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整理包/英特爾拿下全球首台高數值孔徑EUV設備 一台要價百億元 為何台積電不急著搶?

ASML曝光機。 圖/取自ASML網站
ASML曝光機。 圖/取自ASML網站

本文共2710字

經濟日報 新聞部新媒體中心/編輯林宜萱整理

英特爾日前宣布拿下業界第一台商用高數值孔徑極紫外光High NA EUV曝光機,並完成組裝,預計在2027年啟用,英特爾期待能靠這張王牌奪回半導體技術龍頭。本文將介紹EUV是什麼、為何英特爾爭相搶奪,但台積電卻不急著導入、全球只有ASML(艾司摩爾)有能力製造EUV設備嗎?

EUV、DUV是什麼?

EUV、DUV曝光機對半導體先進製程相當重要,原理是「光學微影」技術,簡單來說就是「在晶圓上刻出精細的電路」,這是量產晶片時最重要的步驟。

利用光線穿過印有電路圖的光罩,再透過微影系統中的光學器件微縮,並將圖案聚焦到感光的矽晶圓上。當圖案印好之後,系統會稍微移動晶圓,並在晶圓上進行另一次複製,這個過程必須複100次以上,將線路圖案不斷疊加,最後形成積體電路。

DUV(Deep Ultraviolet Lithography)曝光機採用「深紫外光」,波長193nm,主要應用在7奈米以上的成熟製程。

EUV(Extreme Ultraviolet Lithography)曝光機採用的光源是「極紫外光」,波長13.5nm,可以刻出更細緻的電路圖,但也因為波長太短,容易被空氣吸收,因此必須在真空環境中完成,台積電從7奈米開始導入EUV設備。

High-NA EUV是什麼?

當製程推進到2奈米或更小的尺寸,就必須採用高數值孔徑 High-NA EUV 曝光機,因此該機台成為台積電、英特爾、三星三大晶圓廠搶進2奈米以下先進製程的必備武器。

ASML新一代的High-NA EUV曝光機EXE:5000,NA(數值孔徑)從0.33增大為0.55,有幾項優點,一,具備更高解析度,成像更清晰;二,每小時可列印超過 185 個晶圓,大幅提高產能;三,製造流程簡化、提高生產效率;四,晶片功能進化,EXE:5000 的 8 奈米解析度意味著可以在單一晶片上封裝更多的電晶體,提高晶片性能。

至於價格與尺寸,High-NA EUV造價高昂,一台大約3.5億歐元,換算成台幣要一百多億元,大小等同於一台雙層巴士,重量更高達150公噸,相較於兩架空中巴士A320客機,裝機時間推估需要六個月,並需要250個貨箱、250名工程人員才能安裝完成,不僅價格高昂又相當耗時。

英特爾拿下最新EUV 台積電卻不急著搶?

ASML是全球唯一生產7奈米以上EUV機台的廠商,而且一年只生產40至50台,造成台積電、三星、英特爾、海力士、美光等業者競相搶購。

英特爾之前先進製程發展一度停滯,正在奮力追趕,這回搶頭香拿下ASML最新的High-NA EUV曝光機EXE:5000,未來將導入14A製程,宣示技術領先的意味濃厚。不過該機台的成本相當高昂,讓外界好奇英特爾是否為了超車台積電而犧牲成本、急躁採用高數值孔徑EUV。到底英特爾能不能藉此扳回一城,將是未來先進製程大戰的看點。

為何台積電不急於購入High-NA EUV機台?台積電業務開發資深副總經理暨副共同營運長張曉強說,台積電A16先進製程節點不一定需要高數值孔徑極紫外光曝光機(High-NA EUV),原因是太貴了,「價格非常高昂」、「我喜歡High-NA EUV的能力,但我不喜歡它的標價。」

張曉強說,台積電所謂A16先進製程節點(預定2026年稍晚量產)可以繼續仰賴台積電已有的較舊款EUV設備,「我認為目前,我們現有的EUV能力應該有辦法支援了」。

張曉強表示,使用新的ASML技術,將取決於它在何處最具經濟效益,以及「我們能夠達成的技術平衡」。他不願透露台積電何時將從ASML採購High-NA EUV。

ASML憑什麼一家獨大?

1980年代,美國公司GCA曾經是曝光機巨頭,但是後來經營不善沒落,日本的Nikon和Canon趁勢崛起,到了1980年代末,日本製造的曝光機全球市占率已達到70%,至此美國失去這項關鍵技術長達20年的壟斷地位。

1984年ASML剛成立,只是一家默默無聞的荷蘭小公司,卻打敗Nikon和Canon這樣的老牌大廠,如今成為壟斷市場的曝光機霸主,它是如何做到的?

台積電是ASML的貴人

其實讓ASML與日本 Nikon、Canon拉開差距的轉捩點,與台積電有關。半導體產業過去都是用「乾式微影技術」,光源193奈米,以空氣作為鏡頭和晶圓間的介質,但當晶圓製程繼續推進,光源必須縮短到157奈米,才能做出更精密的晶片,不過苦於技術一直無法突破。

此時,台積電前研發副總林本堅提出可以繼續用193奈米波長的光,改成在鏡頭和晶圓之間注入水,光的波長在水中縮短,解析度增加,就可以刻出更精密的晶片。

Nikon、Canon不看好這項技術,沒有接受台積電的建議,而ASML採納了,並與台積電共同研發浸潤式微影(Immersion Lithography),2004年第一台浸潤式微影機台誕生,奪下台積電、IBM等大客戶訂單,也讓ASML一戰成名,自此Nikon及Canon逐漸被甩在後頭。

隨著晶片製程愈來愈先進,浸潤式微影發展到極限,業界轉向研發極紫外光微影技術(EUV) 。在台積電、英特爾與三星的共同注資下,ASML花了二十年的心血,成功打造出EUV曝光機,2019年,第一台搭載EUV技術晶片的手機誕生,就是iPhone 11。

與供應商緊密合作

另外,ASML與蔡司、西盟科技等全球供應商的合作,亦是成功的關鍵。比起Nikon等傳統大廠靠一己之利打造整個機台,ASML的供應商來自全球,公司本身只生產大概10-15%的零件,其餘都是向世界各地的公司採購。

其中,最關鍵的零件之一是反射鏡,曝光機對反射鏡的要求非常高,只要有一點瑕疵,EUV光子就會走偏,而這堪稱「人類史上最平滑的鏡面」是由德國公司蔡司(Zeiss)所提供。

蔡司一開始使用的是手工打磨的鏡面,在艾司摩爾的要求下改為自動化操作,讓鏡面的品質大幅提升,ASML也要求蔡司只能獨家供貨給自己,並收購蔡司半導體的部分股權,兩家公司攜手合作、互相成就。

ASML執行副總裁兼商務長福凱(Christophe Fouquet)曾說,全球半導體供應鏈當中,任何單一國家想要與別人脫鉤,建立完全自力更生的晶片產業,幾乎不可能,就算可以也會極為困難與昂貴。他強調,人們遲早要明白,從事半導體業的成功法門唯有透過合作。這也是為何目前只有ASML生產EUV設備,獨占市場,其他廠商難以望其項背的原因。

(資料來源:記者蘇嘉維、編譯黃淑玲、葉亭均、ASML官網)


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