【芯视野】从EUV到DUV：光刻机战火再燃？

（集微网报道） 树欲静，而风不止。

光刻机再次成为热词，不过这次主角由EUV（极紫外光刻）换成了DUV（深紫外线光刻）。

根据外媒的报道，拜登政府正在把美国国家人工智能安全委员会的提议摆上桌面，即禁止向中国出口包括浸没式光刻用的DUV（深紫外线光刻）设备在内的半导体制造设备。

无独有偶，两位共和党议员此前曾致信拜登政府，要求其劝说荷兰政府阻止ASML出售DUV光刻机卖给中芯国际，并且还需与盟国达成协议，统一出口限制和许可权。

这距中芯国际与ASML公司续签批量购买协议（VPA）仅仅过了一个月，本就不平静的半导体世界，又掀起了不小的波澜。

先进制程离不开DUV

没有EUV头顶耀眼的光环，已经是“上代人”的DUV实际上才是晶圆制造的主力，无论是图像传感器、功率IC、MEMS、模拟IC，还是逻辑IC，背后都有其身影。

DUV与EUV最大的区别就是光源方面，EUV的光源波长为13.5nm，最先进DUV的光源波则是193nm，较长的波长使其无法实现更高的分辨率。

早期的DUV采用KrF（氟化氪）准分子激光源，将最小工艺节点提升至350-180nm水平，因为无法突破干法光刻的极限，遂被浸入式光刻机取代。

新一代的DUV采用了ArF（氟化氩）准分子激光源，光源实际波长突破193nm，缩短为134nm，NA值为1.35，最高可实现7nm制程节点。浸入技术是指让镜头和硅片之间的空间浸泡于液体之中，由于液体的折射率大于1，使得激光的实际波长会大幅度缩小。

图 光刻机的进化（来自平安证券）

别认为7nm及以下工艺就是EUV的天下，实际上台积电就是用DUV实现了7nm工艺的突破。台积电的7nm工艺分为第一代7nm工艺（N7）、第二代7nm工艺（N7P）、7nm EUV（N7+）。其中，N7和N7P使用的是DUV光刻，为了用DUV制作7nm工艺，除了使用沉浸式光刻外，台积电还开发了多重曝光技术。

同样，中芯国际也是使用DUV设备开发先进工艺。中芯国际联席CEO梁孟松就曾表示，N+1和N+2工艺都不会使用EUV设备，等到设备就绪以后，N+2才会转而使用EUV设备。

而且，有关人士指出台积电和三星仅将EUV用于少数芯片层，而将浸入式DUV用于其余部分，因此在7nm以下，DUV和EUV仍是要联合使用的。

通常情况下，28nm的IC最多可使用50层光罩，14nm/10nm的IC使用60层光罩，7nm有80层光罩，5nm则达到100层光罩。台积电在7nm芯片上中的12层使用EUV，68层都使用DUV。在5nm节点，台积电将EUV 用于其中22层，其余78 层则是DUV。因此，DUV对制造先进工艺依然至关重要。

2020年全年，DUV设备在市场上都大受欢迎，使得设备公司开足马力进行生产。据相关媒体报道，ASML公司首批NXT 2050i系统的生产周期曾长达120天，但截至2020年底，最后5套系统的生产周期已经缩短到60天。

中流砥柱DUV

DUV仍是行业应用的主力，这从龙头厂商ASML的财报中可以一窥究竟。

图 ASML 2021Q1业绩

根据ASML发布的2021Q1财报，整个DUV产品线（ArFi+ArF+KrF）的销售额占比达到了60%。

ASML预计2021全年营收增长30%，上修逻辑和存储用光刻机营收增速指引，预计分别增长30%和50%，较2021Q1指引值（10%和20%）大幅提升，主要原因就是预计下半年DUV出货量将会增长。

ASML CEO Peter Wennink 在进行业绩说明时就表示：“与上个季度相比，我们对今年的展望有所增强，这主要是由于对DUV的需求所致。随着对先进工艺节点的需求不断增加，以及成熟工艺节点的运行时间越来越长，外加产能爬坡，对浸入式和干式系统的需求都比以往任何时候都强。我们已制定计划来增加DUV生产能力，以帮助满足客户不断增长的需求。”

