美國的技術(shù)難道比ASML更加先進(jìn)了么？此前美方是向荷蘭施壓，現(xiàn)在是把主動(dòng)權(quán)進(jìn)一步掌握在自己手里了么？Zyvex Labs真的繞過EUV光刻機(jī)彎道突圍了么？本文將一探究竟。
幾個(gè)月前，美國曾向荷蘭施壓，阻撓芯片光刻機(jī)生產(chǎn)商ASML向中國出口光刻機(jī)——不只是最先進(jìn)的設(shè)備，還包括了上一代采用DUV技術(shù)的光刻機(jī)，其制造能力最高可以生產(chǎn)7nm制程的芯片。而可以制造5nm及以下制程芯片的EUV光刻機(jī)，早在兩年前就因?yàn)槊绹氖憾鵁o法進(jìn)口。
現(xiàn)如今，EUV光刻機(jī)幾乎已經(jīng)成了尖端半導(dǎo)體制造技術(shù)的代名詞，ASML是全球唯一的供應(yīng)商。但即使強(qiáng)如ASML，其上一代產(chǎn)品極限制程也只能做到2nm，到2024年或2025年交付的全新一代High－NA極紫外光刻機(jī)才可能突破2nm以下的制程，1nm以下可謂難如登天。
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(tǒng)Zyvex Litho 1，分辨率可以達(dá)到0.768nm，大約是兩個(gè)硅原子的寬度——這相當(dāng)于不使用EUV光刻機(jī)就突破了1nm極限，因此在業(yè)內(nèi)引起廣泛熱議。
美國的技術(shù)難道比ASML更加先進(jìn)了么？此前美方是向荷蘭施壓，現(xiàn)在是把主動(dòng)權(quán)進(jìn)一步掌握在自己手里了么？Zyvex Labs真的繞過EUV光刻機(jī)彎道突圍了么？本文將一探究竟。
如何另辟蹊徑突破1nm極限？
根據(jù)官方資料，Zyvex 公司由 Jim Von Ehr 于 1997 年創(chuàng)立，旨在開發(fā)和商業(yè)化原子精密制造 (APM) 技術(shù)，以制造具有原子精密度的產(chǎn)品。如果開發(fā)得當(dāng)，APM 允許靈活制造各種產(chǎn)品，從設(shè)計(jì)材料到超級(jí)計(jì)算機(jī)再到先進(jìn)的醫(yī)療設(shè)備。
Zyvex推出的光刻系統(tǒng)名為ZyvexLitho1，之所以能實(shí)現(xiàn)比EUV光刻機(jī)更高的精度，是因?yàn)槠浠趻呙杷淼里@微鏡（STM）技術(shù)，使用EBL電子束光刻方式制造出了0.7nm線寬的芯片，是當(dāng)前制造精度最高的光刻系統(tǒng)。電子束光刻機(jī)技術(shù)的工作原理，簡單說就是通過非傳統(tǒng)的氫去鈍化光刻技術(shù)，在Si(100) 2×1二聚體列重建表面去除氫原子，從而實(shí)現(xiàn)了比傳統(tǒng)的EBL技術(shù)更高的分辨率和精確度。
能實(shí)現(xiàn)這樣突破性的成果并非一日之功——據(jù)悉自 2007 年以來， Zyvex Labs 一直在完善STM技術(shù)并改進(jìn)相關(guān)設(shè)備。ZyvexLitho1 結(jié)合了許多商業(yè)STM所不具備的自動(dòng)化特性和功能，包括：能夠?qū)崿F(xiàn)無失真成像、自適應(yīng)電流反饋回路、自動(dòng)晶格對(duì)準(zhǔn)、數(shù)字矢量光刻、自動(dòng)化腳本和內(nèi)置計(jì)量。以無失真成像為例，Zyvex Labs稱ZyvexLitho1系統(tǒng)擁有專有的蠕變和滯后位置校正算法，支持無失真成像和原子級(jí)精確的尖端定位，以實(shí)現(xiàn)前所未有的光刻精度。
