美國的技(ji)術難道(dao)比ASML更加(jia)先(xian)進(jin)了么(me)？此前美方是向荷蘭施(shi)壓(ya)，現在(zai)是把主動權(quan)進(jin)一步掌握(wo)在(zai)自己手里(li)了么(me)？Zyvex Labs真(zhen)的繞過EUV光刻機彎道(dao)突圍了么(me)？本(ben)文將一探(tan)究(jiu)竟。
幾個月前，美國曾向荷蘭施壓，阻撓芯片光(guang)刻機生產商(shang)ASML向中(zhong)國出口(kou)光(guang)刻機——不(bu)只是最(zui)先(xian)進(jin)(jin)的設(she)備，還(huan)包括了上一代(dai)采用DUV技術的光(guang)刻機，其制造能力最(zui)高可以生產7nm制程的芯片(pian)。而可以制造5nm及以下制程芯片(pian)的EUV光(guang)刻機，早在兩(liang)年前(qian)就因為美國的施壓(ya)而無法進(jin)(jin)口(kou)。
現如今，EUV光(guang)刻機(ji)(ji)幾乎已經(jing)成了尖端半導體制(zhi)造技術的(de)代名詞，ASML是全球(qiu)唯一(yi)的(de)供應商。但即使強如ASML，其上一(yi)代產品極限制(zhi)程(cheng)也只能做到2nm，到2024年(nian)或(huo)2025年(nian)交付(fu)的(de)全新一(yi)代High－NA極紫外光(guang)刻機(ji)(ji)才可(ke)能突破2nm以下(xia)的(de)制(zhi)程(cheng)，1nm以下(xia)可(ke)謂難如登天。
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(de)技術難(nan)道比ASML更加先進了(le)么(me)？此前美方是向荷蘭施壓，現在是把主(zhu)動權進一步掌握在自己手里(li)了(le)么(me)？Zyvex Labs真(zhen)的(de)繞過EUV光刻機彎道突圍了(le)么(me)？本(ben)文將一探(tan)究(jiu)竟(jing)。
如何(he)另辟蹊徑(jing)突(tu)破1nm極限？
根據官方(fang)資(zi)料，Zyvex 公司由 Jim Von Ehr 于 1997 年創立，旨在開發和(he)商(shang)業化原(yuan)子(zi)精密制造(zao) (APM) 技(ji)術，以制造(zao)具(ju)有原(yuan)子(zi)精密度的產(chan)(chan)品。如(ru)果開發得當，APM 允許靈(ling)活制造(zao)各(ge)種產(chan)(chan)品，從設計材料到超級計算機(ji)再到先進(jin)的醫(yi)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。電子束光刻機技(ji)術的(de)(de)工(gong)作原理，簡單說(shuo)就是通過非(fei)傳統的(de)(de)氫去鈍(dun)化光刻技(ji)術，在(zai)Si(100) 2×1二(er)聚體列重建表面去除氫原子，從而實現了比傳統的(de)(de)EBL技(ji)術更高(gao)的(de)(de)分辨率(lv)和精(jing)確度。
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(xu)多商業STM所不具備的(de)自動(dong)化特(te)性和(he)功能，包括：能夠實現(xian)無失(shi)真(zhen)成(cheng)像(xiang)(xiang)、自適應電流(liu)反(fan)饋回路、自動(dong)晶格(ge)對準(zhun)、數字矢量光刻、自動(dong)化腳(jiao)本和(he)內置(zhi)計量。以無失(shi)真(zhen)成(cheng)像(xiang)(xiang)為例(li)，Zyvex Labs稱(cheng)ZyvexLitho1系統(tong)擁有(you)(you)專有(you)(you)的(de)蠕變和(he)滯后(hou)位(wei)置(zhi)校正算法，支持無失(shi)真(zhen)成(cheng)像(xiang)(xiang)和(he)原子級精(jing)確的(de)尖端定位(wei)，以實現(xian)前所未有(you)(you)的(de)光刻精(jing)度。
更值(zhi)得一提(ti)的是(shi)(shi)，這款光(guang)刻系統不(bu)只是(shi)(shi)存(cun)在于實驗(yan)室階段，Zyvex Labs表示其已(yi)(yi)經開始(shi)接受Zyvex Litho 1的訂單，交(jiao)付周期約為6個(ge)月(yue)。要知道目前ASML的ArF光(guang)刻機交(jiao)付周期都已(yi)(yi)經長達24個(ge)月(yue)，即使是(shi)(shi)EUV光(guang)刻機也要18個(ge)月(yue)左(zuo)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。
