EUV光刻机都搞不定的0.7nm芯片让美国造出来了!是真牛还是吹牛?
作者 | 物联网智库2022-09-28

美国的技术难道比ASML更加先进了么?此前美方是向荷兰施压,现在是把主动权进一步掌握在自己手里了么?Zyvex Labs真的绕过EUV光刻机弯道突围了么?本文将一探究竟。

智次方

几个月前,美国曾向荷兰施压,阻挠芯片光刻机生产商ASML向中国出口光刻机——不只是最先进的设备,还包括了上一代采用DUV技术的光刻机,其制造能力最高可以生产7nm制程的芯片。而可以制造5nm及以下制程芯片的EUV光刻机,早在两年前就因为美国的施压而无法进口。

现如今,EUV光刻机几乎已经成了尖端半导体制造技术的代名词,ASML是全球唯一的供应商。但即使强如ASML,其上一代产品极限制程也只能做到2nm,到2024年或2025年交付的全新一代High-NA极紫外光刻机才可能突破2nm以下的制程,1nm以下可谓难如登天。

然而,就在近日,一家名为Zyvex Labs的美国公司却突然宣布推出亚纳米分辨率的光刻系统Zyvex Litho 1,分辨率可以达到0.768nm,大约是两个硅原子的宽度——这相当于不使用EUV光刻机就突破了1nm极限,因此在业内引起广泛热议。

光刻机

美国的技术难道比ASML更加先进了么?此前美方是向荷兰施压,现在是把主动权进一步掌握在自己手里了么?Zyvex Labs真的绕过EUV光刻机弯道突围了么?本文将一探究竟。

如何另辟蹊径突破1nm极限?

根据官方资料,Zyvex 公司由 Jim Von Ehr 于 1997 年创立,旨在开发和商业化原子精密制造 (APM) 技术,以制造具有原子精密度的产品。如果开发得当,APM 允许灵活制造各种产品,从设计材料到超级计算机再到先进的医疗设备。

EUV光刻机都搞不定的0.7nm芯片让美国造出来了!是真牛还是吹牛?

Zyvex推出的光刻系统名为ZyvexLitho1,之所以能实现比EUV光刻机更高的精度,是因为其基于扫描隧道显微镜(STM)技术,使用EBL电子束光刻方式制造出了0.7nm线宽的芯片,是当前制造精度最高的光刻系统。电子束光刻机技术的工作原理,简单说就是通过非传统的氢去钝化光刻技术,在Si(100) 2×1二聚体列重建表面去除氢原子,从而实现了比传统的EBL技术更高的分辨率和精确度。

能实现这样突破性的成果并非一日之功——据悉自 2007 年以来, Zyvex Labs 一直在完善STM技术并改进相关设备。ZyvexLitho1 结合了许多商业STM所不具备的自动化特性和功能,包括:能够实现无失真成像、自适应电流反馈回路、自动晶格对准、数字矢量光刻、自动化脚本和内置计量。以无失真成像为例,Zyvex Labs称ZyvexLitho1系统拥有专有的蠕变和滞后位置校正算法,支持无失真成像和原子级精确的尖端定位,以实现前所未有的光刻精度。

EUV光刻机都搞不定的0.7nm芯片让美国造出来了!是真牛还是吹牛?

更值得一提的是,这款光刻系统不只是存在于实验室阶段,Zyvex Labs表示其已经开始接受Zyvex Litho 1的订单,交付周期约为6个月。要知道目前ASML的ArF光刻机交付周期都已经长达24个月,即使是EUV光刻机也要18个月左右。

那么,以上种种优点就能说明Zyvex Labs弯道超车EUV光刻机了么?其实不然,这种技术还有一个非常明显的缺点,那就是产量很低(ZvyvexLitho1光刻时,500nm的位移,需要200秒的时间),无法大规模制造芯片,只适合制作那些小批量的高精度芯片或者器件,Zyvex Labs自己表示该系统会在量子技术中将会发挥最大的作用。从这个角度来看,指望该系统取代EUV光刻机并不现实。

光刻机龙头ASML地位频遭挑战

Zyvex Litho 1新光刻系统的发布之所以能引起广泛讨论,也是从另一个角度凸显了芯片届苦ASML久矣的现状,毕竟大家都想把核心技术掌握在自己手里,同时光刻机产品的利润也令人垂涎。此前,ASML发布2021财年最新财报称,公司2021年净销售额为186亿欧元,同比增长35%;净利润59亿欧元,同比增长63.9%。

