近日，全球最大的光刻機(jī)設(shè)備供應(yīng)商荷蘭阿斯麥（ASML）的首席技術(shù)官M(fèi)artin van den Brink表示，目前ASML正在有序地推行著此前制定的路線圖，之后EUV技術(shù)將升級(jí)為High-NA EUV技術(shù)。準(zhǔn)備在明年，向客戶交付首臺(tái)High-NA EUV光刻機(jī)。但對(duì)于High-NA技術(shù)之后的Hyper-NA，Martin van den Brink對(duì)其持懷疑態(tài)度，因?yàn)榧夹g(shù)難度的大幅提升，導(dǎo)致其制造和使用成本都高得驚人，且不一定能真正投入生產(chǎn)。受此約束，Martin van den Brink指出：“High-NA技術(shù)很可能將成為EUV光刻技術(shù)的終點(diǎn)，半導(dǎo)體光刻技術(shù)之路已走到盡頭?！?/p>

新一代High-NA EUV光刻機(jī)將于明年交付

長(zhǎng)久以來(lái)，EUV光刻機(jī)都是先進(jìn)制程得以延續(xù)的必備設(shè)備，ASML作為全球第一大光刻機(jī)設(shè)備商，同時(shí)也是全球唯一可提供EUV光刻機(jī)的設(shè)備商，來(lái)自各大半導(dǎo)體廠商的訂單早已堆積成山。因此，去年ASML就已經(jīng)提高了兩次生產(chǎn)目標(biāo)，希望到2025年，其年出貨量能達(dá)到約600臺(tái)DUV（深紫外光）光刻機(jī)以及90臺(tái)EUV（極紫外光）光刻機(jī)。所以，在市調(diào)機(jī)構(gòu)CINNO Research發(fā)布的2022年上半年全球上市公司半導(dǎo)體設(shè)備業(yè)務(wù)營(yíng)收排名Top10報(bào)告中，ASML排名第二。

EUV光刻技術(shù)方面，按照ASML此前制定的路線圖，之后EUV技術(shù)將升級(jí)為High-NA EUV技術(shù)。據(jù)Martin van den Brink介紹，開發(fā)High-NA EUV技術(shù)的最大挑戰(zhàn)在于，為EUV光學(xué)器件構(gòu)建計(jì)量工具，所配備的反射鏡尺寸為前一代的兩倍，需要將其平整度控制在20皮米以內(nèi)。此外，還需要在一個(gè)“可以容納半個(gè)公司”的真空容器內(nèi)進(jìn)行驗(yàn)證，該容器位于蔡司公司，ASML預(yù)計(jì)將于明年拿到第一個(gè)鏡頭。

相較于配備了0.33數(shù)值孔徑透鏡的EUV系統(tǒng)，High-NA EUV光刻系統(tǒng)將提供0.55數(shù)值孔徑，精度將更高，可以實(shí)現(xiàn)更高分辨率的圖案化，以及更小的晶體管特征。預(yù)計(jì)明年，ASML將向客戶交付首臺(tái)High-NA EUV光刻機(jī),交付后，EUV光刻機(jī)將不再是最先進(jìn)的設(shè)備，理論上就能夠?qū)崿F(xiàn)自由出貨。

臺(tái)積電負(fù)責(zé)研發(fā)和技術(shù)的高級(jí)副總裁Y.J. Mii博士此前透露，臺(tái)積電將在2024年購(gòu)買ASML的High-NA EUV光刻機(jī)，目標(biāo)是在2025年量產(chǎn)2納米制程工藝。

英特爾同樣也已下單，誰(shuí)將拿到第一臺(tái)High-NA EUV光刻機(jī)還是個(gè)懸念。

售價(jià)和耗電量將進(jìn)一步提升，企業(yè)不堪重負(fù)

雖然High-NA EUV光刻機(jī)的強(qiáng)大性能，可以將先進(jìn)制程推往下一階段，但其帶來(lái)的成本需求將更大。

首先，就是售價(jià)，全新一代High NA EUV光刻機(jī)的售價(jià)預(yù)計(jì)將會(huì)超過(guò)3億美元，是傳統(tǒng)EUV光刻機(jī)售價(jià)的三倍左右，這意味著臺(tái)積電等各大廠商的設(shè)備成本將再次提升。

其次是耗電量，EUV光刻機(jī)本就是耗電大戶，而由于High-NA EUV光刻機(jī)對(duì)于光源的需求大幅提升，耗電量也將從1.5兆瓦提升到2兆瓦。此外還需要使用水冷銅線為其供電。

臺(tái)積電目前已經(jīng)安裝了超80臺(tái)EUV光刻機(jī)，此前就因不堪電費(fèi)的重負(fù)，已經(jīng)關(guān)閉了4臺(tái)EUV光刻機(jī)。還計(jì)劃將在2023年上調(diào)先進(jìn)工藝的代工價(jià)格，減輕財(cái)務(wù)負(fù)擔(dān)。

這也是Martin van den Brink不看好再下一代EUV光刻技術(shù)——Hyper-NA EUV光刻技術(shù)的根本原因，雖然理論上，Hyper-NA EUV光刻可以提供0.75左右的數(shù)值孔徑，但因其技術(shù)難度將大幅提升，導(dǎo)致其制造和使用成本都高得驚人，且不一定能真正投入生產(chǎn)，性價(jià)比基本沒(méi)有。

