今天小編分享的科技經驗：EUV光刻，日本強在哪兒？，歡迎閲讀。
在半導體制造過程中，光刻是最關鍵的步驟之一，決定了芯片的功能和性能。
随着摩爾定律發展，芯片工藝不斷向更小的節點發展，傳統的深紫外（DUV）光刻技術已經遇到了物理極限，無法滿足更高分辨率和更低成本的要求。因此，極紫外（EUV）光刻技術應運而生，它使用 13.5nm 波長的光線，可以實現更精細的圖案化，并減少多重曝光的次數。
當下，ASML 在光刻機領網域擁有絕對的影響力，壟斷了全球幾乎 80% 以上的光刻機市場，尤其是在 EUV 光刻機領網域，市占率更是達到 100%。
在過去，日本在光刻產業也是占據了大半壁江山。尼康、佳能與 ASML 曾經并稱光刻機三巨頭，但因為選錯了路線，前者錯失了 ASML 193 納米浸沒式光刻技術，逐漸沒落，尤其是在 EUV 極紫外光刻技術上毫無建樹。
但在 EUV 光刻環節，除了 EUV 光刻機這個最受矚目的設備產品外，EUV 光源、EUV 掩膜和 EUV 光刻膠以及其他配套設備等，一直是 EUV 光刻的重要技術組成部分。
芯片光刻流程圖
光刻的原理是在硅片表面覆蓋一層具有高度光敏感性光刻膠，再用光線透過掩膜照射在光刻膠和硅片表面，被光線照射到的光刻膠會發生反應。
此後用特定溶劑洗去被照射 / 未被照射的光刻膠，就實現了電路圖從掩膜到硅片的轉移。光刻完成後對沒有光刻膠保護的硅片部分進行刻蝕，最後洗去剩餘光刻膠，就實現了半導體器件在硅片表面的構建過程。
雖然日本沒有先進的晶圓廠，也錯失了 EUV 光刻機，但其在 EUV 光刻領網域仍有很重要的布局，保留着對供應鏈關鍵部分的控制，例如半導體材料和設備。
據了解，芯片制造涉及 19 種關鍵材料，且多數都具有較高技術壁壘，而日本企業在其中 14 種關鍵材料中占據了全球超過 50% 的市場份額，在其餘幾種材料的龍頭企業中也不乏日本企業的身影。
資料來源：遠川研究所
可見日本在半導體產業上遊制造環節的布局廣泛，實力雄厚。據 SEMI 數據顯示，日本企業在全球半導體材料和制造設備市場所占的份額分别高達 52% 和 30%。
" 壟斷 "EUV 掩膜市場
掩膜版（Photomask），又稱光罩、光掩膜、掩膜等，是微電子制造過程中的圖形轉移工具或母版，光刻過程将掩膜版上的設計圖形轉移到光刻膠上，再經過刻蝕，将圖形刻到襯底上，從而實現圖形到硅片的轉移。
Digital Journal 數據顯示，2021 年全球半導體光掩膜市場規模為 46.87 億美元。
在半導體芯片掩膜版市場，晶圓廠自行配套的掩膜版工廠占據 65% 的份額。如台積電、三星、英特爾、中芯國際等全球晶圓代工廠，其所用的掩膜版絕大部分由自己的專業工廠生產；在獨立第三方掩膜版市場，半導體芯片掩膜版技術主要由日本 DNP（大日本印刷）、Toppan（凸版）、HOYA（豪雅）和美國 Photronics、韓國 LG-IT 等公司掌握，市場集中度高，寡頭壟斷嚴重。
DNP 是世界上最大規模的綜合印刷公司，自 1876 年創業以來專注于印刷技術。作為光掩膜廠家，DNP 在 2016 年全球首例導入多電子光束繪制設備，且大幅度縮短了新一代半導體光掩膜的繪制時間，從而滿足了半導體廠家對高產率、高質量的需求。2020 年，DNP 開發了相當于 5nm 工藝的 EUV 光刻光掩膜制造工藝。
近日，DNP 宣布開發出用于 3nm 等效 EUV（極紫外）光刻的光掩膜制造工藝。
DNP 将增加多電子束掩膜光刻設備的數量，計劃于 2024 年下半年開始運營。通過這一舉措，DNP 将為采用尖端工藝的半導體制造領網域提供所需的光掩膜。
