美國的技術難(nan)道比ASML更(geng)加先(xian)進(jin)了(le)么？此前美方是向荷蘭施(shi)壓，現在(zai)是把主動權進(jin)一(yi)步掌握在(zai)自己手里了(le)么？Zyvex Labs真的繞過(guo)EUV光刻機彎(wan)道突圍了(le)么？本文將一(yi)探(tan)究竟。
幾個月前，美國曾向荷蘭施壓，阻撓芯片光(guang)(guang)(guang)刻(ke)機生產商ASML向中國(guo)出口光(guang)(guang)(guang)刻(ke)機——不只是最(zui)先進的(de)(de)設備，還包括了(le)上一(yi)代采用DUV技術的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)刻(ke)機，其制(zhi)造能(neng)力最(zui)高可(ke)以生產7nm制(zhi)程的(de)(de)芯片(pian)(pian)。而可(ke)以制(zhi)造5nm及(ji)以下制(zhi)程芯片(pian)(pian)的(de)(de)EUV光(guang)(guang)(guang)刻(ke)機，早(zao)在兩年前就(jiu)因為美國(guo)的(de)(de)施壓而無法進口。
現如(ru)今，EUV光(guang)刻機幾乎(hu)已經成了尖(jian)端半導體制(zhi)造(zao)技(ji)術的(de)代(dai)名詞，ASML是全(quan)球唯一的(de)供(gong)應商。但即使強如(ru)ASML，其上一代(dai)產(chan)品極(ji)限制(zhi)程(cheng)也只能(neng)做到2nm，到2024年或2025年交付(fu)的(de)全(quan)新一代(dai)High－NA極(ji)紫外光(guang)刻機才可(ke)能(neng)突(tu)破(po)2nm以下的(de)制(zhi)程(cheng)，1nm以下可(ke)謂難如(ru)登天。
然而，就在近日，一家名為Zyvex Labs的美國公司卻突然宣布推出亞納米分辨率的光刻系統Zyvex Litho 1，分辨率可以達到0.768nm，大約是兩個硅原子的寬度——這相當于不使用EUV光刻機就突破了1nm極限，因此在業內引起廣泛熱議。
美國的技術(shu)難道比ASML更加先(xian)進了么？此前美方是(shi)向(xiang)荷(he)蘭施壓，現在是(shi)把主(zhu)動權進一(yi)步掌握在自己手里了么？Zyvex Labs真的繞(rao)過EUV光刻機彎道突圍了么？本文將一(yi)探究竟。
如何另辟蹊徑突(tu)破1nm極限？
根據官方資料，Zyvex 公司由 Jim Von Ehr 于 1997 年創立，旨(zhi)在開(kai)發和商業(ye)化原(yuan)子精密制造 (APM) 技術，以制造具有原(yuan)子精密度的產品(pin)。如果開(kai)發得(de)當，APM 允許靈活制造各種產品(pin)，從設計材(cai)料到(dao)超級計算(suan)機再到(dao)先進的醫療(liao)設備。
Zyvex推出的光刻系統名為ZyvexLitho1，之所以能實現比EUV光刻機更高的精度，是因為其基于掃描隧道顯微鏡（STM）技術，使用EBL電子束光刻方式制造出了0.7nm線寬的芯片，是當前制造精度最高的光刻系統。電(dian)子(zi)束光刻機(ji)技(ji)術(shu)的工作原理(li)，簡單說(shuo)就是通過非(fei)傳統的氫去鈍化光刻技(ji)術(shu)，在Si(100) 2×1二聚體列(lie)重(zhong)建表面(mian)去除氫原子(zi)，從而(er)實現(xian)了比傳統的EBL技(ji)術(shu)更(geng)高的分辨率和精(jing)確度(du)。
