替代EUV光刻机，有戏吗

yufengcy · 发表于 2023-2-20 19:54:30

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近日，美国原子级精密制造工具的纳米技术公司Zyvex Labs发布公告称，公司采用电子束光刻技术，实现了0.7nm芯片的制造。消息一出便引发广泛关注。作为先进制程芯片“命脉”的EUV光刻机如今“一机难求”。IC Knowledge数据显示，2022—2024年先进制程市场对于EUV光刻工具的需求量会持续增多，但ASML的产能严重不足，预计2022年、2023年、2024年的设备缺口分别为18、12、20台。至少未来3年内，先进制程芯片都将受制于EUV光刻机产能不足的影响。
除了积极跟踪EUV光刻机的开发进程，芯片厂商也在寻找能够替代EUV光刻机的技术。被寄予厚望的不仅仅是电子束光刻技术。铠侠力推NIL压印工艺，声称有望在2025年实现5nm工艺；台积电采用DUV光刻技术同样实现了7nm工艺，并声称DUV光刻技术可以也可以实现5nm工艺。
电子束取代EUV光刻机？太慢了！
与光刻机采用光源不同，电子束光刻采用电子源。四川大学教授张蓉竹向《中国电子报》记者介绍，电子束光刻也称为电子束直写，是利用电子束轰击电子抗蚀剂，被电子辐照过的抗蚀剂发生分子链重组，从而留下相应痕迹。利用电磁场可以控制电子束的运动方向，进而改变电子束在抗蚀剂上写入的轨迹，这样就能够在基底上得到需要的图案信息。
EUV光刻机产能不足，很大一部分原因是由于光学镜头的供货不足。蔡司公司是EUV光刻镜头的唯一供应商，且短时间内难以有新的企业在EUV光刻镜头领域打破蔡司的垄断，而仅凭蔡司公司一家企业，难以满足如今庞大的市场需求。由于电子束光刻采用电子源发出电子束而并非光源，因此电子束光刻技术可以有效摆脱光刻机对光学镜头的依赖，这也成为了电子束备受关注的最主要原因之一。
此外，业内专家莫大康向《中国电子报》记者介绍，电子束具有波长短的优势，波长越短，越可以雕刻出更精细的电路，芯片工艺的纳米数也可以做到更小。据了解，EUV光刻机的波长为13.5nm，而100KeV电子束的波长只有0.004nm，波长短使其在分辨率方面与EUV相比有绝对的优势，也使得电子束能够实现EUV光刻都实现不了的先进制程技术。

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美国公司Zyvex使用电子束光刻技术制造了0.7nm的芯片

尽管电子束光刻被寄予厚望，但短期内仍难以实现规模量产。事实上早在2000年，美国应用材料公司收购了一家专门做电子束的公司ETEC System，专攻电子束光刻技术，但时至今日，仍旧未能实现采用电子束技术大规模生产先进制程芯片。莫大康介绍，目前电子束光刻最大的卡点在于电子束的曝光速度太慢，曝光一个硅片需要10分钟，而EUV曝光速度可达到每分钟超过2片硅片。因此采用电子束光刻的技术目前仅限于实验室研究，或者制造矿机芯片等出小规模出货量的芯片。但这并不意味着电子束技术短期内无法在先进制程领域得到大规模运用，由于波长短，电子束在线宽测量方面具有天然优势，因此采用电子束技术进行线宽测量可减少误差。
NIL压印想实现零偏差？太难了！
除了电子束以外，NIL压印也被视为替代EUV光刻实现7nm以下制程的关键技术。
NIL压印工艺，是先在模具上刻上纳米电路图案，再将电路图案像盖章一样“压印”在晶圆上。同时，由于NIL采用的是机械复制，可以排除光学衍射的影响，理论上可以实现比光刻更高的分辨率，且成本比EUV要低很多。此外，NIL压印技术同样不需要用到EUV光刻机那样先进的镜头。诸多优点使得NIL压印工艺近年来同样广受关注。张蓉竹向《中国电子报》记者介绍，NIL是一种相对经济的微结构制备方案，在结构难度相对较大、生产周期较短的微结构器件制备上优势明显。

EUV光刻和NIL压印技术对比

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数据来源：DIGITIMES

据了解，日本铠侠从2017年就开始与佳能等企业合作开发NIL压印技术。目前，铠侠已经将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。铠侠表示，NIL设备相比EUV可以降低90%的能耗，同时转化率更好，而且NIL设备的成本更低，研发成本比EUV降低了60%。
然而，模具加工和材料也同样阻碍着NIL压印技术实现大规模应用。张蓉竹表示，NIL压印技术的核心在于印压模具，要得到EUV光刻量级的加工精度，模具本身的结构尺寸也会更小，若想在此条件下实现高质量模具的加工，难度系数同样很高。此外，由于NIL印压所使用的是机械接触式的成型方案，光刻胶与模具之间接触及脱离过程稍有偏差，都会影响到整体的微观结构质量，这对光刻胶材料的要求非常之高。但在10nm以下复杂结构的制备中，若想实现零偏差，也非常之难。

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ASML光刻机

让DUV替代EUV实现7nm以下工序？太贵了！
此前，台积电采用DUV光刻机量产了第一代7nm芯片，同时还表示用DUV光刻机也能够量产5nm芯片。这也让人们意识到，虽然DUV光刻技术的波长较长，但通过DUV光刻技术实现7nm以下工艺或许也并非不可能。
张蓉竹表示，由于DUV的光子能量相对较小，因此从材料选择、镜面加工、光路设计上要相比EUV容易一些。在7nm以下制程，采用多层曝光技术也可达成。因此，DUV光刻技术在先进制程领域同样备受关注。
然而，若想用DUV技术实现7nm以下制程也并非易事。莫大康表示，虽然如今众多厂商的多层曝光技术已经相对成熟，但在增加了制造工序之后，芯片的成本也会随之增加，这也使得采用DUV技术打造的先进制程芯片，与EUV技术生产的芯片相比丧失价格优势。这也是为何台积电在如今7nm以及5nm的先进制程芯片中，均采用EUV光刻而并非DUV光刻。
新技术的出现，让苦于光刻机“一机难求”的人们，看到了些许曙光。但若想实现对EUV光刻机的替代，还需时日。“总体而言，每一种方案都有自身的优势，但是系统来看，也只是将困难从一个方面转移到了另一个方面而已。某项技术若想取代EUV，难度并不小于研制一个极紫外光刻系统。因此，让多个不同的方案进行相互配合，而并非相互取代，让不同工序选用不同的制备方案，也许是实现先进制程芯片大规模产业化的最好选择。”张蓉竹向《中国电子报》记者说