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近日，美國(guó)原子級(jí)精密制造工具的納米技術(shù)公司Zyvex Labs發(fā)布公告稱，公司采用電子束光刻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了0.7nm芯片的制造。消息一出便引發(fā)廣泛關(guān)注。作為先進(jìn)制程芯片“命脈”的EUV光刻機(jī)如今“一機(jī)難求”。IC Knowledge數(shù)據(jù)顯示，2022—2024年先進(jìn)制程市場(chǎng)對(duì)于EUV光刻工具的需求量會(huì)持續(xù)增多，但ASML的產(chǎn)能嚴(yán)重不足，預(yù)計(jì)2022年、2023年、2024年的設(shè)備缺口分別為18、12、20臺(tái)。至少未來3年內(nèi)，先進(jìn)制程芯片都將受制于EUV光刻機(jī)產(chǎn)能不足的影響。
除了積極跟蹤EUV光刻機(jī)的開發(fā)進(jìn)程，芯片廠商也在尋找能夠替代EUV光刻機(jī)的技術(shù)。被寄予厚望的不僅僅是電子束光刻技術(shù)。鎧俠力推NIL壓印工藝，聲稱有望在2025年實(shí)現(xiàn)5nm工藝；臺(tái)積電采用DUV光刻技術(shù)同樣實(shí)現(xiàn)了7nm工藝，并聲稱DUV光刻技術(shù)可以也可以實(shí)現(xiàn)5nm工藝。
電子束取代EUV光刻機(jī)？太慢了！
與光刻機(jī)采用光源不同，電子束光刻采用電子源。四川大學(xué)教授張蓉竹向《中國(guó)電子報(bào)》記者介紹，電子束光刻也稱為電子束直寫，是利用電子束轟擊電子抗蝕劑，被電子輻照過的抗蝕劑發(fā)生分子鏈重組，從而留下相應(yīng)痕跡。利用電磁場(chǎng)可以控制電子束的運(yùn)動(dòng)方向，進(jìn)而改變電子束在抗蝕劑上寫入的軌跡，這樣就能夠在基底上得到需要的圖案信息。
EUV光刻機(jī)產(chǎn)能不足，很大一部分原因是由于光學(xué)鏡頭的供貨不足。蔡司公司是EUV光刻鏡頭的唯一供應(yīng)商，且短時(shí)間內(nèi)難以有新的企業(yè)在EUV光刻鏡頭領(lǐng)域打破蔡司的壟斷，而僅憑蔡司公司一家企業(yè)，難以滿足如今龐大的市場(chǎng)需求。由于電子束光刻采用電子源發(fā)出電子束而并非光源，因此電子束光刻技術(shù)可以有效擺脫光刻機(jī)對(duì)光學(xué)鏡頭的依賴，這也成為了電子束備受關(guān)注的最主要原因之一。
此外，業(yè)內(nèi)專家莫大康向《中國(guó)電子報(bào)》記者介紹，電子束具有波長(zhǎng)短的優(yōu)勢(shì)，波長(zhǎng)越短，越可以雕刻出更精細(xì)的電路，芯片工藝的納米數(shù)也可以做到更小。據(jù)了解，EUV光刻機(jī)的波長(zhǎng)為13.5nm，而100KeV電子束的波長(zhǎng)只有0.004nm，波長(zhǎng)短使其在分辨率方面與EUV相比有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，也使得電子束能夠?qū)崿F(xiàn)EUV光刻都實(shí)現(xiàn)不了的先進(jìn)制程技術(shù)。
美國(guó)公司Zyvex使用電子束光刻技術(shù)制造了0.7nm的芯片
盡管電子束光刻被寄予厚望，但短期內(nèi)仍難以實(shí)現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn)。事實(shí)上早在2000年，美國(guó)應(yīng)用材料公司收購(gòu)了一家專門做電子束的公司ETEC System，專攻電子束光刻技術(shù)，但時(shí)至今日，仍舊未能實(shí)現(xiàn)采用電子束技術(shù)大規(guī)模生產(chǎn)先進(jìn)制程芯片。莫大康介紹，目前電子束光刻最大的卡點(diǎn)在于電子束的曝光速度太慢，曝光一個(gè)硅片需要10分鐘，而EUV曝光速度可達(dá)到每分鐘超過2片硅片。因此采用電子束光刻的技術(shù)目前僅限于實(shí)驗(yàn)室研究，或者制造礦機(jī)芯片等出小規(guī)模出貨量的芯片。但這并不意味著電子束技術(shù)短期內(nèi)無法在先進(jìn)制程領(lǐng)域得到大規(guī)模運(yùn)用，由于波長(zhǎng)短，電子束在線寬測(cè)量方面具有天然優(yōu)勢(shì)，因此采用電子束技術(shù)進(jìn)行線寬測(cè)量可減少誤差。
NIL壓印想實(shí)現(xiàn)零偏差？太難了！
除了電子束以外，NIL壓印也被視為替代EUV光刻實(shí)現(xiàn)7nm以下制程的關(guān)鍵技術(shù)。