光刻(ke)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(cai)年(nian)最新財(cai)報(bao)稱，公司2021年(nian)凈銷售額(e)為(wei)186億歐元，同比(bi)增(zeng)長35%；凈利潤59億歐元，同比(bi)增(zeng)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(fa)出超過EUV的(de)光(guang)刻(ke)機(ji)，俄羅(luo)斯(si)前(qian)期將投資6.7億盧布（約5400萬元人民幣(bi)），由有著蘇聯(lian)硅谷中心之稱(cheng)、以微電子(zi)專業見長的(de)俄羅(luo)斯(si)莫(mo)斯(si)科電子(zi)技術(shu)學院 （MIET）來負(fu)責。
俄羅(luo)斯計劃選(xuan)(xuan)擇不同于(yu)ASML的(de)極紫光(guang)技(ji)(ji)術的(de)路線，而是基于(yu)X射(she)(she)線的(de)無掩膜(mo)式光(guang)刻(ke)。從光(guang)源(yuan)的(de)選(xuan)(xuan)擇來看，一種(zhong)是極紫外光(guang)線，波(bo)長(chang)在13.5nm，另一種(zhong)為(wei)X射(she)(she)線，波(bo)長(chang)介(jie)于(yu)0.01nm至10nm之間。光(guang)刻(ke)機(ji)的(de)架構(gou)及技(ji)(ji)術很復(fu)雜，但決定光(guang)刻(ke)機(ji)分辨率(lv)的(de)主(zhu)要(yao)因素只有(you)三點，包括(kuo)常數K、光(guang)源(yuan)波(bo)長(chang)和物鏡的(de)數值孔徑。波(bo)長(chang)越短(duan)(duan)，分辨率(lv)就越高。因此(ci)，在光(guang)源(yuan)選(xuan)(xuan)擇上來看，理論上X射(she)(she)線比EUV極紫外光(guang)線更(geng)(geng)短(duan)(duan)，分辨率(lv)也(ye)就更(geng)(geng)高。
從(cong)生(sheng)產的(de)(de)成(cheng)本(ben)和方式來(lai)看(kan)，EUV光(guang)刻(ke)機是(shi)特定(ding)波(bo)長的(de)(de)光(guang)透過用(yong)來(lai)放大(da)的(de)(de)掩膜，再(zai)通(tong)(tong)過透鏡的(de)(de)縮(suo)小，將集(ji)成(cheng)電路(lu)精確的(de)(de)“投影(ying)”在硅片上。而X射線雖然波(bo)長更短但穿透性也更強，用(yong)普通(tong)(tong)透鏡無(wu)法(fa)進行放大(da)和縮(suo)小，因此也就無(wu)法(fa)實現投影(ying)光(guang)刻(ke)，而是(shi)采用(yong)直寫光(guang)刻(ke)的(de)(de)方式。這樣一來(lai)，光(guang)刻(ke)機也就不(bu)需要光(guang)掩膜板，可以節省一大(da)筆成(cheng)本(ben)。
正是因為X射線(xian)光(guang)刻(ke)機(ji)的這(zhe)兩點優勢(shi)，當地媒體甚至宣傳這(zhe)將是全球都(dou)沒有的光(guang)刻(ke)機(ji)，ASML也做不到。
先進(jin)制程爭(zheng)奪戰(zhan)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)當下的半導體先進制程領域中(zhong)，三星、英特爾、臺積(ji)電(dian)可(ke)謂(wei)是三足鼎立，各有千秋(qiu)，焦(jiao)點主要集中(zhong)于2nm節點。
2019年(nian)，臺積電(dian)(dian)(dian)率先開(kai)(kai)始(shi)了(le)2nm制(zhi)程技術(shu)的(de)(de)(de)研發(fa)工(gong)作(zuo)，相應的(de)(de)(de)技術(shu)開(kai)(kai)發(fa)中心和晶圓廠主要設在中國臺灣的(de)(de)(de)新竹(zhu)，同時(shi)還(huan)規(gui)劃了(le)4座超(chao)大型(xing)晶圓廠。同年(nian)，臺積電(dian)(dian)(dian)成(cheng)立了(le)2nm專案(an)研發(fa)團隊，尋找可行路(lu)徑進(jin)行開(kai)(kai)發(fa)。