所以受此約束，Martin van den Brink更是大膽預(yù)測(cè)：“如果成本限制解決不了，High-NA技術(shù)很可能將成為EUV光刻技術(shù)的終點(diǎn)，半導(dǎo)體光刻技術(shù)之路就將走到盡頭。”

北京半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)副秘書長(zhǎng)朱晶表示，未來(lái)更先進(jìn)的制程工藝很可能沒(méi)有大規(guī)模的增量市場(chǎng)進(jìn)行支撐了，像是手機(jī)，PC和數(shù)據(jù)中心等市場(chǎng)的增量規(guī)模，都已經(jīng)無(wú)法支撐Hyper-NA EUV光刻機(jī)的巨量研發(fā)投入，另外能源消耗量也無(wú)法承擔(dān)，除非元宇宙，區(qū)塊鏈這些新場(chǎng)景的滲透率快速提升，對(duì)先進(jìn)工藝的需求增量快速增加，不然，High-NA光刻技術(shù)就將是EUV光刻的結(jié)局了。

EUV光刻統(tǒng)治地位不保，新技術(shù)更具潛力

隨著EUV光刻機(jī)所暴露的問(wèn)題越來(lái)越多，更多的企業(yè)和大學(xué)都在想方設(shè)法繞道而行，目前已經(jīng)有多項(xiàng)技術(shù)脫穎而出。

9月21日，美國(guó)原子級(jí)精密制造工具的納米技術(shù)公司Zyvex Labs發(fā)布公告，已推出世界上最高分辨率的光刻系統(tǒng)“ZyvexLitho1“，其基于STM掃描隧道顯微鏡，使用的是EBL電子束光刻方式，可以制造出0.7納米線寬的芯片，相當(dāng)于2個(gè)硅原子的寬度，是當(dāng)前制造精度最高的光刻系統(tǒng)。

據(jù)悉，ZyvexLitho1光刻系統(tǒng)的高精度光刻可以用于實(shí)驗(yàn)室階段高端制程工藝的產(chǎn)品研發(fā)，是傳統(tǒng)芯片制造所需光刻機(jī)的一個(gè)應(yīng)用補(bǔ)充，主要可用于制造對(duì)于精度有較高要求的量子計(jì)算機(jī)的相關(guān)芯片，例如高精度的固態(tài)量子器件、納米器件及材料，對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也具有巨大的促進(jìn)作用。目前，Zyvex Labs已經(jīng)開始接受訂單，6個(gè)月內(nèi)就可出貨。

對(duì)于這個(gè)新型光刻系統(tǒng)是否會(huì)威脅到EUV光刻的統(tǒng)治地位，賽迪顧問(wèn)集成電路產(chǎn)業(yè)研究中心一級(jí)咨詢專家池憲念表示：“短期內(nèi)并不會(huì)“。池憲念認(rèn)為ZyvexLitho1是一種使用電子束曝光作為光刻方式的設(shè)備，與傳統(tǒng)光刻機(jī)工作原理會(huì)有明顯的差異。它是通過(guò)電子束改變光刻膠的溶解度，最后選擇性地去除曝光或未曝光區(qū)域。它的優(yōu)勢(shì)在于可以繪制10納米以下分辨率的自定義圖案，是屬于無(wú)掩模光刻直接寫入的工作方式，精度遠(yuǎn)高于目前的傳統(tǒng)光刻機(jī)。但是由于這類型設(shè)備的單個(gè)產(chǎn)品光刻的工作時(shí)間要在幾小時(shí)到十幾小時(shí)不等，工作效率方面還需進(jìn)一步提高，因此不會(huì)快速取代EUV光刻機(jī)。

此外還有多電子束直寫光刻機(jī)（MEB）、定向自組裝技術(shù)（DSA）以及納米壓印技術(shù)（NIL）等技術(shù)。其中，MEB被廣泛應(yīng)用于掩膜的制造，分辨率可達(dá)到2納米，未來(lái)將被用于在晶圓上直接刻畫圖形而不借助掩膜版。DSA則利用兩種聚合物材料的定向生長(zhǎng)進(jìn)行加工，對(duì)于材料的控制要求高，生長(zhǎng)缺陷大，目前還不能真正用于生產(chǎn)，但可兼顧分辨率極高的加工速度需求。

其中NIL技術(shù)也被視為是最佳替代方案。據(jù)了解，NIL技術(shù)（納米壓印微影技術(shù)）是在一個(gè)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。由于沒(méi)有鏡頭，NIL技術(shù)比EUV要省錢很多。根據(jù)佳能等廠商發(fā)布的消息，NIL的耗電量可壓低至EUV生產(chǎn)方式的10%，設(shè)備投資也將降低至40%。

日本的半導(dǎo)體廠商鎧俠從2017年就開始與佳能等半導(dǎo)體企業(yè)合作，研發(fā)NIL的量產(chǎn)技術(shù)。目前已成功掌握15納米量產(chǎn)技術(shù)，目前正在進(jìn)行15納米以下技術(shù)研發(fā)，預(yù)計(jì)2025年達(dá)成，精度可達(dá)5納米。