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半导体

EUV光刻机的末路?ASML都不看好了

近日,全球最大的光刻机设备供应商荷兰阿斯麦(ASML)的首席技术官Martin van den Brink表示,目前ASML正在有序地推行着此前制定的路线图,之后EUV技术将升级为High-NA EUV技术。准备在明年,向客户交付首台High-NA EUV光刻机。但对于High-NA技术之后的Hyper-NA,Martin van den Brink对其持怀疑态度,因为技术难度的大幅提升,导致其制造和使用成本都高得惊人,且不一定能真正投入生产。受此约束,Martin van den Brink指出:“High-NA技术很可能将成为EUV光刻技术的终点,半导体光刻技术之路已走到尽头。”

新一代High-NA EUV光刻机将于明年交付

长久以来,EUV光刻机都是先进制程得以延续的必备设备,ASML作为全球第一大光刻机设备商,同时也是全球唯一可提供EUV光刻机的设备商,来自各大半导体厂商的订单早已堆积成山。因此,去年ASML就已经提高了两次生产目标,希望到2025年,其年出货量能达到约600台DUV(深紫外光)光刻机以及90台EUV(极紫外光)光刻机。所以,在市调机构CINNO Research发布的2022年上半年全球上市公司半导体设备业务营收排名Top10报告中,ASML排名第二。

EUV光刻技术方面,按照ASML此前制定的路线图,之后EUV技术将升级为High-NA EUV技术。据Martin van den Brink介绍,开发High-NA EUV技术的最大挑战在于,为EUV光学器件构建计量工具,所配备的反射镜尺寸为前一代的两倍,需要将其平整度控制在20皮米以内。此外,还需要在一个“可以容纳半个公司”的真空容器内进行验证,该容器位于蔡司公司,ASML预计将于明年拿到第一个镜头。

相较于配备了0.33数值孔径透镜的EUV系统,High-NA EUV光刻系统将提供0.55数值孔径,精度将更高,可以实现更高分辨率的图案化,以及更小的晶体管特征。预计明年,ASML将向客户交付首台High-NA EUV光刻机,交付后,EUV光刻机将不再是最先进的设备,理论上就能够实现自由出货。

台积电负责研发和技术的高级副总裁Y.J. Mii博士此前透露,台积电将在2024年购买ASML的High-NA EUV光刻机,目标是在2025年量产2纳米制程工艺。

英特尔同样也已下单,谁将拿到第一台High-NA EUV光刻机还是个悬念。

售价和耗电量将进一步提升,企业不堪重负

虽然High-NA EUV光刻机的强大性能,可以将先进制程推往下一阶段,但其带来的成本需求将更大。

首先,就是售价,全新一代High NA EUV光刻机的售价预计将会超过3亿美元,是传统EUV光刻机售价的三倍左右,这意味着台积电等各大厂商的设备成本将再次提升。

其次是耗电量,EUV光刻机本就是耗电大户,而由于High-NA EUV光刻机对于光源的需求大幅提升,耗电量也将从1.5兆瓦提升到2兆瓦。此外还需要使用水冷铜线为其供电。

台积电目前已经安装了超80台EUV光刻机,此前就因不堪电费的重负,已经关闭了4台EUV光刻机。还计划将在2023年上调先进工艺的代工价格,减轻财务负担。

这也是Martin van den Brink不看好再下一代EUV光刻技术——Hyper-NA EUV光刻技术的根本原因,虽然理论上,Hyper-NA EUV光刻可以提供0.75左右的数值孔径,但因其技术难度将大幅提升,导致其制造和使用成本都高得惊人,且不一定能真正投入生产,性价比基本没有。

所以受此约束,Martin van den Brink更是大胆预测:“如果成本限制解决不了,High-NA技术很可能将成为EUV光刻技术的终点,半导体光刻技术之路就将走到尽头。”

北京半导体行业协会副秘书长朱晶表示,未来更先进的制程工艺很可能没有大规模的增量市场进行支撑了,像是手机,PC和数据中心等市场的增量规模,都已经无法支撑Hyper-NA EUV光刻机的巨量研发投入,另外能源消耗量也无法承担,除非元宇宙,区块链这些新场景的渗透率快速提升,对先进工艺的需求增量快速增加,不然,High-NA光刻技术就将是EUV光刻的结局了。

EUV光刻统治地位不保,新技术更具潜力

随着EUV光刻机所暴露的问题越来越多,更多的企业和大学都在想方设法绕道而行,目前已经有多项技术脱颖而出。

9月21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,已推出世界上最高分辨率的光刻系统“ZyvexLitho1“,其基于STM扫描隧道显微镜,使用的是EBL电子束光刻方式,可以制造出0.7纳米线宽的芯片,相当于2个硅原子的宽度,是当前制造精度最高的光刻系统。

据悉,ZyvexLitho1光刻系统的高精度光刻可以用于实验室阶段高端制程工艺的产品研发,是传统芯片制造所需光刻机的一个应用补充,主要可用于制造对于精度有较高要求的量子计算机的相关芯片,例如高精度的固态量子器件、纳米器件及材料,对半导体产业的发展也具有巨大的促进作用。目前,Zyvex Labs已经开始接受订单,6个月内就可出货。

对于这个新型光刻系统是否会威胁到EUV光刻的统治地位,赛迪顾问集成电路产业研究中心一级咨询专家池宪念表示:“短期内并不会“。池宪念认为ZyvexLitho1是一种使用电子束曝光作为光刻方式的设备,与传统光刻机工作原理会有明显的差异。它是通过电子束改变光刻胶的溶解度,最后选择性地去除曝光或未曝光区域。它的优势在于可以绘制10纳米以下分辨率的自定义图案,是属于无掩模光刻直接写入的工作方式,精度远高于目前的传统光刻机。但是由于这类型设备的单个产品光刻的工作时间要在几小时到十几小时不等,工作效率方面还需进一步提高,因此不会快速取代EUV光刻机。

此外还有多电子束直写光刻机(MEB)、定向自组装技术(DSA)以及纳米压印技术(NIL)等技术。其中,MEB被广泛应用于掩膜的制造,分辨率可达到2纳米,未来将被用于在晶圆上直接刻画图形而不借助掩膜版。DSA则利用两种聚合物材料的定向生长进行加工,对于材料的控制要求高,生长缺陷大,目前还不能真正用于生产,但可兼顾分辨率极高的加工速度需求。

其中NIL技术也被视为是最佳替代方案。据了解,NIL技术(纳米压印微影技术)是在一个特殊的“印章”上,先刻上纳米电路图案,然后再将电路图案“压印”在晶圆上,就像盖章一样。由于没有镜头,NIL技术比EUV要省钱很多。根据佳能等厂商发布的消息,NIL的耗电量可压低至EUV生产方式的10%,设备投资也将降低至40%。

日本的半导体厂商铠侠从2017年就开始与佳能等半导体企业合作,研发NIL的量产技术。目前已成功掌握15纳米量产技术,目前正在进行15纳米以下技术研发,预计2025年达成,精度可达5纳米。

责任编辑:许子皓


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