近日，一則美國制造出了0.7納米芯片的芯片在筆者的朋友圈傳播。與此同時傳播的新還有類似繞開EUV光刻機、美國打造全球分辨率最高光刻系統(tǒng)。這究竟是個什么新聞？從現(xiàn)階段看EUV光刻機會是怎樣的一個未來？
讓我們來還原以下這個新聞本身。
美國企業(yè)推出了0.7nm芯片？
這其實是來自美國Zyvex Labs的一個報道。
在9月21日， Zyvex Labs宣布，推出世界上最高分辨率的光刻系統(tǒng) — ZyvexLitho1。該工具使用量子物理技術來實現(xiàn)原子精度圖案化和亞納米（768 皮米——Si (100) 2×1 二聚體行的寬度）分辨率。這一進步使量子計算機能夠為真正安全的通信提供牢不可破的加密；還更快的藥物發(fā)現(xiàn)和更準確的天氣預報。
報道進一步指出，ZyvexLitho1 是一款基于掃描隧道顯微鏡 (STM：Scanning Tunneling Microscopy) 儀器，Zyvex Labs 自 2007 年以來一直在改進該儀器。ZyvexLitho1 包含許多商業(yè)掃描隧道顯微鏡所不具備的自動化特性和功能。
“構建可擴展的量子計算機存在許多挑戰(zhàn)。我們堅信，要實現(xiàn)量子計算的全部潛力，需要高精度制造，”Michelle Simmons 教授說。“我們對 ZyvexLitho1 感到興奮，這是第一個提供原子精度圖案化的商用工具。”
STM 光刻技術的發(fā)明者 Joe Lyding 教授表示：“迄今為止，Zyvex Labs 技術是這種原子級精確光刻技術的最先進和唯一的商業(yè)化實現(xiàn)。” Lyding 是 2014 年費曼獎獲得者，也是伊利諾伊大學電氣與計算機工程專業(yè)的 Robert C. MacClinchie 特聘教授。
ZyvexLitho1 中嵌入的是我們的 ZyVector。這種具有低噪聲和低延遲的 20 位數(shù)字控制系統(tǒng)使我們的用戶能夠為固態(tài)量子器件和其他納米器件和材料制作原子級精確的圖案。完整的 ZyvexLitho1 系統(tǒng)還包括配置用于制造量子器件的 ScientaOmicron 超高真空 STM。
“我期待繼續(xù)與 Zyvex 進行富有成效的合作，”ScientaOmicron 產(chǎn)品經(jīng)理 SPM Andreas Bettac 博士評論道。“在這里，我們將最新的 UHV 系統(tǒng)設計和 ScientaOmicron 久經(jīng)考驗且成熟的 SPM 與 Zyvex 用于基于 STM 的光刻的專用高精度 STM 控制器相結合。”
從報道可以看到，該產(chǎn)品還得到了美國DARPA（國防高級研究計劃署）、陸軍研究辦公室、能源部先進制造辦公室和德克薩斯大學達拉斯分校的 Reza Moheimani 教授的支持，后者最近獲得了工業(yè)成就獎國際自動控制聯(lián)合會授予“支持在單原子尺度上制造量子硅器件的控制發(fā)展”獎。
由此可見，這個所謂的0.7nm芯片，可能我傳統(tǒng)意義上的芯片制造工藝是不一樣的。
對半導體行業(yè)有了解的讀者應該清楚，我們平時所謂的多少納米，其實是一個工藝節(jié)點的代號。通常意義上，這個代號是用一個數(shù)字命名，后跟納米的縮寫，例如7nm、5nm、3nm 等。
從大約 1960 年代到 1990 年代末，節(jié)點是根據(jù)它們的門長度命名的。這張來自 IEEE 的圖表顯示了這種關系。
半導體制造涉及巨大的資本支出和大量的長期研究。從論文中引入新技術方法到大規(guī)模商業(yè)制造之間的平均時間長度約為 10-15 年。幾十年前，半導體行業(yè)認識到，如果存在用于節(jié)點引入的通用路線圖以及這些節(jié)點將針對的特征大小，這將對每個人都有好處。這將允許廣泛、同時開發(fā)將新節(jié)點推向市場所需的所有難題。多年來，ITRS（國際半導體技術路線圖）發(fā)布了該行業(yè)的總體路線圖（已經(jīng)停止更新了）。這些路線圖跨越 15 年，為半導體市場設定了總體目標。
長期以來，柵極長度（晶體管柵極的長度）和半間距（芯片上兩個相同特征之間距離的一半）與工藝節(jié)點名稱相匹配，但上一次出現(xiàn)這種情況是在1997 年。pitch 繼續(xù)匹配節(jié)點名稱幾代，但在任何實際意義上不再與它相關。
由此可見，這在工藝上與我們熟悉的工藝節(jié)點是不太一樣。至于這個光刻，則是所謂的STM光刻。
繞開EUV光刻技術？
從相關報道指出，達成這個0.7納米分辨率的光刻系統(tǒng)這是一種稱為氫去鈍化光刻（Hydrogen Depassivation Lithography ）的技術，它是一種電子束光刻技術 (EBL)，可實現(xiàn)原子分辨率。
