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        EUV光刻機走到盡頭?

        發布時間: 2022-10-3 9:29

          近日,全球最大的光刻機設備供應商荷蘭阿斯麥(ASML)的首席技術官Martin van den Brink表示,目前ASML正在有序地推行著此前制定的路線圖,之后EUV技術將升級為High-NA EUV技術,準備在明年向客戶交付首臺High-NA EUV光刻機。但對于High-NA技術之后的Hyper-NA,Martin van den Brink對其持懷疑態度,因為技術難度的大幅提升,導致制造和使用成本都高得驚人,且不一定能真正投入生產。受此約束,Martin van den Brink指出:“High-NA技術很可能成為EUV光刻技術的終點,半導體光刻技術之路已走到盡頭!

          新一代High-NA EUV光刻機將于明年交付

          長久以來,EUV光刻機都是先進制程得以延續的必備設備,作為全球第一大光刻機設備商,同時也是全球唯一可提供EUV光刻機的設備商,ASML承接的各大半導體廠商的訂單堆積成山。因此,去年ASML就已經提高了兩次生產目標,希望到2025年,年出貨量能達到約600臺DUV(深紫外光)光刻機以及90臺EUV(極紫外光)光刻機。所以,在市調機構CINNO Research發布的2022年上半年全球上市公司半導體設備業務營收排名Top10報告中,ASML排名第二。

          EUV光刻技術方面,按照ASML此前制定的路線圖,之后EUV技術將升級為High-NA EUV技術。據Martin van den Brink介紹,開發High-NA EUV技術的最大挑戰在于,為EUV光學器件構建計量工具,所配備的反射鏡尺寸為前一代的兩倍,需要將其平整度控制在20皮米以內。此外,還需要在一個“可以容納半個公司”的真空容器內進行驗證,該容器位于蔡司公司,ASML預計將于明年拿到第一個鏡頭。

          相較于配備了0.33數值孔徑透鏡的EUV系統,High-NA EUV光刻系統將提供0.55數值孔徑,精度將更高,可以實現更高分辨率的圖案化,以及更小的晶體管特征。預計明年ASML將向客戶交付首臺High-NA EUV光刻機。交付后,EUV光刻機將不再是最先進的設備,理論上就能夠實現自由出貨。

          臺積電負責研發和技術的高級副總裁Y.J.Mii博士此前透露,臺積電將在2024年購買ASML的High-NA EUV光刻機,目標是在2025年量產2納米制程工藝。

          英特爾同樣也已下單,誰將拿到第一臺High-NA EUV光刻機還是個懸念。

          售價和耗電量將進一步提升

          雖然High-NA EUV光刻機的強大性能可以將先進制程推往下一階段,但其也使成本大幅增長。

          首先就是售價,全新一代High-NA EUV光刻機的售價預計將超過3億美元,是傳統EUV光刻機售價的3倍左右,這意味著臺積電等各大廠商的設備成本將再次提升。

          其次是耗電量,EUV光刻機本就是耗電大戶,而由于High-NA EUV光刻機對于光源的需求大幅提升,耗電量也將從1.5兆瓦提升到2兆瓦。此外,還需要使用水冷銅線為其供電。

          臺積電目前已經安裝了超80臺EUV光刻機,此前就因不堪電費的重負,已經關閉了4臺EUV光刻機。他們還計劃在2023年上調先進工藝的代工價格,以減輕財務負擔。

          這也是Martin van den Brink不看好再下一代EUV光刻技術——Hyper-NA EUV的根本原因,雖然理論上Hyper-NA EUV光刻可以提供0.75左右的數值孔徑,但因其技術難度將大幅提升,導致其制造和使用成本都高得驚人,且不一定能真正投入生產,性價比基本沒有。

          所以受此約束,Martin van den Brink更是大膽預測:“如果成本控制問題解決不了,High-NA技術很可能成為EUV光刻技術的終點,半導體光刻技術之路就將走到盡頭!

          北京半導體行業協會副秘書長朱晶表示,未來更先進的制程工藝很可能沒有大規模的增量市場進行支撐了,如手機、PC和數據中心等市場的增量規模,已經無法支撐Hyper-NA EUV光刻機的巨量研發投入。另外,能源消耗量也無法承擔,除非元宇宙、區塊鏈這些新場景的滲透率快速提升,對先進工藝的需求增量快速增加,不然,High-NA光刻技術就將是EUV光刻的結局了。

          EUV光刻統治地位不保新技術更具潛力

          隨著EUV光刻機所暴露的問題越來越多,更多的企業和大學都在想方設法繞道而行,目前已經有多項技術脫穎而出。

          9月21日,美國原子級精密制造工具的納米技術公司Zyvex Labs發布公告,已推出世界上最高分辨率的光刻系統“ZyvexLitho1”,其基于STM掃描隧道顯微鏡,使用的是EBL電子束光刻方式,可以制造出0.7納米線寬的芯片,相當于2個硅原子的寬度,是當前制造精度最高的光刻系統。

          據悉,ZyvexLitho1光刻系統的高精度光刻可以用于實驗室階段高端制程工藝的產品研發,是傳統芯片制造所需光刻機的一個應用補充,主要可用于制造對于精度有較高要求的量子計算機的相關芯片,例如高精度的固態量子器件、納米器件及材料,對半導體產業的發展具有巨大的促進作用。目前,Zyvex Labs已經開始接受訂單,據悉,6個月內就可出貨。

          對于這個新型光刻系統是否會威脅到EUV光刻的統治地位,賽迪顧問集成電路產業研究中心一級咨詢專家池憲念表示:“短期內并不會!背貞椖钫J為ZyvexLitho1是一種使用電子束曝光作為光刻方式的設備,與傳統光刻機工作原理會有明顯的差異。它是通過電子束改變光刻膠的溶解度,最后選擇性地去除曝光或未曝光區域。它的優勢在于可以繪制10納米以下分辨率的自定義圖案,屬于無掩模光刻直接寫入的工作方式,精度遠高于目前的傳統光刻機。但是由于這類設備的單個產品光刻的工作時間要在幾小時到十幾小時不等,工作效率方面還需進一步提高,因此不會快速取代EUV光刻機。

          此外,還有多電子束直寫光刻機(MEB)、定向自組裝技術(DSA)以及納米壓印技術(NIL)等技術作為候選。其中,MEB被廣泛應用于掩膜的制造,分辨率可達到2納米,未來將被用于在晶圓上直接刻畫圖形而不借助掩膜版。DSA則利用兩種聚合物材料的定向生長進行加工,對于材料的控制要求高,生長缺陷大,目前還不能真正用于生產,但可兼顧分辨率極高的加工速度需求。

          NIL技術也被視為是最佳替代方案。據了解,NIL技術(納米壓印微影技術)是在一個特殊的“印章”上先刻上納米電路圖案,然后再將電路圖案“壓印”在晶圓上,就像蓋章一樣。由于沒有鏡頭,NIL技術比EUV要省錢得多。根據佳能等廠商發布的消息,NIL的耗電量可壓低至EUV生產方式的10%,設備投資也將降低至40%。

          日本的半導體廠商鎧俠從2017年就開始與佳能等半導體企業合作,研發NIL的量產技術,且已成功掌握15納米量產技術,目前正在進行15納米以下技術研發,預計2025年將達成,精度可達5納米。

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