更值得一提的是，這款光刻系統(tǒng)不只是存在于實(shí)驗(yàn)室階段，Zyvex Labs表示其已經(jīng)開始接受Zyvex Litho 1的訂單，交付周期約為6個(gè)月。要知道目前ASML的ArF光刻機(jī)交付周期都已經(jīng)長達(dá)24個(gè)月，即使是EUV光刻機(jī)也要18個(gè)月左右。
那么，以上種種優(yōu)點(diǎn)就能說明Zyvex Labs彎道超車EUV光刻機(jī)了么？其實(shí)不然，這種技術(shù)還有一個(gè)非常明顯的缺點(diǎn)，那就是產(chǎn)量很低（ZvyvexLitho1光刻時(shí)，500nm的位移，需要200秒的時(shí)間），無法大規(guī)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(tǒng)會(huì)在量子技術(shù)中將會(huì)發(fā)揮最大的作用。從這個(gè)角度來看，指望該系統(tǒng)取代EUV光刻機(jī)并不現(xiàn)實(shí)。
光刻機(jī)龍頭ASML地位頻遭挑戰(zhàn)
Zyvex Litho 1新光刻系統(tǒng)的發(fā)布之所以能引起廣泛討論，也是從另一個(gè)角度凸顯了芯片屆苦ASML久矣的現(xiàn)狀，畢竟大家都想把核心技術(shù)掌握在自己手里，同時(shí)光刻機(jī)產(chǎn)品的利潤也令人垂涎。此前，ASML發(fā)布2021財(cái)年最新財(cái)報(bào)稱，公司2021年凈銷售額為186億歐元，同比增長35%；凈利潤59億歐元，同比增長63.9%。
俄羅斯此前就向最先進(jìn)的EUV（極紫外）光刻機(jī)吹響了突圍的號(hào)角。為了研發(fā)出超過EUV的光刻機(jī)，俄羅斯前期將投資6.7億盧布（約5400萬元人民幣），由有著蘇聯(lián)硅谷中心之稱、以微電子專業(yè)見長的俄羅斯莫斯科電子技術(shù)學(xué)院 （MIET）來負(fù)責(zé)。
俄羅斯計(jì)劃選擇不同于ASML的極紫光技術(shù)的路線，而是基于X射線的無掩膜式光刻。從光源的選擇來看，一種是極紫外光線，波長在13.5nm，另一種為X射線，波長介于0.01nm至10nm之間。光刻機(jī)的架構(gòu)及技術(shù)很復(fù)雜，但決定光刻機(jī)分辨率的主要因素只有三點(diǎn)，包括常數(shù)K、光源波長和物鏡的數(shù)值孔徑。波長越短，分辨率就越高。因此，在光源選擇上來看，理論上X射線比EUV極紫外光線更短，分辨率也就更高。
從生產(chǎn)的成本和方式來看，EUV光刻機(jī)是特定波長的光透過用來放大的掩膜，再通過透鏡的縮小，將集成電路精確的“投影”在硅片上。而X射線雖然波長更短但穿透性也更強(qiáng)，用普通透鏡無法進(jìn)行放大和縮小，因此也就無法實(shí)現(xiàn)投影光刻，而是采用直寫光刻的方式。這樣一來，光刻機(jī)也就不需要光掩膜板，可以節(jié)省一大筆成本。
正是因?yàn)閄射線光刻機(jī)的這兩點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，當(dāng)?shù)孛襟w甚至宣傳這將是全球都沒有的光刻機(jī)，ASML也做不到。
先進(jìn)制程爭奪戰(zhàn)已經(jīng)打響
對(duì)于1nm以下制程的探索也說明了先進(jìn)制程對(duì)于芯片制造商的吸引力——能購置更先進(jìn)的光刻機(jī)，就能生產(chǎn)性能更好的產(chǎn)品，并在市場(chǎng)上占據(jù)領(lǐng)先地位。在當(dāng)下的半導(dǎo)體先進(jìn)制程領(lǐng)域中，三星、英特爾、臺(tái)積電可謂是三足鼎立，各有千秋，焦點(diǎn)主要集中于2nm節(jié)點(diǎn)。