在考量成(cheng)本、設備相容、技術(shu)成(cheng)熟(shu)及效能表現等多項條件后，決(jue)定采(cai)用以GAAFET為(wei)基礎的(de)(de)(de)MBCFET（Multi-Bridge Channel FET）架構，解決(jue)FinFET因制(zhi)程微縮產生電(dian)(dian)(dian)流控制(zhi)漏電(dian)(dian)(dian)的(de)(de)(de)物理極限問題(ti)。2022年(nian)6月16日，臺積電(dian)(dian)(dian)在2022年(nian)度(du)北(bei)美技術(shu)論壇(tan)上，官宣將推出(chu)下一(yi)代先進(jin)制(zhi)程N2，也(ye)就(jiu)是(shi)2nm制(zhi)程，預計2025量產。外(wai)界預測，在ASML高(gao)數值孔徑EUV光刻機的(de)(de)(de)加持下，臺積電(dian)(dian)(dian)有望成(cheng)為(wei)全球第(di)一(yi)家(jia)率先提供2納米(mi)制(zhi)程代工(gong)服(fu)務的(de)(de)(de)晶圓廠。
相(xiang)比臺積(ji)電的(de)(de)制程(cheng)(cheng)工藝(yi)，三(san)星(xing)的(de)(de)制程(cheng)(cheng)似乎從(cong)7nm開始就日漸落后(hou)，尤(you)其是(shi)英偉達以及高通這兩個(ge)大客(ke)戶采用三(san)星(xing)的(de)(de)制程(cheng)(cheng)工藝(yi)之(zhi)后(hou)在(zai)(zai)能(neng)(neng)效比上并不盡(jin)如人意，但這些都沒有讓三(san)星(xing)停下腳步。目前，三(san)星(xing)已經宣布成功量產(chan)3nm制程(cheng)(cheng)工藝(yi)，成為(wei)行業內首個(ge)量產(chan)3nm制程(cheng)(cheng)的(de)(de)廠商，性能(neng)(neng)平均提升20%，功耗也將(jiang)降低35%。據悉在(zai)(zai)3nm制程(cheng)(cheng)之(zhi)后(hou)，三(san)星(xing)將(jiang)迎(ying)來2nm制程(cheng)(cheng)工藝(yi)，預計在(zai)(zai)2025年正式量產(chan)。
再來(lai)看英(ying)特(te)爾(er)(er)，其在(zai)大踏步(bu)進(jin)軍芯(xin)片代工(gong)業(ye)務后(hou)對包括(kuo)2納(na)(na)米在(zai)內的(de)先進(jin)工(gong)藝制程(cheng)進(jin)行(xing)(xing)了(le)大手筆投入(ru)。2021年7月，英(ying)特(te)爾(er)(er)公布(bu)了(le)最新(xin)的(de)技(ji)術(shu)(shu)路線(xian)，還對芯(xin)片制程(cheng)工(gong)藝命名進(jin)行(xing)(xing)了(le)修改(gai)(gai)。比如，英(ying)特(te)爾(er)(er)將10納(na)(na)米工(gong)藝節(jie)點改(gai)(gai)名為Intel 7，7納(na)(na)米技(ji)術(shu)(shu)改(gai)(gai)為Intel 4，5納(na)(na)米技(ji)術(shu)(shu)改(gai)(gai)成Intel 3，2納(na)(na)米技(ji)術(shu)(shu)改(gai)(gai)成Intel20A。值得(de)一提的(de)是，在(zai)2nm節(jie)點時，英(ying)特(te)爾(er)(er)將FinFET工(gong)藝轉為了(le)GAAFET工(gong)藝。
至于更精尖的(de)(de)制程(cheng)(cheng)——按照IMEC（比利時微電子中心）規(gui)劃的(de)(de)發展(zhan)路線圖，預計2028年可(ke)實現1nm工藝量產(chan)。目前，臺(tai)積電的(de)(de) 1nm 制程(cheng)(cheng)仍(reng)處于探索階段(duan)，除此之外，三星(xing)、英特爾(er)和IBM也(ye)在進行1nm制程(cheng)(cheng)工藝的(de)(de)研發。
面對先進制程(cheng)，市場一方面在高調喊出補充28nm制程(cheng)，一方面頭部(bu)企業很誠(cheng)實地給有7nm以下代工(gong)廠下單。未來，主攻先進制程(cheng)和(he)主攻成熟制程(cheng)的(de)代工(gong)廠可(ke)能因(yin)此分流(liu)。
參考資料：
1.《不使用EUV突破1nm極限？美(mei)國推出全新(xin)光刻系統，分辨率0.768nm！》，電子(zi)發燒友(you)
2.《0.768nm！美國Zyvex Labs造出全球最高分(fen)辨率光刻(ke)機：現在下單，6個月即可(ke)交貨！》，芯(xin)智訊
3.《臺積電引進(jin)最先進(jin)EUV光刻機，誰(shui)該著急了？》，中國(guo)電子報
