技经观察丨谁能挑战EUV光刻“霸权”

admin 2023年12月10日09:35:15评论29 views字数 3572阅读11分54秒阅读模式

技经观察丨谁能挑战EUV光刻“霸权”

紫外光(EUV)光刻技术是目前最先进的光刻技术,它可用于制造制程小于7nm的芯片,但也面临着技术难、成本高、产能低、良品率低等挑战。因此,许多研究机构和企业都在探索其他的先进制程技术,诸如纳米压印、电子束光刻等,在精度、成本与效率等方面赶超EUV光刻技术,挑战荷兰ASML公司在超精细制程芯片制造设备方面一家独大的地位。不论是EUV光刻还是替代技术,在进一步深入发展时,仍面临很大的困难和挑战。

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一、EUV光刻接近物理极限,面临巨大挑战

英特尔公司联合创始人戈登·摩尔(Gordon Moore)曾提出摩尔定律,指出“当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件数量每18个月便会增加一倍,性能也提升一倍”。其本质目标是在单位面积的芯片上容纳更多的晶体管,以实现更强大的运算性能。

随着半导体芯片制程的不断微缩面临巨大挑战,极紫外光(EUV)光刻技术应运而生。这种技术利用极紫外光源进行微影,可以实现比传统光刻更高分辨率的图形,从而使得芯片上的器件可以更为紧凑地排列。这为制程微缩提供了更强大、更精细的工具,促进了芯片制造领域的技术进步。早在20世纪80年代,日本研究人员就开始研究EUV,但直到2010年,荷兰ASML公司才推出第一代EUV光刻机NXE 3100,到2015年制造出可量产机型。

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ASML NXE 3100光刻机 图源:ASML

然而,尽管EUV光刻技术的出现为芯片微缩带来了新的可能性,但也伴随着一系列挑战。一是成本高昂。极端紫外光源和复杂的光学系统使得EUV光刻设备的采购和维护成本相对较高,限制了其在产业界的广泛应用。面向2nm制造的高数值孔径EUV光刻机的售价可达4亿美元,而每天消耗的电力超过3万千瓦时。二是EUV光刻工艺相对传统技术更为复杂。这包括对光学系统的高度精密调校和极紫外光的生成与控制。EUV工件台需要在超过5米/秒的高速、7G的高加速度下实现亚纳米级的精度。这种复杂性增加了技术实施的难度,可能影响加工器件的一致性和可靠性。因而,每一代EUV光刻在初期都面临着良品率较低、导入周期较长的问题,也导致了摩尔定律的放缓。

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EUV光刻原理图 图源:Lasertec

ASML公司联席总裁范登布林克(Martin van den Blink)在2022年接受采访时曾暗示,即将出货的高数值孔径(High NA,NA=0.55)EUV光刻机Twinscan EXE:5200可能是ASML最后一代产品。虽然业界已经开始讨论超数值孔径(Hyper-NA,NA>0.7)光刻机,但范登布林克认为这种光刻机的成本将是难以承受的。因为波长再降低,反射角调整会导致巨大的光损失;光路上的反射镜如果继续增大,会导致光刻机体积庞大,难以生产和运输。受到物理条件的限制,EUV光刻机若想继续进步,进一步面临着研发难度、制造难度和成本的巨大挑战。

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二、EUV光刻技术的潜在替代者

半导体行业对更高分辨率光刻机的需求正不断增长。而现有运用最广泛的EUV光刻机面临成本较高、工艺复杂、供应链封闭等问题,使得先进芯片制造成本居高不下。为此,寻找EUV光刻技术的替代方案成为了研究的热点之一。目前,研究人员提出了一些潜在的替代方案。

1.纳米压印(NIL):这种技术将印有电路图案的掩模压印在晶圆表面的抗蚀剂上,通过类似于印章的形式制造集成电路,将掩模上的精细电路图案转移到晶圆上,可在单个压印件中形成复杂的二维或三维电路图案。由于不依赖EUV光源,这种制造技术的成本更低。2023年10月,日本佳能公司宣布推出纳米压印芯片制造设备,目前可实现最小线宽为14nm的图案化,约等于5nm工艺节点;未来有望实现最小线宽为10nm的电路图案,相当于2nm工艺节点。目前,日本铠侠公司已经将NIL技术应用到了15nm NAND闪存器上,并有望在2025年推出采用NIL技术的5nm芯片。

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佳能纳米压印机 图源:Canon

2.定向自组装(DSA):这是一种利用材料自身的分子排列规律,诱导光刻材料在硅片上自发组成需要的图案的方法,它比传统光刻分辨率更高,加工速度也不受影响,但它对材料控制的要求特别高。比利时微电子研究中心、麻省理工学院等机构都建立了自组装产线,研究它的具体工艺。基于DSA技术,麻省理工学院华裔研究人员朱家迪提出一种金属二硫化物晶体管自生长技术,可将二维半导体晶体管尺寸缩小到目前的千分之一大小,且功耗也只有目前的千分之一。