NIL壓印工藝，是先在模具上刻上納米電路圖案，再將電路圖案像蓋章一樣“壓印”在晶圓上。同時(shí)，由于NIL采用的是機(jī)械復(fù)制，可以排除光學(xué)衍射的影響，理論上可以實(shí)現(xiàn)比光刻更高的分辨率，且成本比EUV要低很多。此外，NIL壓印技術(shù)同樣不需要用到EUV光刻機(jī)那樣先進(jìn)的鏡頭。諸多優(yōu)點(diǎn)使得NIL壓印工藝近年來同樣廣受關(guān)注。張蓉竹向《中國(guó)電子報(bào)》記者介紹，NIL是一種相對(duì)經(jīng)濟(jì)的微結(jié)構(gòu)制備方案，在結(jié)構(gòu)難度相對(duì)較大、生產(chǎn)周期較短的微結(jié)構(gòu)器件制備上優(yōu)勢(shì)明顯。
EUV光刻和NIL壓印技術(shù)對(duì)比
數(shù)據(jù)來源：DIGITIMES
據(jù)了解，日本鎧俠從2017年就開始與佳能等企業(yè)合作開發(fā)NIL壓印技術(shù)。目前，鎧俠已經(jīng)將NIL技術(shù)應(yīng)用到了15nm NAND閃存器上，并有望在2025年推出采用NIL技術(shù)的5nm芯片。鎧俠表示，NIL設(shè)備相比EUV可以降低90%的能耗，同時(shí)轉(zhuǎn)化率更好，而且NIL設(shè)備的成本更低，研發(fā)成本比EUV降低了60%。
然而，模具加工和材料也同樣阻礙著NIL壓印技術(shù)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。張蓉竹表示，NIL壓印技術(shù)的核心在于印壓模具，要得到EUV光刻量級(jí)的加工精度，模具本身的結(jié)構(gòu)尺寸也會(huì)更小，若想在此條件下實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量模具的加工，難度系數(shù)同樣很高。此外，由于NIL印壓所使用的是機(jī)械接觸式的成型方案，光刻膠與模具之間接觸及脫離過程稍有偏差，都會(huì)影響到整體的微觀結(jié)構(gòu)質(zhì)量，這對(duì)光刻膠材料的要求非常之高。但在10nm以下復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制備中，若想實(shí)現(xiàn)零偏差，也非常之難。
讓DUV替代EUV實(shí)現(xiàn)7nm以下工序？太貴了！
此前，臺(tái)積電采用DUV光刻機(jī)量產(chǎn)了第一代7nm芯片，同時(shí)還表示用DUV光刻機(jī)也能夠量產(chǎn)5nm芯片。這也讓人們意識(shí)到，雖然DUV光刻技術(shù)的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，但通過DUV光刻技術(shù)實(shí)現(xiàn)7nm以下工藝或許也并非不可能。
張蓉竹表示，由于DUV的光子能量相對(duì)較小，因此從材料選擇、鏡面加工、光路設(shè)計(jì)上要相比EUV容易一些。在7nm以下制程，采用多層曝光技術(shù)也可達(dá)成。因此，DUV光刻技術(shù)在先進(jìn)制程領(lǐng)域同樣備受關(guān)注。
然而，若想用DUV技術(shù)實(shí)現(xiàn)7nm以下制程也并非易事。莫大康表示，雖然如今眾多廠商的多層曝光技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，但在增加了制造工序之后，芯片的成本也會(huì)隨之增加，這也使得采用DUV技術(shù)打造的先進(jìn)制程芯片，與EUV技術(shù)生產(chǎn)的芯片相比喪失價(jià)格優(yōu)勢(shì)。這也是為何臺(tái)積電在如今7nm以及5nm的先進(jìn)制程芯片中，均采用EUV光刻而并非DUV光刻。
新技術(shù)的出現(xiàn)，讓苦于光刻機(jī)“一機(jī)難求”的人們，看到了些許曙光。但若想實(shí)現(xiàn)對(duì)EUV光刻機(jī)的替代，還需時(shí)日。“總體而言，每一種方案都有自身的優(yōu)勢(shì)，但是系統(tǒng)來看，也只是將困難從一個(gè)方面轉(zhuǎn)移到了另一個(gè)方面而已。某項(xiàng)技術(shù)若想取代EUV，難度并不小于研制一個(gè)極紫外光刻系統(tǒng)。因此，讓多個(gè)不同的方案進(jìn)行相互配合，而并非相互取代，讓不同工序選用不同的制備方案，也許是實(shí)現(xiàn)先進(jìn)制程芯片大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的最好選擇。”張蓉竹向《中國(guó)電子報(bào)》記者說。
作者丨沈叢
編輯丨趙晨
美編丨馬利亞
監(jiān)制丨連曉東
