不止光源，EUV光刻对这一设备的依赖度不断提升

来源:半导体产业纵横发布时间:2023-09-181465浏览

9月12日，台积电临时董事会通过两个议案，一个是以不超过1亿美元认购Arm普通股，另一个是在4.328亿美元额度内投资英特尔子公司、半导体设备商IMS Nanofabrication GmbH，获得其10%股权。

台积电董事长刘德音表示，Arm是半导体生态系统的重要一环，台积电希望Arm能成功。业界认为，由于Arm架构是全球芯片业最重要的设计基础，台积电入股，将有助于扩大其晶圆代工后续接单优势。

相对于入股Arm，本文更关注台积电投资IMS。该晶圆代工龙头业务开发资深副总张晓强指出，自2012年以来，台积电一直与IMS合作开发用于先进制程的多波束光罩刻录机，这项投资将延续台积电与IMS之间的长期合作伙伴关系，加速创新并实现更深入的跨行业合作。据悉，相关交易流程将在2023年第四季度完成。

英特尔表示，该公司仍持有IMS的多数股权，IMS将在首席执行官Elmar Platzgummer的领导下作为独立子公司运营。

除了台积电，英特尔还同意向贝恩资本（Bain Capital）出售20%的IMS股权，预计将在今年第三季度完成。

为什么像英特尔、台积电这样的半导体龙头企业，以及贝恩资本这样的全球顶级投资机构，都争相靠近IMS这样一家小公司呢？主要原因在于，先进制程发展越来越难，对高精尖半导体设备的依赖度也在提升，特别是高数值孔径EUV光刻机，行业地位在原有基础上还在提升。而多波束光罩刻录机与EUV设备有着紧密的联系，且相关性越来越高，简单来说，就是光刻必须要用到光罩（掩模版），且需要多层光罩，而多波束光罩刻录机就是晶圆厂会用到的先进设备，用于制作产线上用到的光罩。

01光刻工艺简介光刻机的作用就是把光罩的图形，按比例精确投影到硅片上，完成集成电路制造工艺的第一步，也就是图形化转移，然后再经过显影、蚀刻、脱膜、清洗等步骤，在硅片上制造出实体集成电路。

EUV光刻实际上就是一种复杂而精密的投影技术。一片晶圆经过光刻之后，就完成了数以亿计个芯片的曝光工作，效率非常高，远远超过其它技术路线（如纳米压印等）。

制造一种芯片，需要进行多层光刻，每层都需要光罩。一般情况下，最底下的1~2层，需要的分辨率最高，对光刻精度的要求也最高，需要先进的光刻机来完成曝光工艺，而这1~2层之上的金属层等，不需要那么高的精度，光罩也相对简单，用线宽较大的光刻机就能完成工作。因此，高，中，低不同精度的光刻机可配合完成整个芯片的曝光工作，最先进的光刻机只负责最细线宽处的曝光工作。

还有一点，在EUV出现之前，要制造22nm、16nm、14nm集成电路，由于没有那么高精度的光刻机，需要用到多重曝光技术，还分成好几种，主要有LELE、LFLE、SADP/SAQP。无论哪种曝光技术，都是为了在有限的光刻机分辨率条件下，实现更小的特征尺寸，其中，SAQP效果最好，SADP次之，LELE和LFLE差不多。多重曝光就是多次曝光，每次都需要新的光罩。

02光罩简介光罩是微纳加工技术常用的光刻工艺所使用的图形母版，由不透明的遮光薄膜在透明基板上形成掩膜图形结构，再通过曝光将图形信息转移到硅片上。

掩模制造商先生产出空白掩模，这些产品多由6 x 6英寸的玻璃基板制成，该基板涂有金属膜和光敏剂。晶圆厂购买到这些空白产品后，用各种类型和等级的刻录机，将自家要制造的集成电路（成熟或先进制程）信息写入空白掩模（这就是所谓的图案化处理），然后将其放入专用的面罩，再把这些带有信息的光罩放到光刻机上，将光罩上的集成电路刻画到硅片上，然后再去显影、蚀刻……

由此可见，光罩是制造集成电路的最初环节，非常重要，这一环节做不好，后面的工序流程都会打折扣，从而影响最终芯片的性能和良率。而发展到了7nm以下先进制程，光罩需要多重曝光，多层精细化的光罩，对相关设备的要求更高。

每个单独的芯片设计都带有一组光罩，在3nm制程节点上的成本可能高达5000万美元。新设计不仅需要新光罩，现有设计也需要新的，因为随着时间的推移，光罩会出现缺陷，因此，它们需要修理，或者必须制造新的光罩来替换老化的。

以苹果最新推出的iPhone 15 Pro手机为例，其核心处理器A17 Pro采用的是台积电最新版本的3nm制程工艺，需要25层EUV光刻，相当于N5（5nm的最初版本）的两倍。每层都需要光罩，对相应产品和设备的要求越来越高。

03光罩刻录机的作用目前，光罩通常采用激光刻录机制造，还有基于电子束(e-beam)技术的光罩刻录机，前者的通用性比较强，后者多被用于在最先进的制程节点上制作关键光罩，因为它可以产生比传统激光刻录机更小的特征尺寸，但这种刻录机的速度相对较慢，此外，它也很昂贵，体积也大。