能實現這樣突破性的成果并非一日之功——據悉自 2007 年以來， Zyvex Labs 一直在完善STM技術并改進相關設備。ZyvexLitho1 結合了許多商(shang)業STM所不具備的(de)(de)自動化(hua)特性和功能，包括：能夠實(shi)(shi)現無失(shi)真成像(xiang)(xiang)、自適應電流反饋回路、自動晶(jing)格(ge)對(dui)準(zhun)、數字(zi)矢量光刻、自動化(hua)腳本和內置(zhi)計量。以無失(shi)真成像(xiang)(xiang)為例，Zyvex Labs稱ZyvexLitho1系統擁有專(zhuan)有的(de)(de)蠕(ru)變和滯(zhi)后位(wei)置(zhi)校正算法，支持無失(shi)真成像(xiang)(xiang)和原子級精確的(de)(de)尖端定位(wei)，以實(shi)(shi)現前所未(wei)有的(de)(de)光刻精度(du)。
更值得一提的(de)是(shi)，這款光(guang)刻系統不只是(shi)存在于實驗室階段，Zyvex Labs表示其已(yi)經(jing)開始(shi)接(jie)受Zyvex Litho 1的(de)訂單(dan)，交(jiao)(jiao)付(fu)周(zhou)期約為(wei)6個月(yue)。要知道目前ASML的(de)ArF光(guang)刻機交(jiao)(jiao)付(fu)周(zhou)期都已(yi)經(jing)長達24個月(yue)，即使是(shi)EUV光(guang)刻機也要18個月(yue)左右。
那么，以上種種優點就能說明Zyvex Labs彎道超車EUV光刻機了么？其實不然，這種技術還有一個非常明顯的缺點，那就是產量很低（ZvyvexLitho1光刻時，500nm的位移，需要200秒的時間），無法大規模制造芯片，只適合制作那些小批量的高精度芯片或者器件，Zyvex Labs自己表示該系統會在量子技術中將會發揮最大的作用。從這個角度來看，指望該系統取代EUV光刻機并不現實。
光(guang)刻機龍頭ASML地位頻遭挑戰
Zyvex Litho 1新光刻系統的發布之所以能引起廣泛討論，也是從另一個角度凸顯了芯片屆苦ASML久矣的現狀，畢竟大家都想把核心技術掌握在自己手里，同時光刻機產品的利潤也令人垂涎。此前，ASML發布2021財年最(zui)新財報稱，公司2021年凈(jing)銷售額為186億歐(ou)元(yuan)，同比增長35%；凈(jing)利潤59億歐(ou)元(yuan)，同比增長63.9%。
俄羅斯此前就向最先進的EUV（極紫外）光刻機吹響了突圍的號角。為了研發出(chu)超(chao)過(guo)EUV的(de)光(guang)刻機，俄羅(luo)斯前期將投(tou)資6.7億盧布（約5400萬(wan)元人民(min)幣），由有著(zhu)蘇聯硅(gui)谷(gu)中心(xin)之稱、以微電(dian)子專業見長(chang)的(de)俄羅(luo)斯莫斯科電(dian)子技術學院 （MIET）來負責。
俄羅斯(si)計(ji)劃選擇不同于ASML的(de)(de)極(ji)紫(zi)光(guang)(guang)技術的(de)(de)路線(xian)(xian)，而是基于X射線(xian)(xian)的(de)(de)無掩(yan)膜式光(guang)(guang)刻(ke)(ke)。從光(guang)(guang)源(yuan)的(de)(de)選擇來看，一(yi)種是極(ji)紫(zi)外光(guang)(guang)線(xian)(xian)，波(bo)長在13.5nm，另(ling)一(yi)種為X射線(xian)(xian)，波(bo)長介于0.01nm至10nm之間。光(guang)(guang)刻(ke)(ke)機的(de)(de)架(jia)構及技術很復雜，但決(jue)定光(guang)(guang)刻(ke)(ke)機分(fen)辨(bian)率(lv)的(de)(de)主要因素只有三(san)點，包括常數K、光(guang)(guang)源(yuan)波(bo)長和物(wu)鏡的(de)(de)數值孔徑。波(bo)長越短(duan)，分(fen)辨(bian)率(lv)就(jiu)(jiu)越高。因此，在光(guang)(guang)源(yuan)選擇上(shang)來看，理論上(shang)X射線(xian)(xian)比EUV極(ji)紫(zi)外光(guang)(guang)線(xian)(xian)更(geng)短(duan)，分(fen)辨(bian)率(lv)也(ye)就(jiu)(jiu)更(geng)高。