據(jù)維基百科介紹，電子束光刻（通常縮寫EBL）是掃描聚焦電子束以在覆蓋有稱為光刻膠（曝光）的電子敏感膜的表面上繪制自定義形狀的做法。電子束改變了光刻膠的溶解度，通過將抗蝕劑浸入溶劑中（顯影），可以選擇性地去除曝光或未曝光區(qū)域。與光刻一樣，其目的是在抗蝕劑中創(chuàng)建非常小的結構，然后通常通過蝕刻將其轉移到基板材料上。
電子束光刻的主要優(yōu)點是它可以繪制具有sub-10 nm 分辨率的自定義圖案（直接寫入） 。這種形式的無掩模光刻具有高分辨率和低產(chǎn)量，限制了其用于光掩模制造、半導體器件的小批量生產(chǎn)以及研發(fā)。
據(jù)介紹，該機器的用途包括為基于量子點的量子比特制作極其精確的結構，以實現(xiàn)最高的量子比特質(zhì)量。該產(chǎn)品可用于其他非量子相關應用，例如構建用于生物醫(yī)學和其他化學分離技術的納米孔膜。如上所述，該產(chǎn)品的缺點是吞吐量非常低，換而言之，它可能適合制造小批量的量子處理器芯片，對于大批量消費電子產(chǎn)品來說，這不是一個好的解決方案。
Zyvex Labs在官網(wǎng)中也表示，該系統(tǒng)能夠使原子精密光刻成為現(xiàn)實，當中用于 STM 光刻的 UHV 系統(tǒng) 、前體氣體計量和 Si MBE 、數(shù)字矢量光刻和自動化和腳本。他們表示，如果沒有亞納米分辨率和精度，這種 7.7 納米（10 像素）正方形的曝光是不可能的。
Zyvex Labs指出，ZyvexLitho1 使用氫去鈍化光刻從 Si (100) 2×1 重建表面去除 H 原子。這種自我顯影的曝光技術本質(zhì)上是二元的。H-Si 鍵要么斷裂（將 H 原子送入真空），要么沒有。沒有部分暴露或鄰近效應。利用這個過程和作為硅表面晶格的全局基準網(wǎng)格允許數(shù)字光刻。亞納米像素是 4 個表面硅原子。可以將設計網(wǎng)格與我們的像素網(wǎng)格相同的計算機輔助設計 (CAD) 文件加載到 ZyvexLitho1 中，并且可以自動將圖案分割成不同的幾何形狀，從而允許尖端矢量與不同的光刻模式一起使用。然后可以自動進行曝光。
他們還強調(diào)，由于光刻模式和成像模式在能量上分離良好，因此可以在光刻前后對Si表面進行成像。這種非曝光成像模式允許自動識別硅晶格，因此可以自動識別像素在表面上的位置。這種 Lattice Lock 過程自動保持尖端定位（以及因此光刻）準確。
從他們提供的表格上看，該系統(tǒng)擁有以下特點：
那么，關于這個的討論又來到了——EBL能取代傳統(tǒng)光刻嗎？
EBL能成為新選擇嗎？
所謂光刻，是芯片制造中的一種圖案化工藝。該過程涉及將圖案從光掩模轉移到基板。這主要是使用配備有光學光源的步進器和掃描儀來完成的，這也是我們現(xiàn)在主流的芯片制造方式，大家熟悉的EUV和DUV就是使用這種方式的。
其他形式的光刻包括直寫電子束（direct-write e-beam）和納米壓印（ nanoimprint）。在研發(fā)中還有幾種下一代光刻（NGL）技術——如多光束電子束和定向自組裝（DSA）。
據(jù)美國NIST方面介紹，電子束光刻允許精細控制納米結構特征，這些特征構成多種器件技術的基礎。讓10 nm 的橫向分辨率、1 nm 的放置精度和 1 mm 的圖案化區(qū)域都是可能的。然而，實現(xiàn)這些性能指標取決于許多特定于樣品的相互依賴的因素——圖案定義和斷裂、基板和掩模材料、曝光前和曝光后工藝、對準特征定義——以及關鍵的細節(jié)光刻系統(tǒng)的操作。
NIST表示，作為一項核心能力，其開發(fā)的工藝處于或接近傳統(tǒng)電子束光刻技術的極限，以推進各個領域的納米級設備和測量科學，例如：用于精確計時的芯片級頻率梳；用于波長和量子頻率轉換的非線性集成光學；用于傳感、轉換和非線性動力學研究的片上腔光機械和微/納米機電系統(tǒng)；具有用于量子信息的非線性和量子發(fā)射器光源的量子光子集成電路；從紫外到紅外的超表面，用于捕獲和探測原子和離子、偏振測量、成像和時空超快激光脈沖整形；用于像差校正的光學顯微鏡標準。
但正如很多報道中所說，其吞吐和準確度，限制了EBL的發(fā)展。根據(jù)eBeam Initiative的一份調(diào)查顯示，使用類似電子書光刻這樣的直寫設備制作一份掩膜寫入時間大概在2.5到13個小時不等，其平均數(shù)在6.8個小時。根據(jù)該組織的報告，對于復雜掩膜而言，最長寫入時間在14到60個小時。一般來說，制造商們對于寫入時間超過24個小時的掩膜設計方案會比較頭疼。因為過長的寫入時間就意味著更高的成本，更長的處理時間和良率問題。
在半導體行業(yè)觀察之前的報道《無掩膜光刻，有機會嗎？》的文章中，我們也對包括電子束光刻在內(nèi)的技術進行了分析。得出的結論是，傳統(tǒng)技術前進雖然很難，包括ASML的CTO在文章《EUV光刻機何去何從》中也承認了這一點。
但毫無疑問，這依然是芯片制造技術的主流。
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