此外 DNP 還将通過與 IMEC 合作，推進 2nm 以後的更細微的工藝研發。
TOPPAN 采用超精細加工技術制造半導體工藝制程中必不可少的各種零部件，如用于半導體制程前道工序的光掩膜、用于後道工序封裝的 FC-BGA 基板，以及引線框架等。自 1961 年以來，凸版一直通過制造光掩膜來大力支持半導體行業的發展。同時，為了滿足不斷發展的 LSI 對更精細圖案的需求，正在不斷開發移相掩膜和采用下一代曝光技術的更先進的光掩膜產品。
TOPPAN 的中國上海廠于 1995 年開始投產。據悉，該廠前身是美國杜邦，杜邦的光掩膜事業部布局中國半導體產業的時間點非常早，甚至早于許多中國一線半導體晶圓廠，不過杜邦在 2004 年将上海廠賣給日本 TOPPAN 後，陸續退出該產業。
日本 TOPPAN 陸續将高端技術轉移到上海廠，該廠在 2015 年導入 90 納米的光掩膜技術設備，并在 2018 年開始生產 65/55 納米技術，之後在 2018 年進入邏輯制程 28/14 納米，以及 DRAM 的 1X/1Y 制程的光掩膜生產。
除了投入高端技術工藝，日本 TOPPAN 也在數年前就投入 EUV 光刻機用的光掩膜，通過高能量、波長短的光源，将電路圖案轉印到晶圓，EUV 光源波長比目前深紫外線 DUV 光源波長短少約 15 倍，因此能達到持續将線寬尺寸縮小的目的。
EUV 光掩膜與傳統光掩膜的不同之處在于，傳統光掩膜是有選擇性地傳輸 193nm 波長的光線，将電路圖案投射到晶圓上，但當采用 13.5nm 波長的 EUV 微影技術時，所有的光掩膜材料都是不透光的，因此具有復合多塗層反射鏡的光掩膜可将電路圖案反射到晶圓上。
EUV 薄膜
值得注意的是，EUV 掩膜最困難的環節之一就是 EUV 薄膜（Pellicle）。
EUV 薄膜是一種超薄薄膜形态的、需要定期更換的高端消耗品，放置在 EUV 掩膜的頂層，同時允許高 EUV 光透射率。它安裝在光掩膜表面上方幾毫米處，在 EUV 曝光工藝中保護 EUV 掩膜表面免受空氣中顆粒或污染物影響。
如果污染物落在 EUV 薄膜上，由于這些顆粒離焦，不會曝光在晶圓上，從而最大限度地減少曝光缺陷。但是，在 EUV 光刻工藝中，極紫外光通過 EUV 薄膜兩次，一次入射到 EUV 掩膜，另外一次出射到 EUV 投影光學系統，這導致 EUV 薄膜的温度将升高 600-1000 攝氏度。
不攜帶（左）和攜帶 EUV 薄膜的 EUV 掩膜示意圖
EUV 薄膜在 EUV 光刻中保護極其昂貴的 EUV 掩膜，使其遠離可能落在其表面的顆粒。
EUV 薄膜對于 CPU 芯片的生產最為重要，因為 CPU 芯片使用的是單芯片掩膜，任何一個 EUV 掩膜缺陷就會有可能使整個晶圓失效。因此，對于大面積的芯片，沒有 EUV 薄膜的保護是萬萬不能的。
有專家強調，"試圖在沒有 EUV 薄膜的情況下進行 EUV 光刻是痛苦的。這需要更多的檢測，而且仍有可能導致產量損失 "。
對此，日本 EUV 薄膜供應商三井化學積極布局。
前不久，比利時的納米電子和數字技術研究和創新中心 IMEC 與三井化學建立戰略合作夥伴關系，共同開發用于 EUV 光刻的基于碳納米管的薄膜。
根據協定，三井化學将把 IMEC 基于碳納米管的薄膜開發整合到其碳納米管薄膜技術中，以實現完整的生產規格，目标是在 2025-2026 年内将其引入大功率 EUV 系統的制造中。
該薄膜用于保護光掩膜在極紫外光照射時不受污染，具有高極紫外光透射率（≧ 94%）、低極紫外光反射率和最小光學影響，這是先進半導體制造中高產量和高吞吐量的關鍵特性。
