在先進(jìn)芯片制造方面，EUV 光刻機(jī)是不得不提的重要組成。而提及 EUV 光刻的時候，大家首先想到的是 ASML。誠然，作為市場上領(lǐng)先的光刻機(jī)廠商，ASML 在光刻機(jī)方面的實力不容忽視。特別是在當(dāng)前備受關(guān)注的 EUV 光刻機(jī)方面，ASML 已然成為全球唯一的供應(yīng)商。
但其實作為全球半導(dǎo)體的發(fā)源地，美國在 EUV 光刻方面的實力也不容忽視。雖然沒有 EUV 光刻機(jī)，但其中關(guān)鍵的組成光源，則是由 ASML 收購的美國公司 Cymer 開發(fā)。
進(jìn)入近年來，隨著美國想在芯片制造方面獲得更大的成就，他們在 EUV 光刻上，也有了更多的投入。例如來自美國芯片巨頭 Intel，已經(jīng)在這方面有了很多投入。除此以外，山姆大叔在包括 EUV 研究以及其他光刻方面，也做了更多布局。
斥巨資，搞 EUV 光刻
美國方面近日宣布，其 CHIPS for America 極紫外 ( EUV ) 加速器盛大啟用。
2023 年 12 月，美國紐約州宣布與 IBM、美光、應(yīng)用材料、東京電子等半導(dǎo)體行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者建立新的 100 億美元合作伙伴關(guān)系，在 NY CREATES 的奧爾巴尼納米技術(shù)綜合體建立下一代半導(dǎo)體研發(fā)中心。
據(jù)介紹，該公私合作伙伴關(guān)系將資助建設(shè)尖端的 High NA 極紫外光刻中心——北美第一個也是唯一一個公有的 High NA EUV 中心——該中心將支持世界上最復(fù)雜、最強(qiáng)大的半導(dǎo)體的研發(fā)。除了對紐約州首府地區(qū)的轉(zhuǎn)型性投資外，此次合作還將使紐約州成為全美最先進(jìn)的公有半導(dǎo)體研發(fā)基礎(chǔ)設(shè)施所在地，支持紐約州科技經(jīng)濟(jì)的長期增長。
為支持該項目，紐約州已投資 10 億美元擴(kuò)建奧爾巴尼納米技術(shù)中心，通過購買 ASML 的 EXE:5200 高數(shù)值孔徑 EUV 掃描儀建立高數(shù)值孔徑 EUV 中心，并建造了納米晶圓反射工廠（NanoFab Reflection）。該工廠是一座全新的、高度先進(jìn)的建筑，擁有超過 5 萬平方英尺的潔凈室空間，將促進(jìn)未來合作伙伴的發(fā)展，并支持國家半導(dǎo)體技術(shù)中心、國家先進(jìn)封裝制造計劃和國防部微電子公共項目等新項目。
美國方面表示，EUV 加速器將專注于開發(fā)最先進(jìn)的高數(shù)值孔徑 EUV 技術(shù)及其相關(guān)研發(fā)。他們指出，EUV 光刻技術(shù)已成為實現(xiàn) 7 納米以上晶體管量產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，盡管在 1.6 納米和 1.4 納米工藝中，2 納米以下的制程仍使用高數(shù)值孔徑 EUV。ASML 表示，該中心將為更廣泛的公司開發(fā)使用 EUV 和高數(shù)值孔徑 EUV 的工藝步驟提供支持。
總體而言，這個 EUV 加速器的主要功能包括：
1、使用尖端 EUV 光刻工具和下一代研發(fā)能力，包括高數(shù)值孔徑 ( NA ) EUV 系統(tǒng)，目前提供標(biāo)準(zhǔn) NA EUV，預(yù)計 2026 年提供 High NA EUV。
2、為行業(yè)、學(xué)術(shù)界和政府合作伙伴提供合作空間和資源，以推動技術(shù)創(chuàng)新。
3、專門的現(xiàn)場 Natcast 辦公室和工作人員為 Natcast 和 NSTC 成員研究人員提供支持。支持提供、培養(yǎng)和發(fā)展人才隊伍的計劃。
4、通過在 EUV 加速器內(nèi)和所有 NSTC 設(shè)施內(nèi)營造開放、協(xié)作的研發(fā)環(huán)境，促進(jìn) NSTC 成員的廣泛參與。
美國政府表示，獲得 EUV 光刻技術(shù)研發(fā)對于擴(kuò)大美國的技術(shù)領(lǐng)先地位、減少原型制作的時間和成本以及建立和維持半導(dǎo)體勞動力生態(tài)系統(tǒng)至關(guān)重要。
