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        替代EUV光刻機,有戲嗎?
        來源:中國電子報、電子信息產(chǎn)業(yè)網(wǎng) | 作者:沈叢 | 發(fā)布時間: 2022-10-06 | 1152 次瀏覽 | 分享到:

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        近日,美國原子級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光刻機如今“一機難求”。IC Knowledge數(shù)據(jù)顯示,2022—2024年先進(jìn)制程市場對于EUV光刻工具的需求量會持續(xù)增多,但ASML的產(chǎn)能嚴(yán)重不足,預(yù)計2022年、2023年、2024年的設(shè)備缺口分別為18、12、20臺。至少未來3年內(nèi),先進(jìn)制程芯片都將受制于EUV光刻機產(chǎn)能不足的影響。

        除了積極跟蹤EUV光刻機的開發(fā)進(jìn)程,芯片廠商也在尋找能夠替代EUV光刻機的技術(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年實現(xiàn)5nm工藝;臺積電采用DUV光刻技術(shù)同樣實現(xiàn)了7nm工藝,并聲稱DUV光刻技術(shù)可以也可以實現(xiàn)5nm工藝。

        電子束取代EUV光刻機?太慢了!

        與光刻機采用光源不同,電子束光刻采用電子源。四川大學(xué)教授張蓉竹向《中國電子報》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。利用電磁場可以控制電子束的運動方向,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對光學(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《中國電子報》記者介紹,電子束具有波長短的優(yōu)勢,波長越短,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光刻機的波長為13.5nm,而100KeV電子束的波長只有0.004nm,波長短使其在分辨率方面與EUV相比有絕對的優(yōu)勢,也使得電子束能夠?qū)崿F(xiàn)EUV光刻都實現(xiàn)不了的先進(jìn)制程技術(shù)。


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        美國公司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)仍難以實現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn)。事實上早在2000年,美國應(yīng)用材料公司收購了一家專門做電子束的公司ETEC System,專攻電子束光刻技術(shù),但時至今日,仍舊未能實現(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在于電子束的曝光速度太慢,曝光一個硅片需要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)目前僅限于實驗室研究,或者制造礦機芯片等出小規(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)模運用,由于波長短,電子束在線寬測量方面具有天然優(yōu)勢,因此采用電子束技術(shù)進(jìn)行線寬測量可減少誤差。

        NIL壓印想實現(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,由于NIL采用的是機械復(fù)制,可以排除光學(xué)衍射的影響,理論上可以實現(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光刻機那樣先進(jìn)的鏡頭。諸多優(yōu)點使得NIL壓印工藝近年來同樣廣受關(guān)注。張蓉竹向《中國電子報》記者介紹,NIL是一種相對經(jīng)濟(jì)的微結(jié)構(gòu)制備方案,在結(jié)構(gòu)難度相對較大、生產(chǎn)周期較短的微結(jié)構(gòu)器件制備上優(yōu)勢明顯。



        EUV光刻和NIL壓印技術(shù)對比

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        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光刻量級的加工精度,模具本身的結(jié)構(gòu)尺寸也會更小,若想在此條件下實現(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,都會影響到整體的微觀結(jié)構(gòu)質(zhì)量,這對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,若想實現(xiàn)零偏差,也非常之難。

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        ASML光刻機

        讓DUV替代EUV實現(xiàn)7nm以下工序?太貴了!

        此前,臺積電采用DUV光刻機量產(chǎn)了第一代7nm芯片,同時還表示用DUV光刻機也能夠量產(chǎn)5nm芯片。這也讓人們意識到,雖然DUV光刻技術(shù)的波長較長,但通過DUV光刻技術(shù)實現(xiàn)7nm以下工藝或許也并非不可能。

        張蓉竹表示,由于DUV的光子能量相對較小,因此從材料選擇、鏡面加工、光路設(shè)計上要相比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)相對成熟,但在增加了制造工序之后,芯片的成本也會隨之增加,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)的芯片相比喪失價格優(yōu)勢。這也是為何臺積電在如今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“一機難求”的人們,看到了些許曙光。但若想實現(xiàn)對EUV光刻機的替代,還需時日?!翱傮w而言,每一種方案都有自身的優(yōu)勢,但是系統(tǒng)來看,也只是將困難從一個方面轉(zhuǎn)移到了另一個方面而已。某項技術(shù)若想取代EUV,難度并不小于研制一個極紫外光刻系統(tǒng)。因此,讓多個不同的方案進(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《中國電子報》記者說。




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