目前来看，在先进制程集成电路的制造过程中，最底层（前文所说的1~2层）需要精细光刻，相应的光罩也更精细，多采用基于电子束技术的光罩刻录机，而上边那些层的光罩，厂商更倾向于使用更便宜、效率更高的激光刻录机。

由于每个光罩都是不同的，图案化一个简单的光罩需要很短的时间，复杂的则需要较长时间。因此，采用电子束光罩刻录机时，“写入时间”就很重要了，因为它直接影响刻录效率。

目前，全球能够制造多波束光罩刻录机的厂商并不多，主要有4家企业，分别是日本的JEOL、Nuflare公司，德国的Vistec和奥地利的IMS公司。这4家中，Nuflare公司最牛，拿下了全球90%的份额，也是第一家具备3nm制程光罩制备能力的厂商。

IMS于1985 年在维也纳成立，2009年，由于看中了该公司的多束直写可编程电子束刻录系统的发展前景，英特尔投资了IMS，并于2015年收购了该公司，在英特尔的掌控下，IMS实现了快速增长，其员工队伍和生产能力翻了两番，同时交付出了三代新产品。台积电自2012年以来一直与IMS合作开发用于先进制程技术的多波束光罩刻录机。2016年，IMS发布了第一款商用多波束光罩刻录机，该产品及其衍生品适用于 7nm以上的所有制程工艺。2019年，该公司交付出了用于5nm制程技术的第二代产品，也就是MBMW-201。

近些年，IMS将行业龙头Nuflare视为头号竞争对手，在IMS看来，Nuflare的刻录机不够精确，而且速度较慢，此外，他们的多波束光罩刻录机在IMS出品多年后才开始进入市场。IMS表示，超过98%的EUV光罩都是使用IMS的多波束刻录机制造的。

随着光刻技术的发展，特别是ASML不断更新EUV光刻机，对相应的产品和设备也提出了更高要求，光罩刻录机也在这种行业背景下向前发展着。

从目前的技术演进情况来看，一种称为Curvilinear masking的技术为改进亚分辨率辅助功能（SRAF）和扩展工艺窗口提供了一个机会。

Curvilinear masking可以提供更好的晶圆光刻效果，只要光罩可以在合理的时间/成本内准确写入，在给定抗蚀剂和写入方法的情况下，多波束在恒定时间内可以写入任何形状。掩模-晶圆协同优化（MWCO）结合了重叠的可变形状波束（VSB），通过基于掩模-晶圆双重仿真评估注入位置，可以更少的镜头产生更好的晶圆光刻质量。与传统光学接近校正（OPC）技术相比，表现更出色。

多波束光罩刻录机的商用和不断成熟促进了Curvilinear masking技术的采用，打破了长期以来与射击次数（shot count）相关的光罩成本范式。虽然Curvilinear masking的成本有所增加，但与EUV光刻机的投资相比，增加的量还是很小的。

随着EUV开始进入大批量生产（HVM）阶段，多波束光罩刻录机的采用量也在明显增加，现在，几乎所有EUV光罩都是用多波束刻录机写入集成电路信息的。

04结语通过以上介绍，我们可以看出，台积电投资IMS，获得其10%的股权，以及英特尔早些年将该公司收购至麾下，是很有意义的，因为未来的先进制程进展越来越缓慢，需要半导体设备、材料，以及下游的封装等产业链各环节的多种先进技术支撑，才能在先进制程市场竞争中立于不败之地。

在重点介绍了台积电投资的IMS所在光罩产业链的发展情况之后，我们还是要简单分析一下投资Arm的情况，毕竟，作为全球处理器IP龙头，Arm对产业的影响力是很大的，而且，就在9月15日，Arm正式在纳斯达克上市，当天市值达到652亿美元。

台积电表示，参与Arm上市是策略性投资，可以使台积电在未来与供应商、合作伙伴的合作中处于有利地位。

知名分析师郭明錤认为，台积电这两笔投资的主要目的是提高垂直整合能力，以确保从目前3nm的FinFET技术顺利转换到2nm的GAA技术。

郭明錤表示，英特尔将用18A制程（约等于台积电的2nm）生产Arm芯片，这可能是台积电更积极投资Arm的一个原因。台积电可通过此举与Arm形成更紧密的合作（如DTCO与 STCO），有助于在台积电的先进制程和封装技术上针对Arm IP进行优化。

郭明錤认为，苹果和英伟达最快将在2026年用2nm制程技术生产下一代AI芯片（分别是iPhone处理器和B100），因为这两大潜在2nm客户也投资了Arm，台积电投资Arm有利于强化与苹果、英伟达间的合作并争取2nm订单。

郭明錤还提到，投资IMS可确保关键设备的技术开发与供应能满足其2nm商用化的需求。

未来几年，先进制程（7nm以下）芯片制造玩家依然只有台积电、英特尔和三星电子这三家，随着英特尔正式加入晶圆代工竞争阵营，厮杀会越来越激烈，合作与竞争的关系也会越来越复杂。

早些年，英特尔10nm制程难产的时候，只能找三星电子代工生产相关芯片，目前，英特尔的多种非核心产品也会交由台积电代工生产。同时，英特尔也在产业链上游与台积电形成了合作与竞争关系，如投资ASML，以及共同拥有IMS股权等。而在Arm控股以及几年后代工生产Arm架构芯片方面，这两大芯片巨头也会迎来更多的竞争局面。