從生產的(de)成(cheng)(cheng)本和(he)方式來看，EUV光(guang)(guang)刻機是(shi)特定波(bo)(bo)長(chang)的(de)光(guang)(guang)透(tou)(tou)過(guo)用(yong)來放大的(de)掩(yan)膜，再通(tong)過(guo)透(tou)(tou)鏡(jing)的(de)縮小，將集成(cheng)(cheng)電(dian)路精確的(de)“投影”在硅片上。而X射線雖(sui)然波(bo)(bo)長(chang)更短但穿透(tou)(tou)性也更強，用(yong)普通(tong)透(tou)(tou)鏡(jing)無法(fa)進行(xing)放大和(he)縮小，因此也就無法(fa)實現投影光(guang)(guang)刻，而是(shi)采用(yong)直寫光(guang)(guang)刻的(de)方式。這樣一來，光(guang)(guang)刻機也就不需(xu)要光(guang)(guang)掩(yan)膜板，可以節省一大筆成(cheng)(cheng)本。
正(zheng)是(shi)因為X射線光刻機的這兩點優勢，當地媒體甚至宣傳這將(jiang)是(shi)全球都沒(mei)有(you)的光刻機，ASML也做(zuo)不到。
先進制程爭(zheng)奪戰已經打響
對于1nm以下制程的探索也說明了先進制程對于芯片制造商的吸引力——能購置更先進的光刻機，就能生產性能更好的產品，并在市場上占據領先地位。在(zai)當下的半導(dao)體先進制程(cheng)領域中，三(san)星、英特爾、臺積電(dian)可謂是三(san)足鼎立，各有(you)千(qian)秋(qiu)，焦點主要集中于2nm節(jie)點。
2019年，臺(tai)積電(dian)(dian)率(lv)先(xian)開始了2nm制(zhi)程(cheng)技(ji)(ji)術的(de)(de)(de)研發工作，相應(ying)的(de)(de)(de)技(ji)(ji)術開發中心和(he)晶圓(yuan)廠(chang)主要設在中國(guo)臺(tai)灣的(de)(de)(de)新竹，同(tong)(tong)時還(huan)規劃了4座超大(da)型晶圓(yuan)廠(chang)。同(tong)(tong)年，臺(tai)積電(dian)(dian)成(cheng)立了2nm專案研發團隊，尋找可行路徑(jing)進行開發。在考量成(cheng)本(ben)、設備相容、技(ji)(ji)術成(cheng)熟(shu)及效能表(biao)現(xian)等多項條件(jian)后，決定采(cai)用以GAAFET為基礎的(de)(de)(de)MBCFET（Multi-Bridge Channel FET）架構，解決FinFET因制(zhi)程(cheng)微縮產(chan)生電(dian)(dian)流控制(zhi)漏電(dian)(dian)的(de)(de)(de)物理極限(xian)問題(ti)。2022年6月16日，臺(tai)積電(dian)(dian)在2022年度北美技(ji)(ji)術論壇上，官宣將推出下(xia)一代(dai)先(xian)進制(zhi)程(cheng)N2，也就是(shi)2nm制(zhi)程(cheng)，預計2025量產(chan)。外界預測，在ASML高數(shu)值孔徑(jing)EUV光刻機的(de)(de)(de)加持下(xia)，臺(tai)積電(dian)(dian)有望成(cheng)為全球第一家率(lv)先(xian)提供2納米制(zhi)程(cheng)代(dai)工服務的(de)(de)(de)晶圓(yuan)廠(chang)。
