一說起芯片制造，就離不開光刻機。我們都知道光刻機很高端，很昂貴，很難制造，現(xiàn)在還知道它很難買到。那么，光刻機到底是個什么東西？有沒有什么替代方案呢？
EUV，為什么大家都想要？
芯片是通過在硅片上刻畫電路，來實現(xiàn)特殊功能的。光刻機就是這種在硅片上刻畫電路的工具。具體來說，刻畫電路的過程是通過曝光來完成，光刻機就是一種曝光設備。
隨著芯片制程工藝的不斷精細，對光刻機的要求也不斷增加。國內(nèi)并不是沒有光刻機，現(xiàn)有的光刻機使用的半導體材料是氟化氬。而光刻機使用的材料，其波長越短，能夠刻畫的電路就越精細，制程工藝也就越小。氟化氬的光波長有193nm，在某種方式下可以完成7nm制程工藝的電路刻畫，但要想更加精細，就非常困難了。所以，國內(nèi)的芯片廠家7nm以上制程工藝的芯片是可以生產(chǎn)的，但要想繼續(xù)精細制程工藝，就沒有辦法了。這也是為什么中芯國際一直想要采購荷蘭阿斯麥爾（ASML，全稱ASML Holding N.V）生產(chǎn)的光刻機的原因。
說到ASML生產(chǎn)的光刻機，其實它的名字是叫EUV。國內(nèi)很多人把光刻機和EUV等同起來，其實EUV只是光刻機里面的一種。EUV，又叫做極紫外線光刻機，這種光刻機只有ASML能夠生產(chǎn)。
EUV采用的半導體材料波長很短，只有13.5nm，因此可以實現(xiàn)5nm以下的電路刻畫。全球半導體芯片企業(yè)，只要想生產(chǎn)先進制程工藝（7nm以下）的芯片，就必須采購EUV。但是，目前ASML在全球只給三家半導體芯片企業(yè)供貨，那就是臺積電、三星和英特爾。
EUV每年的量產(chǎn)數(shù)量非常少，一年總共也就只能生產(chǎn)十幾臺。主要還是因為EUV的生產(chǎn)難度太大了。一臺EUV設備的重量將近180噸，相當于100輛中型SUV的重量，高度可以達到5米，用到零部件差不多有10萬個。更困難的是，EUV的曝光需要在真空室內(nèi)完成，因此必須保證以0.005℃為單位來控制溫度的變化。此外，EUV的光學系統(tǒng)對污染物尤其敏感，必須對其內(nèi)部進行實時監(jiān)控。所以，即使掌握了所有的技術，生產(chǎn)一臺EUV也并不容易。
今年，ASML的EUV采購數(shù)量有40臺，所有的都是為臺積電、三星和英特爾提供，能不能全部順利交貨，還不好說。EUV也逐漸成為了ASML的主營業(yè)務，營收占比從2019年的31%，上漲到2020年的43%，到今年肯定已經(jīng)超過了50%。
EUV對光學鏡頭要求非常高
EUV采用的半導體材料決定了它可以進行5nm以下的精細刻畫，具備了這個條件，不代表就能實現(xiàn)這個操作，因為它還需要能看到那么精細的部位，這就關乎到到使用的鏡頭和反射鏡。
鏡頭和反射鏡的分辨率直接影響EUV能不能看的清楚的問題。分辨率是與鏡頭像差（NA）成正比的。正是因為鏡頭和反射鏡如此關鍵，ASML才入股了光學鏡頭公司卡爾·蔡司。
現(xiàn)在EUV設備的NA值是0.33，ASML正計劃將下一代EUV的NA值提高到0.55，這就是所謂的高NA。高NA可以更好的減少光失真，是實現(xiàn)更精細化電路刻畫的必要因素。ASML的高NA EUV原型設備有望在2023年推出，這將為ASML搶占未來的高端市場奠定基礎。
無EUV嘗試
EUV的單價非常高，一臺就超過1億美元，關鍵是人家還不一定賣給你。所以，半導體芯片企業(yè)一直在尋找EUV的替代方案。目前，有一定討論價值的是定向自組裝（DSA）技術、等離子激光技術和納米壓印光刻（NIL）技術。
定向自組裝（DSA）技術通過將不同特性的聚合物，合成為一個分子，然后將其涂抹在晶圓上，再經(jīng)過加熱來對晶圓進行刻畫，也可以獲得非常精細的圖案。
定向自組裝光刻（Directed Self-Assembly ，DSA）
等離子激光技術不需要掩模，可以隨意改變芯片的電路圖案，但是它達不到EUV的效果。
納米壓印光刻（NIL）技術是在一個特殊的“印章”上，先刻上納米電路圖案，然后再將電路圖案“壓印”在晶圓上，就像蓋章一樣。目前，NIL被當作一種刻畫32nm以下工藝芯片電路的替代方法。由于NIL沒有鏡頭，相比EUV要更加經(jīng)濟。
總的來說，等離子激光技術效果達不到EUV的水平，DSA的技術方案沒有NIL先進，所以，NIL是一個更加被看好的賽道。
NIL---不止一點像印刷術
為什么說NIL不止一點像印刷術，因為它也是由一位華裔科學家（周郁，Stephen Chou）首次提出來的。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(xiàn)比光刻更高的分辨率，而且它的成本比EUV要低很多。
根據(jù)頂點資訊統(tǒng)計的數(shù)據(jù)，目前，NIL設備使用的年復合增長率馬上將超過20%，預計到2024年，NIL設備的產(chǎn)值將達到1.5億美元左右。
當下，NIL設備的主要應用范圍包括3D傳感器、增強現(xiàn)實和數(shù)據(jù)通訊中的光學元器件。存儲器廠商也發(fā)現(xiàn)了NIL技術的亮點，尤其是在20nm制程工藝以下，成本比光刻機降低了不少。
NIL量產(chǎn)技術問世
經(jīng)過4年的研發(fā)，大日本印刷株式會社（DNP）電子部門、光學相機廠商佳能和存儲器設備廠商鎧俠（Kioxia）相繼推出了NIL量產(chǎn)技術。
目前，Kioxia已經(jīng)將NIL技術應用到了15nm NAND閃存器上，并有望在2025年推出應用NIL技術的5nm芯片。Kioxia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(fā)成本比EUV降低了60%。
不過，業(yè)內(nèi)人士也表示，NIL技術的確可以應用到5nm制程工藝，但可能更適合3D堆疊的NAND芯片，能夠推而廣之還有待市場驗證。
好消息是，佳能正在嘗試將NIL技術應用到DRAM和CPU等邏輯芯片上。未來的發(fā)展如何，我們拭目以待。
鄂公網(wǎng)安備 42011502001385號 鄂ICP備2021012849號 