俄罗斯此前就向最先进的EUV(极紫外)光刻机吹响了突围的号角。为了研发出超过EUV的光刻机,俄罗斯前期将投资6.7亿卢布(约5400万元人民币),由有着苏联硅谷中心之称、以微电子专业见长的俄罗斯莫斯科电子技术学院 (MIET)来负责。

俄罗斯计划选择不同于ASML的极紫光技术的路线,而是基于X射线的无掩膜式光刻。从光源的选择来看,一种是极紫外光线,波长在13.5nm,另一种为X射线,波长介于0.01nm至10nm之间。光刻机的架构及技术很复杂,但决定光刻机分辨率的主要因素只有三点,包括常数K、光源波长和物镜的数值孔径。波长越短,分辨率就越高。因此,在光源选择上来看,理论上X射线比EUV极紫外光线更短,分辨率也就更高。

EUV光刻机都搞不定的0.7nm芯片让美国造出来了!是真牛还是吹牛?

从生产的成本和方式来看,EUV光刻机是特定波长的光透过用来放大的掩膜,再通过透镜的缩小,将集成电路精确的“投影”在硅片上。而X射线虽然波长更短但穿透性也更强,用普通透镜无法进行放大和缩小,因此也就无法实现投影光刻,而是采用直写光刻的方式。这样一来,光刻机也就不需要光掩膜板,可以节省一大笔成本。

正是因为X射线光刻机的这两点优势,当地媒体甚至宣传这将是全球都没有的光刻机,ASML也做不到。

先进制程争夺战已经打响

对于1nm以下制程的探索也说明了先进制程对于芯片制造商的吸引力——能购置更先进的光刻机,就能生产性能更好的产品,并在市场上占据领先地位。在当下的半导体先进制程领域中,三星、英特尔、台积电可谓是三足鼎立,各有千秋,焦点主要集中于2nm节点。

2019年,台积电率先开始了2nm制程技术的研发工作,相应的技术开发中心和晶圆厂主要设在中国台湾的新竹,同时还规划了4座超大型晶圆厂。同年,台积电成立了2nm专案研发团队,寻找可行路径进行开发。在考量成本、设备相容、技术成熟及效能表现等多项条件后,决定采用以GAAFET为基础的MBCFET(Multi-Bridge Channel FET)架构,解决FinFET因制程微缩产生电流控制漏电的物理极限问题。2022年6月16日,台积电在2022年度北美技术论坛上,官宣将推出下一代先进制程N2,也就是2nm制程,预计2025量产。外界预测,在ASML高数值孔径EUV光刻机的加持下,台积电有望成为全球第一家率先提供2纳米制程代工服务的晶圆厂。

相比台积电的制程工艺,三星的制程似乎从7nm开始就日渐落后,尤其是英伟达以及高通这两个大客户采用三星的制程工艺之后在能效比上并不尽如人意,但这些都没有让三星停下脚步。目前,三星已经宣布成功量产3nm制程工艺,成为行业内首个量产3nm制程的厂商,性能平均提升20%,功耗也将降低35%。据悉在3nm制程之后,三星将迎来2nm制程工艺,预计在2025年正式量产。

再来看英特尔,其在大踏步进军芯片代工业务后对包括2纳米在内的先进工艺制程进行了大手笔投入。2021年7月,英特尔公布了最新的技术路线,还对芯片制程工艺命名进行了修改。比如,英特尔将10纳米工艺节点改名为Intel 7,7纳米技术改为Intel 4,5纳米技术改成Intel 3,2纳米技术改成Intel20A。值得一提的是,在2nm节点时,英特尔将FinFET工艺转为了GAAFET工艺。

至于更精尖的制程——按照IMEC(比利时微电子中心)规划的发展路线图,预计2028年可实现1nm工艺量产。目前,台积电的 1nm 制程仍处于探索阶段,除此之外,三星、英特尔和IBM也在进行1nm制程工艺的研发。

面对先进制程,市场一方面在高调喊出补充28nm制程,一方面头部企业很诚实地给有7nm以下代工厂下单。未来,主攻先进制程和主攻成熟制程的代工厂可能因此分流。

参考资料:

1.《不使用EUV突破1nm极限?美国推出全新光刻系统,分辨率0.768nm!》,电子发烧友

2.《0.768nm!美国Zyvex Labs造出全球最高分辨率光刻机:现在下单,6个月即可交货!》,芯智讯

3.《台积电引进最先进EUV光刻机,谁该着急了?》,中国电子报

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