高额费用，暂时尚无足够资金支撑这项技术。”王笑龙说。
实用化挑战当前依然存在
事实上，不仅中国对EUV的应用时日尚早，国际上对EUV的应用也局限在很小的范围。对于EUV产业化过程中的挑战，林雨表示主要来自于光源和持续生产率。“例如，250W光源是使EUV可用于芯片量产的关键要素。到目前为止，ASML公司已经推出多种采用80W光源的原型，预计将在年底推出其首款125W系统。目前，250W光源主要存在于实验阶段，用于产业化流程中所急需突破的问题是光源的可靠工作效率。据赛迪智库调查了解，Gigaphoton正在帮助ASML生产这种光源。”林雨说。
根据ASML不久前公布的数据，2017年EUV设备全年出货量仅有12台，预计明年出货量将增加至20台，而现在客户未出货订单为27台。日前，ASML公司将EUV光刻机小范围量产，所配用的是业内人士翘首以盼的250W光源，计划于2017年年底完成设备产品化。
除此之外，耗电量和曝光速度也是EUV技术的实践者需要征服的挑战。“光刻胶和光照膜是传统工艺中使用到的材料，现在已经不适应EUV技术的发展。此外，EUV技术还面临耗电量大等问题。EUV目前的曝光速度与人们的期望还有一定差距。假如传统工艺曝光用1小时，整个过程共需4次曝光，一共要4小时，EUV技术只需要曝光，预期耗费1小时便可以完成，但是现实中却需要3小时左右。”王笑龙说。
成本高也是EUV技术的一个难题。“EUV技术研发投入的资金量很大，技术昂贵，设备稀少。如果这些问题得不到改善，那么这项技术将无法得到实用。鉴于以上所述，EUV技术既是挑战，也是机遇。”王笑龙说。
长期战略，中国不应缺位
尽管EUV现在还存在各种障碍，但是其未来应用前景依然各方被看好。从长远角度来看，发展EUV技术是非常必要的。对此，林雨指出：“自上世纪九十年代起，中国便开始关注并发展EUV技术。初开展的基础性关键技术研究主要分布在EUV光源、EUV多层膜、超光滑抛光技术等方面。2008年‘极大规模集成电路制造装备及成套工艺’国家科技重大专项将EUVL技术列为下一代光刻技术重点攻关。《中国制造2025》也将EUVL列为了集成电路制造领域的发展重点对象，并计划在2030年实现EUV光刻机的国产化。”
“目前来看，EUV这项技术对中国尚无实际意义，但是具有一定的战略意义。中国虽然技术落后，研发EUV技术困难颇多，但是仍要发展完整的工业体系，EUV是整套体系中困难的一块。放眼于未来，中国的技术还是会到达高水平层次，7nm技术也会得到应用，这一步势必要走，所以现在的准备工作是一定要做的，努力减小未来中国与世界的差距，所以即使如今技术不成熟、制作设备缺少、但是EUV技术还是要加大关注，为未来我国技术做铺垫。”王笑龙说。
虽然国家政策对于先进的EUV技术给予了研究支持，但是中国在光刻行业的技术、人才等积累还很薄弱。追逐国际者，中国必将付出更大的精力和更多的资金。“对于中国来说，这项技术的基础薄弱，制作设备稀缺，光学系统也会是极大的挑战，可以这么比喻，在中国，做EUV要比做航空母舰困难得多。”王笑龙说。
因此，针对于中国EUV技术的发展，王笑龙给出了一些建议。“追求实用技术是企业的本能，追求技术却不符合企业效益。因此对于先进的EUV技术，光靠企业和社会资本是无法支撑起来的，对于企业来说，研发技术缺少资金的支持；对于社会资本来说，缺乏热情的投入，因此，这项技术需要政府的支持，需要国家政策的推进。”王笑龙说。
7nm大战在即 买不到EUV光刻机的大陆厂商怎么办？
基于三星10nm制程工艺的骁龙835早已随着三星S8、小米6等一众手机面世，而基于台积电10nm制程工艺的联发科Helio X30也和魅族Pro 7系列手机一起亮相了。除此之外麒麟970及A11处理器将于今秋和消费者见面，各家产品虽有强有弱但手机芯片的10nm时代已经展开，下一步就是向7nm推进，工艺推动者无疑就是三星和台积电这两家已较劲了几代制程的业者了。
对于7nm制程工艺，三星和台积电两大晶圆代工领域巨头都早已入手布局以便争抢IC设计业者们的订单。其中三星原定于明年破土动工的韩国华城18号生产线动工时间已被提前到了今年11月，以便在2019年能够进入7nm制程量产阶段。值得注意的是三星华城18号生产线将会架设10多台极紫外光（EUV）设备。而根据早前的报道，目前台积电在7nm上已有12个产品设计定案，代7nm将在2018年实现量产（一说为年前实现量产），第二代7nm则会在2019年实现量产，并导入极紫外光技术。
不论是三星还是台积电在7nm上都将引入EUV设备，而这种被视为延续摩尔定律的设备的研发正是因为制程工艺进入10nm后难度骤增，193nm光刻技术不足以应付7nm、5nm的需要，所以寄希望于研发EUV光刻工艺来推动制程进步。
7nm制程的进度在一定程度上也是被EUV设备所控制的，而EUV设备却是被荷兰半导体设备厂商ASML所控制的。据悉ASML是一家从事半导体设备设计、制造及销售的企业，于1984年从飞利浦独立出来，在去年先后宣布收购汉微科及蔡司半导体24.9%股份。这家垄断了高端光刻机市场的厂商股东中有三家就是我们耳熟能详的英特尔、台积电和三星。而据其公布的2017第二季财报显示，公司该季营收净额为21亿欧元，毛利率为45%。
EUV光刻机研发难度非常大因此单台价格高昂至少要1亿多欧元，但这种价值连城的设备还不是有钱就能买到的，如受限于《瓦森纳协定》，大陆的厂商就买不到端的光刻机设备。此外，由于EUV光刻机生产难度和成本都非常大，导致称霸了该领域的ASML年产量也只有12台。不过有报道称，ASML正在提升生产效率，或能在2018年将产能增加到24台，2019年达到40台。
对于大力投入集成电路发展的大陆，ASML虽然不能出售端的设备，但是也有其他的合作方式。3月份时，与上海微电子装备（集团）股份有限公司签署了战略合作备忘录；6月份时，宣布与上海集成电路研究开发中心合作，将共同建立一个培训中心。而国内对于高端光刻机设备的研究也十分重视，由长春光机所牵头承担的国家科技重大专项02专项——“极紫外光刻关键技术研究”项目已于今年6月在评审组的一致同意下通过了项目验收，这是我国极紫外光刻光学技术水平提升的重要一步。