極紫外光刻新技術(shù)問(wèn)世，大幅降本增效

極紫外線光刻機(jī)（Extreme Ultra-violet），又通常被稱為 EUV 光刻機(jī)，它以波長(zhǎng)為 10~14 納米的極紫外光作為光源的光刻技術(shù)，該設(shè)備當(dāng)前可被應(yīng)用于 14 納米及以下的先進(jìn)制程芯片的制造。

極紫外線光刻機(jī)是芯片生產(chǎn)工具，是生產(chǎn)大規(guī)模集成電路的核心設(shè)備，對(duì)芯片工藝有著決定性的影響。小于 5 納米的芯片晶圓，只能用 EUV 光刻機(jī)生產(chǎn)。

據(jù)日本沖繩科學(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)（OIST）官網(wǎng)最新報(bào)告，該校設(shè)計(jì)了一種極紫外（EUV）光刻技術(shù)，超越了半導(dǎo)體制造業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)界限。基于此設(shè)計(jì)的光刻設(shè)備可采用更小的 EUV 光源，其功耗還不到傳統(tǒng) EUV 光刻機(jī)的十分之一，從而降低成本并大幅提高機(jī)器的可靠性和使用壽命。

在傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)中，例如照相機(jī)、望遠(yuǎn)鏡和傳統(tǒng)的紫外線光刻技術(shù)，光圈和透鏡等光學(xué)元件以軸對(duì)稱方式排列在一條直線上。這種方法并不適用于 EUV 射線，因?yàn)樗鼈兊牟ㄩL(zhǎng)極短，大多數(shù)會(huì)被材料吸收。因此，EUV 光使用月牙形鏡子引導(dǎo)。但這又會(huì)導(dǎo)致光線偏離中心軸，從而犧牲重要的光學(xué)特性并降低系統(tǒng)的整體性能。

為解決這一問(wèn)題，新光刻技術(shù)通過(guò)將兩個(gè)具有微小中心孔的軸對(duì)稱鏡子排列在一條直線上來(lái)實(shí)現(xiàn)其光學(xué)特性。

由于 EUV 吸收率極高，每次鏡子反射，能量就會(huì)減弱 40%。按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，只有大約 1% 的 EUV 光源能量通過(guò) 10 面反射鏡最終到達(dá)晶圓，這意味著需要非常高的 EUV 光輸出。

相比之下，將 EUV 光源到晶圓的反射鏡數(shù)量限制為總共 4 面，就能有超過(guò) 10% 的能量可以穿透到晶圓，顯著降低了功耗。

新 EUV 光刻技術(shù)的核心投影儀能將光掩模圖像轉(zhuǎn)移到硅片上，它由兩個(gè)反射鏡組成，就像天文望遠(yuǎn)鏡一樣。團(tuán)隊(duì)稱，這種配置簡(jiǎn)單得令人難以想象，因?yàn)閭鹘y(tǒng)投影儀至少需要 6 個(gè)反射鏡。但這是通過(guò)重新思考光學(xué)像差校正理論而實(shí)現(xiàn)的，其性能已通過(guò)光學(xué)模擬軟件驗(yàn)證，可保證滿足先進(jìn)半導(dǎo)體的生產(chǎn)。團(tuán)隊(duì)為此設(shè)計(jì)一種名為「雙線場(chǎng)」的新型照明光學(xué)方法，該方法使用 EUV 光從正面照射平面鏡光掩模，卻不會(huì)干擾光路。

今年 5 月，臺(tái)積電也曾表示 A16 先進(jìn)制程節(jié)點(diǎn)不一定需要 ASML 最新的先進(jìn)芯片制造設(shè)備高數(shù)值孔徑極紫外光曝光機(jī)（High-NA EUV），原因是太貴了。據(jù)悉，這一部機(jī)器要價(jià) 3.8 億美元。

臺(tái)積電業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)資深副總經(jīng)理暨副共同營(yíng)運(yùn)長(zhǎng)張曉強(qiáng)表示：「價(jià)格非常高昂。我喜歡 High-NA EUV 的能力，但我不喜歡它的標(biāo)價(jià)?！?/p>

據(jù)悉，ASML 的這款新設(shè)備能夠用僅僅 8 納米寬的線條壓印半導(dǎo)體，相較下，前一代機(jī)器的線條寬度則高出 1.7 倍。

售價(jià)方面，這款 EUV 一部售價(jià)達(dá)到 3.5 億歐元（3.8 億美元），重量等同于兩臺(tái)空巴 A320 客機(jī)。

ASML 是唯一生產(chǎn)用來(lái)生產(chǎn)最復(fù)雜半導(dǎo)體所需設(shè)備的廠商，ASML 產(chǎn)品的需求是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)景氣的晴雨表。

英特爾已經(jīng)采購(gòu)了 ASML 這款最新的 High-NA EUV 設(shè)備，而且在去年 12 月底，第一臺(tái)設(shè)備就已運(yùn)往英特爾奧勒岡廠。

張曉強(qiáng)說(shuō)，臺(tái)積電所謂 A16 先進(jìn)制程節(jié)點(diǎn)（預(yù)定 2026 年稍晚量產(chǎn)）不一定需要使用 ASML 的 High NA EUV 設(shè)備，而且可以繼續(xù)仰賴臺(tái)積電已有的較舊款 EUV 設(shè)備，「我認(rèn)為目前，我們現(xiàn)有的 EUV 能力應(yīng)該有辦法支援了」。

使用新的 ASML 技術(shù)，將取決于它在何處最具經(jīng)濟(jì)效益，以及「我們能夠達(dá)成的技術(shù)平衡」。他不愿透露臺(tái)積電何時(shí)將從 ASML 采購(gòu) High-NA EUV。

制造先進(jìn)導(dǎo)體正面臨成本上升、技術(shù)更加復(fù)雜的局面。英特爾面臨的挑戰(zhàn)尤多，還大力推動(dòng)進(jìn)軍晶圓代工市場(chǎng)，想切入臺(tái)積電稱霸的晶圓代工市場(chǎng)。

據(jù)悉，英特爾已經(jīng)獲得了 ASML 在明年上半年制造的大部分高數(shù)值孔徑 (NA) 極紫外 (EUV) 光刻設(shè)備。

ASML 今年計(jì)劃生產(chǎn) 5 臺(tái)高 NA EUV 光刻設(shè)備，而這些設(shè)備將全部供應(yīng)給英特爾。他們表示，ASML 每年生產(chǎn)高數(shù)值孔徑（NA）EUV 設(shè)備的能力約為 5-6 臺(tái)，由此可見(jiàn)英特爾已經(jīng)獲得了計(jì)劃在 2024 年生產(chǎn)的全部 5 臺(tái)設(shè)備——每臺(tái)單位的成本約為 3.7 億美元，這凸顯了英特爾在先進(jìn)制造技術(shù)上的巨大投資。

與此同時(shí)，英特爾的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手如三星和 SK 海力士則必須等到 2025 年下半年才能獲得此類設(shè)備。他們還表示，這家美國(guó)芯片制造商在宣布重新進(jìn)入芯片代工或代工芯片生產(chǎn)業(yè)務(wù)時(shí)，搶先購(gòu)買了這些設(shè)備。

張曉強(qiáng)表示，營(yíng)運(yùn)晶圓廠的成本，包括營(yíng)建、工具、電力和原物料「持續(xù)上漲」「這是整個(gè)產(chǎn)業(yè)面臨的集體挑戰(zhàn)。」