光刻路線圖項目預計在 2025-2026 年期間推出新的薄膜，屆時下一代 ASML 0.33NA EUV 光刻系統将支持 600W 或更高功率的光源。
另一方面，三井化學也在助力三星實現新突破。
最近在釜山舉行的 "KISM2023" 學術會議上，三星表示其 EUV 光刻技術取得了重大進展。
據悉，三星 EUV 技術的關鍵在于 EUV 薄膜的使用，這是半導體制造中光刻工藝所必需的材料，能夠起到保護作用，防止外來顆粒造成缺陷。據透露，三星使用的 EUV 薄膜的透光率已經達到 90%，計劃将其提高到 94-96%。
三星在部分先進的 EUV 代工生產線上為主要客户引進了 EUV 薄膜。據三星 DS 事業部研究員 Kang Young-seok 表示，日本三井是目前唯一的供應商。雖然 FST 和 S&S Tech 等韓國企業正在積極開發 EUV 薄膜，但尚未達到量產的階段。
光罩刻錄機
除了在 EUV 掩膜和 EUV 薄膜上具有優勢外，日本在光罩刻錄機方面也有深厚積累。
目前，光罩通常采用激光刻錄機制造，還有基于電子束技術的光罩刻錄機，前者的通用性比較強，後者多被用于在最先進的制程節點上制作關鍵光罩，因為它可以產生比傳統激光刻錄機更小的特征尺寸，但這種刻錄機的速度相對較慢，此外，其價格昂貴，體積也大。
在先進制程集成電路的制造過程中，最底層需要精細光刻，相應的光罩也更精細，多采用基于電子束技術的光罩刻錄機，而上邊那些層的光罩，廠商更傾向于使用更便宜、效率更高的激光刻錄機。
全球能夠制造多波束光罩刻錄機的廠商并不多，主要是日本的 JEOL、Nuflare 公司，德國的 Vistec 和奧地利的 IMS 公司等。其中，Nuflare 公司實力強勁，拿下了全球 90% 的份額，也是第一家具備 3nm 制程光罩制備能力的廠商。
随着光刻技術的發展，特别是 ASML 不斷更新 EUV 光刻機，對相應的產品和設備也提出了更高要求，光罩刻錄機也在此行業背景下不斷演進。
綜合來看，光掩膜在微納加工技術中具有舉足輕重的地位，是實現集成電路制造的關鍵因素。随着制程技術的不斷演進，掩膜的精度、分辨率和成本要求将不斷提高，這将對掩膜制造商，以及薄膜和光罩刻錄機等產業鏈提出更高的挑戰，也帶來更大的需求。
EUV 光刻膠，實力強勁
光刻膠是一種特殊的材料，它塗覆在晶圓表面，可以根據曝光與否發生化學變化，從而形成所需的圖案。EUV 光刻膠則是制造難度更高的產品，也是 7nm 及以下先進制程芯片加工過程中的核心原材料。
光刻膠的發展是摩爾定律運行的核心驅動力。
随着芯片制程由微米級（2μm-1μm）、亞微米級（1-0.35μm）、深亞微米級（0.35μm 以下）、納米級（90-22nm）甚至進入 14-7nm 階段，對光刻膠分辨率等性能要求不斷提高，光刻技術随着集成電路的發展經歷了從 G 線（436nm）光刻，H 線（405nm）光刻，I 線（365nm）光刻，到深紫外線 DUV 光刻（KrF248nm 和 ArF193nm）、193nm 浸沒式加多重成像技術（32nm-7nm），再到 EUV 極端紫外線（＜13.5nm）光刻的發展，甚至采用非光學光刻（電子束曝光、離子束曝光），以相應波長為感光波長的各類光刻膠也應用而生。
與其它光刻膠相比，EUV 光刻膠有以下特點：
高吸收率：由于 EUV 光線在空氣中會被吸收，因此需要在真空環境下進行曝光。同時，為了提高曝光效率和減少劑量，EUV 光刻膠需要具有高吸收率，即能夠吸收更多的入射光子。
