【專題 | 「光刻機」光刻技術_ASML光刻機_國產光刻機_EUV光刻機】

　　近日，美國原子級精密制造工具的納米技術公司Zyvex Labs發布公告稱，公司采用電子束光刻技術，實現了0.7nm芯片的制造。消息一出便引發廣泛關注。作為先進制程芯片“命脈”的EUV光刻機如今“一機難求”。IC Knowledge數據顯示，2022—2024年先進制程市場對于EUV光刻工具的需求量會持續增多，但ASML的產能嚴重不足，預計2022年、2023年、2024年的設備缺口分別為18、12、20臺。至少未來3年內，先進制程芯片都將受制于EUV光刻機產能不足的影響。

　　除了積極跟蹤EUV光刻機的開發進程，芯片廠商也在尋找能夠替代EUV光刻機的技術。被寄予厚望的不僅僅是電子束光刻技術。鎧俠力推NIL壓印工藝，聲稱有望在2025年實現5nm工藝;臺積電采用DUV光刻技術同樣實現了7nm工藝，并聲稱DUV光刻技術可以也可以實現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生分子鏈重組，從而留下相應痕跡。利用電磁場可以控制電子束的運動方向，進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光刻機產能不足，很大一部分原因是由于光學鏡頭的供貨不足。蔡司公司是EUV光刻鏡頭的唯一供應商，且短時間內難以有新的企業在EUV光刻鏡頭領域打破蔡司的壟斷，而僅憑蔡司公司一家企業，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出電子束而并非光源，因此電子束光刻技術可以有效擺脫光刻機對光學鏡頭的依賴，這也成為了電子束備受關注的最主要原因之一。

　　此外，業內專家莫大康向《中國電子報》記者介紹，電子束具有波長短的優勢，波長越短，越可以雕刻出更精細的電路，芯片工藝的納米數也可以做到更小。據了解，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相比有絕對的優勢，也使得電子束能夠實現EUV光刻都實現不了的先進制程技術。

美國公司Zyvex使用電子束光刻技術制造了0.7nm的芯片

　　盡管電子束光刻被寄予厚望，但短期內仍難以實現規模量產。事實上早在2000年，美國應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，但時至今日，仍舊未能實現采用電子束技術大規模生產先進制程芯片。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曝光速度可達到每分鐘超過2片硅片。因此采用電子束光刻的技術目前僅限于實驗室研究，或者制造礦機芯片等出小規模出貨量的芯片。但這并不意味著電子束技術短期內無法在先進制程領域得到大規模運用，由于波長短，電子束在線寬測量方面具有天然優勢，因此采用電子束技術進行線寬測量可減少誤差。

　　NIL壓印想實現零偏差?太難了!

　　除了電子束以外，NIL壓印也被視為替代EUV光刻實現7nm以下制程的關鍵技術。

　　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采用的是機械復制，可以排除光學衍射的影響，理論上可以實現比光刻更高的分辨率，且成本比EUV要低很多。此外，NIL壓印技術同樣不需要用到EUV光刻機那樣先進的鏡頭。諸多優點使得NIL壓印工藝近年來同樣廣受關注。張蓉竹向《中國電子報》記者介紹，NIL是一種相對經濟的微結構制備方案，在結構難度相對較大、生產周期較短的微結構器件制備上優勢明顯。

EUV光刻和NIL壓印技術對比（數據來源：DIGITIMES）

　　據了解，日本鎧俠從2017年就開始與佳能等企業合作開發NIL壓印技術。目前，鎧俠已經將NIL技術應用到了15nm NAND閃存器上，并有望在2025年推出采用NIL技術的5nm芯片。鎧俠表示，NIL設備相比EUV可以降低90%的能耗，同時轉化率更好，而且NIL設備的成本更低，研發成本比EUV降低了60%。

　　然而，模具加工和材料也同樣阻礙著NIL壓印技術實現大規模應用。張蓉竹表示，NIL壓印技術的核心在于印壓模具，要得到EUV光刻量級的加工精度，模具本身的結構尺寸也會更小，若想在此條件下實現高質量模具的加工，難度系數同樣很高。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構質量，這對光刻膠材料的要求非常之高。但在10nm以下復雜結構的制備中，若想實現零偏差，也非常之難。

ASML光刻機

　　讓DUV替代EUV實現7nm以下工序?太貴了!

　　此前，臺積電采用DUV光刻機量產了第一代7nm芯片，同時還表示用DUV光刻機也能夠量產5nm芯片。這也讓人們意識到，雖然DUV光刻技術的波長較長，但通過DUV光刻技術實現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、光路設計上要相比EUV容易一些。在7nm以下制程，采用多層曝光技術也可達成。因此，DUV光刻技術在先進制程領域同樣備受關注。

　　然而，若想用DUV技術實現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已經相對成熟，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技術打造的先進制程芯片，與EUV技術生產的芯片相比喪失價格優勢。這也是為何臺積電在如今7nm以及5nm的先進制程芯片中，均采用EUV光刻而并非DUV光刻。

　　新技術的出現，讓苦于光刻機“一機難求”的人們，看到了些許曙光。但若想實現對EUV光刻機的替代，還需時日。“總體而言，每一種方案都有自身的優勢，但是系統來看，也只是將困難從一個方面轉移到了另一個方面而已。某項技術若想取代EUV，難度并不小于研制一個極紫外光刻系統。因此，讓多個不同的方案進行相互配合，而并非相互取代，讓不同工序選用不同的制備方案，也許是實現先進制程芯片大規模產業化的最好選擇。”張蓉竹向《中國電子報》記者說。

　　作者：沈叢　　來源：中國電子報、電子信息產業網

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