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朱家迪在CMOS晶圆上实现二硫化钼薄膜自生长

图源:MIT News

3.电子束光刻(EBL):这是一种利用高能电子束来替代光源,直接在硅片上雕刻图案的方法,它的分辨率相比于EUV光刻更高,但制造速度很慢,只能逐步刻画,不适合大规模量产。目前它主要用在量子计算芯片、超表面芯片等高精度小批量芯片中。2022年9月,美国Zyvex Labs公司推出新款电子束光刻机ZyvexLitho1,实现了0.768nm的光刻制造。Zyvex还接受电子束光刻机的订单,称仅需6个月就可以交付。

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电子束光刻原理图 图源:SpringerLink

4.X射线光刻:X射线的波长很短,所以几乎没有衍射效应,早在二十世纪八十年代就进入了光刻技术研发的视野内。九十年代,IBM在美国佛蒙特州建了一条采用同步辐射光源的X射线光刻机为主力的高频芯片生产线,美国军方为主要客户。而当年X射线光刻技术,是当时的下一代光刻技术的强有力竞争者。随着准分子激光和氟化镓(GaF)透镜技术的成熟,深紫外光(DUV)光刻技术得以发展,在分辨率和经济性上优于X射线光刻。俄罗斯近年重新提出使用X射线进行无掩膜的直接光刻,制造7nm的芯片,目标在2028年实现大规模量产。

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X射线光刻原理图

图源:《Advances in Micro/Nano Electromechanical Systems and Fabrication Technologies》

这些替代方案旨在提供与EUV相当或更好的分辨率,降低成本,并提供类似的制造效率和质量。为了解决这些问题,替代方案需要解决技术成熟度、生产吞吐量、环境可持续性和能源效率等方面的挑战。通过进一步的研究和改进,这些替代方案有望在未来的半导体制造中发挥积极的作用。

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三、未来展望

(一)EUV光刻尚未达到发展极限

当前,面向2nm、1nm级芯片制造的竞争依然激烈。三星和台积电等公司已在2022年启动了3nm芯片的生产,目前正推动2nm技术的研究工作。根据比利时微电子研究中心(Imec)发布的路线图,1nm制造技术有望在2030年推出。面向2nm和1nm芯片的制造,仍需依赖于EUV光刻制造工艺。这意味着EUV光刻仍将在一段时间内延续强劲发展势头。

台积电、三星、英特尔和Rapidus等公司都提出在2025年前后推出2nm芯片。

台积电公司表示,预计将于2025年量产2nm制程工艺,在相同功耗下,速度较3nm制程工艺快15%;在相同速度下,功耗最多可降低30%,晶体管密度提高15%。同时,台积电3nm制程技术团队已经开始研发1.4nm制程工艺。

三星公司计划从2025年开始量产2nm制程芯片,较3nm制程芯片性能提高12%、功效提高25%、面积减小5%。三星1.4nm制程芯片将于2027年投产。

英特尔公司预计将是ASML高数值孔径EUV光刻机的首家用户,将使用这种先进技术于2024年量产Intel 20A(2nm级)和Intel 18A(1.8nm级)工艺。根据其公布的工艺路线图,将在2025年、最早2024年推出18A工艺。

作为后发新秀,日本Rapidus公司与美国IBM公司合作开发2nm芯片,计划在2025年试产、2027年量产。Rapidus还与东京大学及法国半导体研究机构Leti合作开发1nm级的芯片。

当芯片制程突破1nm后,面临制造成本高昂和物理极限的限制,具体解决方案还有待深入探索。

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图源:Thomasnet

(二)替代技术的进步具有十足驱动力,将快速迭代进步

EUV光刻替代技术的不断进步正推动半导体领域的快速进步。受到成本与效率的双重考量,以及近期半导体供应链安全问题的迫切压力,各国有十足动力开发EUV光刻的替代方案。国际电气电子工程师学会(IEEE)发布的国际器件与系统路线图(IRDS)明确将定向自组装(DSA)和纳米压印(NIL)列为下一代光刻技术的主要候选方案,与EUV光刻齐头并进。

尽管这些替代技术均呈现出巨大的潜力,但它们仍需深入的研究和改进,以解决技术成熟度和商业化方面的挑战。这一过程将为半导体产业提供新的发展机遇,推动技术的不断演进与升级。

作者简介

唐乾琛 国务院发展研究中心国际技术经济研究所研究二室

研究方向:信息领域战略、技术和产业前沿

联系方式:[email protected]

原文始发于微信公众号(全球技术地图):技经观察丨谁能挑战EUV光刻“霸权”

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