高靈敏度：由于 EUV 光源功率有限，每個晶圓上打到的光子數量較少，因此 EUV 光刻膠需要具有高靈敏度，即能夠在較低劑量下發生足夠的化學反應。
高分辨率：為了實現更小的特征尺寸和更密集的圖案布局，EUV 光刻膠需要具有高分辨率，即能夠保持清晰和平滑的線邊緣。
高穩定性：由于 EUV 光刻過程涉及多種化學物質和物理條件，因此 EUV 光刻膠需要具有高穩定性，即能夠抵抗各種幹擾和變化。
綜合來看，随着半導體節點向更小的規模發展，保持分辨率、靈敏度和圖形保真度變得更加復雜和具有挑戰性。EUV 光刻膠需要憑借上述特點和能力，以應對這些挑戰并實現進一步的小型化。
據業内人士披露，日本企業在半導體光刻膠領網域占據絕對優勢。半導體光刻膠主要生產企業包括日本東京應化、JSR、住友化學、信越化學、富士膠片，以及韓國東進世美肯和美國陶氏杜邦，其中日本企業占據約 90% 市場份額。
縱觀光刻膠產業的發展史，實際上日本的壟斷地位是 " 後來者居上 "。
回溯光刻機產業發展史，早在 1950 年，美國柯達公司就開發出了 KTFR 光刻膠，随後 1980 年美國的 IBM 公司突破了 KrF 光刻技術，之後的 15 年裏，IBM 領導并壟斷了 KrF 光刻膠。
也就是在這個時候，日本半導體也正在迅速崛起，尤其是在光刻技術方面，尼康和佳能憑借在基礎化工領網域的經驗積累和政府的大力扶持，迅速崛起。
盡管彼時迅速崛起的日本半導體已經受到了美國的壓力和限制，增速放緩。但由于業内對光刻膠的重視程度較低，且市場占有率過低，光刻膠不在美國限制日本半導體發展的產品範圍内。
于是，日本抓住 " 一線生機 "，開始大力研發光刻膠。
借此機遇，日本迅速湧現出了一批優秀的光刻膠企業，比如東京應化于 1995 年研發出 KrF 光刻膠并實現大規模商業化，這标志着光刻膠正式進入日本廠商 " 稱霸 " 的時代。2011 年，JSR 與 SEMATECH 聯合開發出 EUV 光刻膠，使得日本光刻膠站上了金字塔的頂端。
同時，由于日本的尼康和佳能在光刻機領網域也曾經長期壟斷全球市場，這些為日本發展光刻膠提供了非常良好的產業基礎，并且日本在精細化工等方面也具有雄厚的實力，經過數十年的發展積累了大量的理論知識和光刻膠相關的數據庫，最終形成了日本企業在光刻膠領網域的絕對統治力。
有業内專家表示，如今 10nm 以下制程的光刻膠，幾乎只有日本的企業能夠生產。這也意味着在 EUV 光刻膠方面，日本企業的市場份額遙遙領先。其中最大的兩家供應商是 JSR 和東京應化，就占據了約 75% 的市場份額。
東京應化成立于 1936 年，為全球領先的半導體光刻膠生產商，產品覆蓋橡膠型負性光刻膠、g 線光刻膠、i 線光刻膠、KrF 光刻膠、ArF 光刻膠、EUV 光刻膠、電子光束光刻膠等。目前東京應化在光刻膠領網域綜合實力位列第一，除了在 ArF 光刻膠領網域以 16% 的市占率位于 JSR（25%）、信越化學（22%）、住友化學（17%）之後，在其他三個領網域的份額均位列第一，其中在 EUV 光刻膠領網域獨占鳌頭，一家占據一半以上的份額。
今年 6 月，日本光刻膠供應商巨頭 JSR 宣布，已同意由日本政府支持的基金以約 9093 億日元（約 63.5 億美元）的價格收購，該交易意味着這家半導體材料巨頭将被日本國有化。
據報道，主導該交易的是由日本政府主導、日本產業界共同出資的日本投資公司（JIC），此舉受到日本貿易部的監督，是日本政府加強半導體產業控制的最新舉措，旨在重新奪回日本在先進芯片生產方面的領先地位。
此外，住友化學、信越化學和富士膠片等日本材料巨頭也均在 EUV 光刻膠領網域有所布局。
