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欲重夺芯片霸权，英特尔率先买下新一代光刻机

晰数塔互联网快讯
2022-01-25 15:58

过去10年是英特尔失落的10年。

在其传统优势的PC芯片市场，不仅与老对手AMD在市场和技术上的差距被进一步缩小，而且还面临新崛起的ARM“门派”的挑战，例如苹果的M1系列芯片；而在移动芯片市场（如手机、平板、汽车等），英特尔不仅被高通、三星打得节节败退，而且还被RISC-V芯片断了物联网芯片的出路，可谓是江河日下。

在此背景下，英特尔于去年进行了换“帅”行动，帕特·基尔辛格（Pat Gelsinger）成为了英特尔新的掌门人。新官上任三把火，在2021年7月的“英特尔加速创新：制程工艺和封装技术线上发布会”上，基尔辛格表示：“作为摩尔定律的主导者，我们将在创新道路上坚持不懈，并努力超越摩尔定律，创造新的处理器，然后争取在2024年赶上竞争对手（三星、台积电），2025年超越他们。”

显然，基尔辛格并非只是单纯说说而已。近期，据外媒cnet消息报道，英特尔宣布已与荷兰光刻机巨头ASML达成一笔超两亿美元的合作，英特尔成功从ASML手上购得下一代芯片制造系统Twinscan EXE：5200，据悉Twinscan EXE：5200是winscan EXE：5000的升级版，属于高NA（数值孔径）EUV光刻机，其吞吐量超每小时220片晶圆（wph），预计将在2024年交付并投入使用（按照Intel的制程路线图，Twinscan EXE：5200到2025年至少是20A或者18A，也就是5nm和5nm+）。

ASML总裁兼首席技术官Martin van den在这笔交易完成后对外表示，英特尔对ASML在High-NA EUV技术的远见和早期承诺证明了对摩尔定律的不懈追求。与目前的EUV系统相比，ASML的扩展EUV路线图以更低的成本、时间周期和架构等方面提供了持续的改进，这将推动芯片行业未来十年发展的动力所在。

那么事实真如Martin van den所言，英特尔成功拿下Twinscan EXE：5200后真的能重新夺回芯片霸权吗？新一代光刻机设备对芯片行业下一个10年又会产生哪些影响呢？

认识光刻机

在讨论以上问题之前，我们首先需要粗略地认识光刻机。

光刻机（Mask Aligner)是制造芯片的核心设备（芯片生产中需要20至30次光刻，耗费时间约为全部工艺的40%至60%），它采用类似照片冲印的技术，把掩膜版上的精细图形通过光线的曝光印制到硅片上（其实最简单的理解就是工厂会先把晶圆打磨得十分光滑，然后光刻机用很细的光镭雕一样在晶圆上雕刻图案）。

数据来源：华西证券研究所

光刻机可分为接触式光刻、直写式光刻、投影式光刻三类，其中接触式光刻是一种较为原始的接触式光刻，需要将光学掩模版图形面与待光刻区域光致抗蚀剂（或感光乳胶）表面接触而曝光，目前已基本退出市场。目前市场中主流的光刻机主要为直写式光刻与投影式光刻，其中直写光刻还不能满足器件大规模制造的需求，因此主要应用于电路板行业；而投影式光刻具有更高的线宽分辨率、精度和生产效率的特点（其代表公司为ASML），所以被广泛应用于芯片制造行业。

目前投影式光刻机有紫外光源（UV）、深紫外光源(DUV)、极紫外光源（EUV）三种工艺路线，其中由于紫外光源（UV）波长为1～380nm，目前与接触式光刻一样也已经退出了主流市场。

数据来源：华西证券研究所

本次英特尔从ASML购买的Twinscan EXE：5200则属于极紫外光源（EUV）。该技术的工业化工作始于1994年，半导体行业公司（包括ASML）联盟交付了第一个原型，随着市场需求变化与EUV技术的发展，在2010年，ASML交付了第一台预生产的EUV系统——Twinscan NXE：3100；2016年，ASML推出了更先进的EUV光刻系统Twinscan NXE：3400，到2020年初，ASML已卖出了100次EUV系统。

图片来源：ASML官网

据ASML介绍，为了实现芯片制造的进一步创新，他们正在开发下一代EUV平台，以将数值孔径（NA）从0.33增加到0.55（"High-NA"），显然下一代EUV平台就是Twinscan EXE：5200。据悉，称为"EXE"的高数值孔径平台具有新颖的光学设计，并且晶圆和光罩级的速度明显加快。它将使几何芯片在未来十年内能够很好地扩展，EXE 平台旨在启用多个未来节点，从 2 nm 逻辑节点开始，然后是密度相似的内存节点。

Twinscan EXE：5200能做什么？

相机用于摄像，鼠标用于控制电脑，而光刻机的作用自然是用来制造芯片。

前面提到，Twinscan EXE：5200相较于其他光刻机无论是生产能力（每小时生产超过200片晶圆）还是精度（0.55数值孔径）都有较大提高，这意味着谁拥有了便拥有了3nm，甚至是2nm时代的芯片霸权。

图片来源：ASML官网

芯片被称半导体行业王冠上的明珠，也被称为数字黄金，是一小块扁平硅上的一组电子电路。在芯片上，晶体管充当微型电气开关，可以打开或关闭电流。而这些微小开关的图案是通过添加和去除材料在硅晶圆上形成互连形状的多层晶格来创建的，那么如何创建这些微小开关呢？

答案是通过一系列手段深加工“硅”。硅是由沙子制成的，它是地球上仅次于氧气的第二丰富的元素。同时，硅还是一种"半导体"，这意味着可以通过将其与其他材料（如磷或硼）混合来增加其导电性能，这样就可以打开或关闭电流，所以人们将沙子熔化（铸锭）成大圆柱体的锭，然后将该铸切成薄晶片，即晶圆。

接下来的工作便是给这些光滑的晶圆刻画微小开关了，而这一步的工作则需要光刻机来完成。在半导体行业一直存在两大定律，第一是大名鼎鼎的摩尔定律，即当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍；第二是Dennard（登纳德）缩放定律，他认为晶体管面积的缩小使得其所消耗的电压以及电流会以差不多相同的比例缩小，比如晶体管的大小减半，那么该晶体管的静态功耗将会降至四分之一（电压电流同时减半），所以要保证芯片性能的继续增强，晶体管的大小则需要足够小，3nm、2nm，甚至是1nm，而Twinscan EXE：5200 0.55数值孔径可以实现2nm晶体管的光刻。

数据来源：华西证券研究所

目前，台积电已经大规模量产5nm工艺，并且预计在2022年生产4nm芯片（苹果已向台积电下单）；而三星也已经大规模量产5nm工艺，并且在4nm、3nm等关键节点也有所突破（同等节点下工艺水平比不上台积电）；可反观英特尔，目前仍然停留在10nm的节点上（优于台积电的7nm），而且其最先进的7nm工艺几经推迟，预计要到2023年才能投入生产，Twinscan EXE：5200 0.55的加入先不说让其重新夺取芯片霸权，但至少会使稳步实现其2025年重回第一梯队的小目标。

本文来自微信公众号 “青年投资家俱乐部”（ID：TheYoungInvestorClub），36氪经授权发布。