Natcast 首席執(zhí)行官 Deirdre Hanford 表示： "EUV 加速器的盛大啟用對 Natcast、NSTC 以及整個美國半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)而言都具有里程碑式的意義。這一先進(jìn)的設(shè)施彰顯了我們致力于在美國開發(fā)和推進(jìn)下一代半導(dǎo)體技術(shù)的承諾。EUV 光刻技術(shù)已成為實現(xiàn)更小、更快、更高效芯片批量生產(chǎn)的基石技術(shù)。通過 EUV 加速器，我們將為 Natcast 和 NSTC 成員研究人員提供關(guān)鍵工具，以促進(jìn)更廣泛的研究，并開辟商業(yè)化途徑，從而提升美國在未來技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位。"
探索 EUV 的替代者
除了在當(dāng)前的 EUV 方面上發(fā)力。從過去幾年的報道中我們可以看到，來自美國的企業(yè)，也正在 EUV 光刻的替代技術(shù)上發(fā)力。
今年四月，美國初創(chuàng)公司 xLight 宣布，希望使用粒子加速器為光刻機(jī)產(chǎn)生光，并聲稱它可以在 2028 年之前生產(chǎn)出這種光源，同時保持與現(xiàn)有工具的兼容性。xLight 在官網(wǎng)表示，公司的使命是將粒子加速器驅(qū)動的自由電子激光器 ( FEL：Free Electron Lasers ) 商業(yè)化，以滿足美國關(guān)鍵的經(jīng)濟(jì)和國家安全應(yīng)用。xLight 也指出，公司正在打造全球最強(qiáng)大的激光器，以革新半導(dǎo)體光刻、計量技術(shù)以及其他關(guān)鍵的經(jīng)濟(jì)和國家安全應(yīng)用。
據(jù)介紹，激光等離子體是目前用于尖端半導(dǎo)體制造的唯一 EUV 光產(chǎn)生方法。然而，它極其耗電（約 1.5 MW 的電力僅能產(chǎn)生 500 W 的光），并且無法完全支持 ASML 現(xiàn)有和未來版本的掃描儀，因為這些掃描儀需要高達(dá) 2 kW 的光源功率。
" 我們?yōu)榘雽?dǎo)體市場開發(fā)了一種全新的極紫外 ( EUV ) 自由電子激光 ( FEL ) 光源，以取代目前已接近物理極限的激光等離子體 ( LPP ) 光源。我們的 FEL 系統(tǒng)將顯著增強(qiáng) ASML 的技術(shù)路線圖，在降低資本和運營成本的同時，提升半導(dǎo)體晶圓廠的生產(chǎn)能力，并助力美國重振其在先進(jìn)半導(dǎo)體領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。" xLight 強(qiáng)調(diào)。
五月，又一家名為 Inversion Semiconductor 的美國公司浮出水面。據(jù)介紹，Inversion Semiconductor 的目標(biāo)是利用 " 臺式 " 粒子加速器來產(chǎn)生所需的高功率光，這種加速器能夠?qū)㈦娮蛹铀俚嚼迕准壍臉O高能量，而不是像歐洲核子研究中心 ( CERN ) 和斯坦福直線加速器 ( SLAC ) 的大型加速器那樣需要公里級。他們希望利用由高功率激光器驅(qū)動的等離子體波（ Wakefield）來實現(xiàn)這一目標(biāo)。具體而言，就是一項叫做 Laser Wakefield Acceleration （LWFA）的技術(shù)。
從原理上看，LWFA 利用強(qiáng)激光脈沖與等離子體的相互作用，將電子在極短距離內(nèi)加速到極高的能量。這個過程類似于沖浪者在船后尾流中沖浪：電子在等離子波中 " 沖浪 "，并在行進(jìn)過程中獲得能量。
借助該現(xiàn)象可產(chǎn)生緊湊、高功率的光源。Inversion 預(yù)計，LWFA 可以將用于產(chǎn)生高能光的傳統(tǒng)粒子加速器縮小 1000 倍至桌面大小，也就是說，其尺寸將從幾公里縮小到一米左右；在相同數(shù)值孔徑（NA）的情況下，能將晶體管密度增加 100％；基于該項技術(shù)，能將臨界尺寸均勻性提高 25%，顯著改善新型晶體管架構(gòu)和計算范式（包括量子和可逆）的高深寬比特征的制造。
該公司表示，其目標(biāo)是產(chǎn)生 1 千瓦的軟 X 射線（20 納米至 6 納米）。如果成功，這一里程碑將為用戶設(shè)施的建設(shè)奠定基礎(chǔ)，屆時預(yù)訂光束時間將像預(yù)訂 SpaceX 發(fā)射一樣簡單——只需使用信用卡即可。