從產業鏈價值來看，光刻膠產值不算大，僅占全球半導體市場規模的 1%，卻對半導體產業至關重要。
三星集團 CEO 曾表示：" 如果光刻機缺少了光刻膠，那麼光刻機就是一堆廢鐵。"
可見，EUV 光刻膠更是半導體材料皇冠上最璀璨的明珠。日本在 " 壟斷 " 該領網域之餘，也面臨挑戰。
2019 年日本限制對韓國的 EUV 光刻膠出口後，韓國光刻膠廠商東進世美肯開始研發 EUV 光刻膠，并在 2021 年通過了三星電子的可靠性認證；2022 年 12 月三星電子在其一條量產線上使用了東進半導體的 EUV 光刻膠產品，标志着韓國也實現了 EUV 光刻膠的國產化量產突破。
另一方面，幹式光刻膠或将成為新的發展路徑。
TECHCET 報告表示，随着半導體先進制程的競争越來越激烈，以及 EUV 制程層數的增加，光刻膠材料市場規模激增。其中，幹式光刻膠成為廣受關注的新型 EUV 光刻材料之一，相比傳統濕式光刻膠能顯著降低生產成本，能源消耗更少，且原料需求量比以往大幅度減少。
随着芯片尺寸不斷縮小，傳統的濕式光刻膠開始遇到技術瓶頸，比如傳統的濕式光刻膠的化學成分容易造成光子散射，因此若想實現大劑量的曝光，需要增加光刻機的功率，而這一舉動也會大大影響光刻機的工作效率。
對此，業内曾提出兩種解決方案：一種是将光源提高到 500W-1000W，并因此獲得更高的能量來确保量產，但目前 500W 以上的光源仍在研發中。而第二種解決方案，便是通過改善 EUV 光刻膠技術，來實現曝光功率以及機器工作效率的平衡，幹式光刻膠也因此受到市場的關注。
據了解，日本的東京應化、JSR 集團等光刻膠巨頭企業生產的均為傳統的濕式光刻膠。而在兩年前，美國公司 Lam Research 憑借幹式光刻膠技術 " 攪局 "，成功打破了巨頭們在光刻膠領網域的壟斷，這也讓幹式光刻膠正式走進了人們的視野。同時，幹式光刻膠的概念也得到 ASML、三星、英特爾、台積電等龍頭企業的青睐，紛紛與 Lam Research 針對幹式光刻膠領網域開展合作研究，尋求平衡曝光功率以及機器工作效率的方法。
EUV 光刻周邊設備，不容小觑
雖然在 EUV 相關設備市場中，ASML 壟斷了核心光刻機，但在 EUV 光刻周邊設備中，日本廠商有着不容小觑的市占率，尤其在檢測、感光材料塗覆、成像等相關設備方面，日本企業的實力不容忽視。
掩膜在制造和使用過程中難免會出現污染物玷污、圖形異常等缺陷，需要進行檢測和修復，是提升產品的良率和節省成本的關鍵。在這個領網域，日本的 Lasertec 是全球領先的測試機制造商，是首家實現用 EUV 光源檢測 EUV 掩膜的企業。
Lasertec 之所以能夠取得如此大的突破，最重要的原因是押對 EUV 光刻這個方向。
據了解，芯片工藝在推向 7nm 及以下的時候，工業界抽成兩撥，一波是繼續改進 DUV 技術，另一波則是選擇走向 EUV 光刻。DUV 技術之所以困難重重，就是因為當工藝節點推進到 7nm 時采用該技術需要四重曝光，對多層對齊是極大的挑戰。
同樣，多重曝光意味着需要多次更換掩膜，這在經濟上也增加了成本。因此，繼續使用 DUV 技術将面臨更多挑戰。而 EUV 光刻系統能夠通過單次曝光，完美解決上述問題。
但是，由于 EUV 的波長只有 13.5nm，這給 EUV 掩膜檢測造成了極大挑戰。過去 EUV 掩膜都是通過 193nm 的深紫外光系統來檢測，但這個系統沒有辦法分辨 EUV 掩膜圖案，導致只能粗略判斷掩膜板上是否有缺陷，無法檢測 EUV 掩膜是否存在多層膜相位型缺陷，迫切需要更高分辨率的掩膜檢測手段。
