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(shí)候，大家首先想到的是 ASML。誠(chéng)然，作為市場(chǎng)上領(lǐng)先的光刻機(jī)廠商，ASML 在光刻機(jī)方面的實(shí)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(shí)作為全球半導(dǎo)體的發(fā)源地，美國(guó)在 EUV 光刻方面的實(shí)力也不容忽視。雖然沒(méi)有 EUV 光刻機(jī)，但其中關(guān)鍵的組成光源，則是由 ASML 收購(gòu)的美國(guó)公司 Cymer 開(kāi)發(fā)。

進(jìn)入近年來(lái)，隨著美國(guó)想在芯片制造方面獲得更大的成就，他們?cè)?EUV 光刻上，也有了更多的投入。例如來(lái)自美國(guó)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(guó)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(guó)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(gè)也是唯一一個(gè)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(duì)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(zhǎng)期增長(zhǎng)。

為支持該項(xiàng)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(guò)購(gòu)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(guò) 5 萬(wàn)平方英尺的潔凈室空間，將促進(jìn)未來(lái)合作伙伴的發(fā)展，并支持國(guó)家半導(dǎo)體技術(shù)中心、國(guó)家先進(jìn)封裝制造計(jì)劃和國(guó)防部微電子公共項(xiàng)目等新項(xiàng)目。

美國(guó)方面表示，EUV 加速器將專注于開(kāi)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(shí)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(kāi)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(gè) 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(jì) 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(dòng)技術(shù)創(chuàng)新。

3、專門的現(xiàn)場(chǎng) 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(duì)伍的計(jì)劃。

4、通過(guò)在 EUV 加速器內(nèi)和所有 NSTC 設(shè)施內(nèi)營(yíng)造開(kāi)放、協(xié)作的研發(fā)環(huán)境，促進(jìn) NSTC 成員的廣泛參與。

美國(guó)政府表示，獲得 EUV 光刻技術(shù)研發(fā)對(duì)于擴(kuò)大美國(guó)的技術(shù)領(lǐng)先地位、減少原型制作的時(shí)間和成本以及建立和維持半導(dǎo)體勞動(dòng)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(duì) Natcast、NSTC 以及整個(gè)美國(guó)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(guó)開(kāi)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(shí)現(xiàn)更小、更快、更高效芯片批量生產(chǎn)的基石技術(shù)。通過(guò) 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(kāi)辟商業(yè)化途徑，從而提升美國(guó)在未來(lái)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(guò)去幾年的報(bào)道中我們可以看到，來(lái)自美國(guó)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(guó)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(shí)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(dòng)的自由電子激光器 ( FEL：Free Electron Lasers ) 商業(yè)化，以滿足美國(guó)關(guān)鍵的經(jīng)濟(jì)和國(guó)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(jì)量技術(shù)以及其他關(guān)鍵的經(jīng)濟(jì)和國(guó)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(wú)法完全支持 ASML 現(xiàn)有和未來(lái)版本的掃描儀，因?yàn)檫@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(chǎng)開(kāi)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(yùn)營(yíng)成本的同時(shí)，提升半導(dǎo)體晶圓廠的生產(chǎn)能力，并助力美國(guó)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(guó)公司浮出水面。據(jù)介紹，Inversion Semiconductor 的目標(biāo)是利用 " 臺(tái)式 " 粒子加速器來(lái)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?jí)的極高能量，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(jí)。他們希望利用由高功率激光器驅(qū)動(dòng)的等離子體波（ Wakefield）來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。具體而言，就是一項(xiàng)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(gè)過(guò)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(guò)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(jì)，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(shuō)，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(xiàng)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(jì)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(shí)預(yù)訂光束時(shí)間將像預(yù)訂 SpaceX 發(fā)射一樣簡(jiǎn)單——只需使用信用卡即可。

同時(shí)，該公司將開(kāi)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(dòng)的初始 LITH-0 系統(tǒng)演示硅圖案化。

按照 Inversion 的計(jì)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(zhǎng)，下一代目標(biāo)波長(zhǎng)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(shí)實(shí)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(gè)晶圓臺(tái)，因此一個(gè)光源搭配四臺(tái)或八臺(tái)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(huì)

其實(shí)除了美國(guó)以外，日本和歐洲也在探索 EUV 光刻的新機(jī)會(huì)。

例如挪威初創(chuàng)公司 Lace Lithography AS 表示，其正在開(kāi)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(lái)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(shí)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(zhǎng)的光，通過(guò)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(wú)掩模圖案化，其分辨率甚至小于受波長(zhǎng)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(guò)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(xiàng)目來(lái)自一個(gè)由歐盟資助的項(xiàng)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(shí)現(xiàn) 2 納米工藝。歐盟委員會(huì)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(chǎng)。與此同時(shí)，該技術(shù)的性能將由 IMEC 研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和驗(yàn)證。NanoLACE 是歐洲早期的一個(gè)研究項(xiàng)目，于 2024 年 12 月 31 日結(jié)束。該項(xiàng)目于 2019 年啟動(dòng)，已獲得 336 萬(wàn)歐元的資助，其預(yù)算為 365 萬(wàn)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(huì)更便宜、更快速、更高效。

美國(guó)弗吉尼亞州托馬斯 · 杰斐遜國(guó)家加速器設(shè)施退休的高級(jí)研究員斯蒂芬 · 本森 ( Stephen Benson ) 曾估計(jì)，整個(gè) EUV-LPP 系統(tǒng)的電光轉(zhuǎn)換效率可能不到 0.1%。他說(shuō)，像 KEK 正在開(kāi)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(kāi)發(fā)的系統(tǒng)通過(guò)將電子加速到相對(duì)論速度，然后以特定方式偏離其運(yùn)動(dòng)來(lái)產(chǎn)生光。如他們所說(shuō)，這個(gè)過(guò)程始于電子槍將電子束注入一根數(shù)米長(zhǎng)的低溫冷卻管。在這個(gè)管子里，超導(dǎo)體發(fā)出射頻 ( RF ) 信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電子越來(lái)越快地移動(dòng)。然后電子旋轉(zhuǎn) 180 度，進(jìn)入一個(gè)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(gè)。）波蕩器迫使高速電子沿正弦路徑運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致電子發(fā)光。

寫(xiě)在最后

其實(shí)現(xiàn)代光刻機(jī)發(fā)展到當(dāng)下，也是經(jīng)過(guò)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(guò)去就有過(guò)嘗試，但可能受限于當(dāng)時(shí)的了解，失敗了。

從 ASML 的分享中我們也明白到，其實(shí)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(lái)會(huì)有什么新方法，我們也不能預(yù)測(cè)。

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)?。?wèn)題就在于取決于 EUV 光刻，還是其他諸如封裝等技術(shù)了。