放眼整个产业，由于5G、物联网(IoT)、新能源汽车、人工智能、高性能计算等技术蓬勃发展，对云服务、游戏、大型数据中心、医疗保健技术等方面在需求上的不断上升，正推动半导体行业的投入大幅度增加，未来几年对芯片的生产需求会不断扩大。

SEMI预测，半导体晶圆厂投资会在2019-2024年期间保持高速增长，2023年设备预算将达到创纪录的700亿美元。不过，向EUV光刻工具的过渡仍然比较缓慢，这也就意味着DUV的采购依然是主流。

同时，当前电源管理芯片、显示驱动芯片、车用电子芯片等产品市场供应吃紧，交货期持续拉长的情况下，显示出这些主力以28nm成熟制程生产的产能严重不足。因此，扩产28nm产能成为多个晶圆厂的重要规划之一，这也会拉动对DUV需求的大幅增加。

自力更生

14nm工艺是当前芯片制造领域的一个分水岭，掌握14nm工艺节点的厂商只有台积电、英特尔、三星、格罗方德、联电和中芯国际。中芯国际14nm工艺良率已达业界量产水准，在全球代工厂中规模仅次于台积电和联电。在先进工艺的开发上，中芯国际、华虹宏力等也正在发力。

如果DUV禁运，将对国内晶圆厂后续的产能扩充和工艺升级造成不可预知的影响。

行业专家莫大康指出：“美国还是将继续采用许可证制度，但可能会扩大名单范围，包括华虹，长鑫等，这也包括了二手设备，这些厂的产能扩充将会受阻，影响巨大。”

中芯国际在2020Q3业绩会说明会上也表示，公司原计划在2020年Q4和明年Q1供货的设备机台有所延长或不确定性，造成了Q4和明年Q1部分客户需求的满足受到一定影响。

数据显示，2020年ASML累计交付258台光刻机系统，前三大客户区是：中国台湾93台，占比36%；韩国79台，占比31%；中国大陆46台，占比18%。中国大陆的销售额从2019年的12%增长至2020年的18%。因为美国已经实施了EUV光刻系统的禁运制裁，也意味着DUV光刻系统是中国大陆厂商购买的主要机型。

当然，美国要实施全面禁运DUV，也并非一件易事。集微咨询高级分析师陈跃楠认为，如果要实行全面DUV禁运，那是一件非常复杂的事情，需要美国与日本进行协调，因为DUV已经是一个非常成熟的国际产业。

ASML在浸入式 DUV市场中占有94％的份额，佳能公司没有参与这一领域，余下的份额则属于尼康公司。ASML的193nm ArF市占率从2018年的95%下降到2019年的88%，再到2020年的85%，而尼康的行业份额还一直保持并略有增长。因此美国要完成光刻机的包围圈，还要形成美日间的协同，尚需不少时日。此外，要做到对二手光刻机的限制，也远非易事。

反过来，对于国内半导体产业来说，与其猜测鞋子何时落地，不如自己动手早做准备。好消息就是，成立于2002年的中国上海微电子设备（SMEE）宣布，它将在之前的90nm基础上生产第一台中国制造的28纳米浸入式平版印刷机，将于2021-2022之间交付。这款光刻机直接对标国际光刻龙头ASML现阶段最强DUV光刻机 TWINSCAN NXT：2000i。

莫大康指出，高性能光刻技术对中国企业来说成本高昂，但是其战略意义不容忽视。中国要推进完整的光刻工业体系的发展，只能采取从低到高的策略，比如193nm深紫外ArF干式光刻机、浸没式光刻机，以及周边设备材料开始。

核心的光学镜片、准分子激光光源等技术目前都不掌握在国内厂商的手中，要实现突破绝非一日之功，但是这一步是必须要走的。

“如果完全实行禁运，对中国也是一个好机会，这样才能下决心实现光刻机的突破，最终提高国产芯片的替代率。”陈跃楠最后表示。

（校对/Kelven）