對此，日本 Lasertec 于 2018 年成功開發了光化圖形掩膜檢測系統 ACTIS A150，加速 EUV 光刻走向成熟化和經濟化，這也加速了半導體界開始全面倒向 EUV 技術。2019 年，Lasertec 又推出了對已印有晶圓設計的模板進行檢測的設備，成為了這一領網域的壟斷者。
日本在光刻機周邊設備領網域的龍頭并非只有一個 Lasertec， 另一個占據極高市場份額的是東京電子的 EUV 塗覆顯影設備，該設備用于将特殊的化學液體塗在硅片上作為半導體材料進行顯影。1993 年，東京電子開始銷售 FPD 生產設備塗布機 / 顯影機，2000 年交付了 1000 台塗布機 / 顯影機 "CLEAN TRACK ACT 8"。
光刻機領網域，念念不忘
雖然曾經的光刻機巨頭在 EUV 領網域已經被 ASML 抛離，但日本在光刻機方面仍在不斷努力。
佳能研發了納米壓印技術（NIL），無需 EUV 就能制造 5 納米芯片。
紫外納米壓印光刻與光學光刻流程對比
不僅如此，據佳能最新消息表示，還在将該掩膜技術進一步改進，未來納米壓印光刻有望實現最小線寬為 10 納米的電路圖案，相當于最先進邏輯半導體技術所需要的 2 納米節點。
筆者此前在《納米壓印，終于走向台前？》文章中對該技術做過詳細解讀，在此不過多贅述。
另一邊，尼康 12 月 10 日宣布将于 2024 年 1 月正式推出 ArF 193 納米浸沒式光刻機 "NSR-S636E"。對比當前型号，該設備整體生產效率可提高 10-15%，創下尼康光刻設備的新高，每小時可生產 280 片晶圓，停機時間也更短。
據悉，在不犧牲生產效率的前提下，新光刻機可在需要高重疊精度的半導體制造中提供更高的性能。新光刻機的光源技術是 20 世紀 90 年代就已經成熟的 "i-line"，再加上相關零件、技術的成熟化，價格将比競品便宜 20-30% 左右。
不過，目前尚不清楚尼康這款光刻機能制造多少納米的芯片。
寫在最後
日本之所以在包括 EUV 光刻膠、掩膜等半導體材料，以及 EUV 周邊設備領網域具備強大實力，有幾個關鍵原因：
半導體產業的長期發展：上世紀 80 年代，日本的半導體產業非常發達，但随後受到美國的制裁和打壓。為了保持半導體產業的競争力，日本企業轉向半導體材料的研發和生產，并投入大量資源。依托于日本原本雄厚的半導體基礎，日本迅速崛起為全球半導體材料領網域的領軍國家。
基礎研究實力和經驗積累：半導體材料的制造工藝復雜多樣，需要扎實的基礎研究和豐富的經驗積累。日本企業一直以來注重基礎研究，擁有優秀的科學家和工程師團隊，致力于材料制備和性能優化的研究。此外，日本企業以 " 匠人精神 " 自居，精益求精，強調制造的精準和質量，這也是日本半導體材料實力強大的一個重要原因。
長期穩定的合作關系：半導體企業在選擇解決方案和供應商時非常謹慎，不輕易更換合作夥伴。日本半導體企業經過多年的努力和優秀表現，與其他企業建立了長期穩定的合作關系，形成了高度綁定的合作模式。這使得其他廠商想要進入這個市場變得非常困難。
整體來看，日本在半導體材料領網域地位突出，得益于日本企業多年來在材料研發和制造方面的努力，以及長期穩定的合作關系。無論是在光刻膠、掩膜材料、化學機械抛光材料還是其他關鍵材料和設備方面，日本企業都展現出了強大的實力和優勢。
但當前科技競争日趨激烈，其他國家和地區都在不斷加大研發投入，并逐步取得了在某些特定領網域的突破。對此，日本企業尚不能 " 高枕無憂 "，仍需要繼續保持創新能力，加強國際合作，以應對來自全球的競争挑戰。