相比臺積電的制程(cheng)(cheng)工(gong)藝(yi)，三星(xing)(xing)的制程(cheng)(cheng)似乎從7nm開始就日漸落后，尤其是英(ying)偉達以(yi)及高通這(zhe)兩個大客戶采(cai)用(yong)三星(xing)(xing)的制程(cheng)(cheng)工(gong)藝(yi)之(zhi)后在(zai)能(neng)效比上并不盡(jin)如人意，但(dan)這(zhe)些都沒(mei)有讓(rang)三星(xing)(xing)停下(xia)腳步。目前，三星(xing)(xing)已(yi)經(jing)宣布成功(gong)量產3nm制程(cheng)(cheng)工(gong)藝(yi)，成為行業內首個量產3nm制程(cheng)(cheng)的廠商，性能(neng)平均(jun)提(ti)升20%，功(gong)耗也將降低35%。據悉在(zai)3nm制程(cheng)(cheng)之(zhi)后，三星(xing)(xing)將迎來2nm制程(cheng)(cheng)工(gong)藝(yi)，預計在(zai)2025年正式量產。
再來看英(ying)特爾(er)，其在(zai)大(da)踏步進軍芯片代工(gong)(gong)業務(wu)后對包括(kuo)2納(na)米(mi)在(zai)內的(de)先進工(gong)(gong)藝(yi)制(zhi)程進行了(le)大(da)手筆投入(ru)。2021年7月，英(ying)特爾(er)公(gong)布了(le)最新的(de)技術(shu)路(lu)線，還對芯片制(zhi)程工(gong)(gong)藝(yi)命名進行了(le)修改(gai)。比如(ru)，英(ying)特爾(er)將(jiang)10納(na)米(mi)工(gong)(gong)藝(yi)節點(dian)改(gai)名為(wei)Intel 7，7納(na)米(mi)技術(shu)改(gai)為(wei)Intel 4，5納(na)米(mi)技術(shu)改(gai)成Intel 3，2納(na)米(mi)技術(shu)改(gai)成Intel20A。值得(de)一提(ti)的(de)是，在(zai)2nm節點(dian)時，英(ying)特爾(er)將(jiang)FinFET工(gong)(gong)藝(yi)轉為(wei)了(le)GAAFET工(gong)(gong)藝(yi)。
至(zhi)于更精尖的制程——按照IMEC（比利時微電子中心）規(gui)劃的發展路線圖，預計(ji)2028年(nian)可實現1nm工藝量產。目(mu)前，臺積電的 1nm 制程仍(reng)處(chu)于探索階段，除此之外，三星、英特爾和IBM也(ye)在(zai)進行1nm制程工藝的研(yan)發。
面(mian)對先進制(zhi)程，市場一(yi)方面(mian)在高調喊出補(bu)充(chong)28nm制(zhi)程，一(yi)方面(mian)頭部企業很(hen)誠實(shi)地給有7nm以下(xia)代工(gong)廠(chang)下(xia)單。未來，主攻先進制(zhi)程和主攻成熟制(zhi)程的代工(gong)廠(chang)可能(neng)因此(ci)分流。
參考資料：
1.《不使用EUV突破(po)1nm極限(xian)？美(mei)國(guo)推出全(quan)新光刻(ke)系(xi)統，分辨率0.768nm！》，電子發(fa)燒友
2.《0.768nm！美國(guo)Zyvex Labs造(zao)出全球最高分辨率光刻機(ji)：現在下單，6個月即可交(jiao)貨！》，芯智訊
3.《臺積(ji)電引進(jin)最先進(jin)EUV光刻機，誰該著急(ji)了？》，中(zhong)國電子報