同時，該公司將開發(fā)新型鏡面系統(tǒng)，用于反射和聚焦產(chǎn)生的 X 射線。這將使我們能夠使用由 STARLIGHT 驅(qū)動的初始 LITH-0 系統(tǒng)演示硅圖案化。
按照 Inversion 的計劃，公司將使用其先進(jìn)的光源投射圖案，就像傳統(tǒng)的 EUVL 一樣，但該光源可調(diào)至 13.5 納米或更低的波長，下一代目標(biāo)波長為 6.7 納米。此外，該公司聲稱，它可以在相同數(shù)值孔徑下使晶體管密度翻倍，同時實現(xiàn)現(xiàn)有機(jī)器三倍的吞吐量。該光源的亮度也可能足以照亮多個晶圓臺，因此一個光源搭配四臺或八臺光刻機(jī)將進(jìn)一步提高制造效率。
日歐也在探索新機(jī)會
其實除了美國以外，日本和歐洲也在探索 EUV 光刻的新機(jī)會。
例如挪威初創(chuàng)公司 Lace Lithography AS 表示，其正在開發(fā)一種光刻技術(shù)，該技術(shù)使用向表面發(fā)射的原子來定義特征，其分辨率超出了極紫外光刻技術(shù)的極限。據(jù)了解，Lace Litho 所稱的 BEUV 理論上可以實現(xiàn)更精細(xì)的特征，支持晶體管的持續(xù)小型化并延伸摩爾定律。
眾所周知，傳統(tǒng)的 EUV 系統(tǒng)使用 13.5nm 波長的光，通過一系列反射鏡和掩模在晶圓上形成圖案。原子光刻技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)直接無掩模圖案化，其分辨率甚至小于受波長限制的 EUV 系統(tǒng)所能達(dá)到的分辨率。
該公司在其網(wǎng)站上聲稱：" 通過使用原子代替光，我們?yōu)樾酒圃焐烫峁┝祟I(lǐng)先當(dāng)前技術(shù) 15 年的功能，而且成本更低、能耗更低。"
據(jù)了解，該項目來自一個由歐盟資助的項目 FabouLACE 。具體而言是采用亞穩(wěn)態(tài)原子和基于色散力的掩模，可實現(xiàn) 2 納米工藝。歐盟委員會表示，Lace 光刻技術(shù)已獲授權(quán)在 2031 年前將該技術(shù)推向市場。與此同時，該技術(shù)的性能將由 IMEC 研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測和驗證。NanoLACE 是歐洲早期的一個研究項目，于 2024 年 12 月 31 日結(jié)束。該項目于 2019 年啟動，已獲得 336 萬歐元的資助，其預(yù)算為 365 萬歐元。
日本筑波高能加速器研究組織（KEK）的一組研究人員也認(rèn)為，如果利用粒子加速器的能量，EUV 光刻技術(shù)可能會更便宜、更快速、更高效。
美國弗吉尼亞州托馬斯 · 杰斐遜國家加速器設(shè)施退休的高級研究員斯蒂芬 · 本森 ( Stephen Benson ) 曾估計，整個 EUV-LPP 系統(tǒng)的電光轉(zhuǎn)換效率可能不到 0.1%。他說，像 KEK 正在開發(fā)的這種自由電子激光器，其效率可能是前者的 10 到 100 倍。
據(jù)介紹，KEK 正在開發(fā)的系統(tǒng)通過將電子加速到相對論速度，然后以特定方式偏離其運動來產(chǎn)生光。如他們所說，這個過程始于電子槍將電子束注入一根數(shù)米長的低溫冷卻管。在這個管子里，超導(dǎo)體發(fā)出射頻 ( RF ) 信號，驅(qū)動電子越來越快地移動。然后電子旋轉(zhuǎn) 180 度，進(jìn)入一個叫做波蕩器的結(jié)構(gòu)，這是一系列方向相反的磁鐵。（KEK 系統(tǒng)目前有兩個。）波蕩器迫使高速電子沿正弦路徑運動，這種運動導(dǎo)致電子發(fā)光。
寫在最后
其實現(xiàn)代光刻機(jī)發(fā)展到當(dāng)下，也是經(jīng)過很多技術(shù)探索嘗試才得出現(xiàn)在的結(jié)果。換而言之，當(dāng)前很多解決方案，也許在過去就有過嘗試，但可能受限于當(dāng)時的了解，失敗了。
從 ASML 的分享中我們也明白到，其實繼續(xù)推進(jìn) EUV 光刻，不是不可能，例如在數(shù)值孔徑方面，該公司就正走在從 High NA 到 Hyper NA 的演進(jìn)。未來會有什么新方法，我們也不能預(yù)測。
但可以肯定的是，芯片性能的繼續(xù)提升，應(yīng)該是板上釘釘?shù)?。問題就在于取決于 EUV 光刻，還是其他諸如封裝等技術(shù)了。