2019年，臺(tái)積電率先開始了2nm制程技術(shù)的研發(fā)工作，相應(yīng)的技術(shù)開發(fā)中心和晶圓廠主要設(shè)在中國臺(tái)灣的新竹，同時(shí)還規(guī)劃了4座超大型晶圓廠。同年，臺(tái)積電成立了2nm專案研發(fā)團(tuán)隊(duì)，尋找可行路徑進(jìn)行開發(fā)。在考量成本、設(shè)備相容、技術(shù)成熟及效能表現(xiàn)等多項(xiàng)條件后，決定采用以GAAFET為基礎(chǔ)的MBCFET（Multi-Bridge Channel FET）架構(gòu)，解決FinFET因制程微縮產(chǎn)生電流控制漏電的物理極限問題。2022年6月16日，臺(tái)積電在2022年度北美技術(shù)論壇上，官宣將推出下一代先進(jìn)制程N(yùn)2，也就是2nm制程，預(yù)計(jì)2025量產(chǎn)。外界預(yù)測(cè)，在ASML高數(shù)值孔徑EUV光刻機(jī)的加持下，臺(tái)積電有望成為全球第一家率先提供2納米制程代工服務(wù)的晶圓廠。
相比臺(tái)積電的制程工藝，三星的制程似乎從7nm開始就日漸落后，尤其是英偉達(dá)以及高通這兩個(gè)大客戶采用三星的制程工藝之后在能效比上并不盡如人意，但這些都沒有讓三星停下腳步。目前，三星已經(jīng)宣布成功量產(chǎn)3nm制程工藝，成為行業(yè)內(nèi)首個(gè)量產(chǎn)3nm制程的廠商，性能平均提升20%，功耗也將降低35%。據(jù)悉在3nm制程之后，三星將迎來2nm制程工藝，預(yù)計(jì)在2025年正式量產(chǎn)。
再來看英特爾，其在大踏步進(jìn)軍芯片代工業(yè)務(wù)后對(duì)包括2納米在內(nèi)的先進(jìn)工藝制程進(jìn)行了大手筆投入。2021年7月，英特爾公布了最新的技術(shù)路線，還對(duì)芯片制程工藝命名進(jìn)行了修改。比如，英特爾將10納米工藝節(jié)點(diǎn)改名為Intel 7，7納米技術(shù)改為Intel 4，5納米技術(shù)改成Intel 3，2納米技術(shù)改成Intel20A。值得一提的是，在2nm節(jié)點(diǎn)時(shí)，英特爾將FinFET工藝轉(zhuǎn)為了GAAFET工藝。
至于更精尖的制程——按照IMEC（比利時(shí)微電子中心）規(guī)劃的發(fā)展路線圖，預(yù)計(jì)2028年可實(shí)現(xiàn)1nm工藝量產(chǎn)。目前，臺(tái)積電的 1nm 制程仍處于探索階段，除此之外，三星、英特爾和IBM也在進(jìn)行1nm制程工藝的研發(fā)。
面對(duì)先進(jìn)制程，市場(chǎng)一方面在高調(diào)喊出補(bǔ)充28nm制程，一方面頭部企業(yè)很誠實(shí)地給有7nm以下代工廠下單。未來，主攻先進(jìn)制程和主攻成熟制程的代工廠可能因此分流。
參考資料：
1.《不使用EUV突破1nm極限？美國推出全新光刻系統(tǒng)，分辨率0.768nm！》，電子發(fā)燒友
2.《0.768nm！美國Zyvex Labs造出全球最高分辨率光刻機(jī)：現(xiàn)在下單，6個(gè)月即可交貨！》，芯智訊
3.《臺(tái)積電引進(jìn)最先進(jìn)EUV光刻機(jī)，誰該著急了？》，中國電子報(bào)
