密度提升近3倍，高NA EUV光刻機(jī)有何玄機(jī)
電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/周凱揚(yáng)）到了3nm這個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)之后，單靠現(xiàn)有的0.33NA EUV光刻機(jī)就很難維系下去了。為了實(shí)現(xiàn)2nm乃至未來的埃米級(jí)工藝，將晶體管密度推向1000MTr/mm2，全面投入使用高NA EUV光刻機(jī)已經(jīng)勢在必行了。據(jù)了解，一臺(tái)高NA EUV的光刻機(jī)成本就可能達(dá)到3.2億美元，這樣一個(gè)天價(jià)的光刻系統(tǒng)究竟能帶來哪些優(yōu)勢，又存在哪些挑戰(zhàn)呢？
規(guī)模和密度的平衡，我們?yōu)槭裁葱枰?/strong>NA光刻機(jī)？
從今年發(fā)布的不少新品來看，即便工藝沒有太大的變化，芯片的性能仍在穩(wěn)步提升，有的是從架構(gòu)上找到了創(chuàng)新，有的選擇了改善帶寬之類的性能。但我們也都能看出，其中有一部分產(chǎn)品選擇了走大規(guī)模的路線，比如蘋果的M1 Ultra。這種方式雖然增加了功耗，但對于那些對功耗并不敏感的產(chǎn)品來說，似乎也是可行的一種思路，那么我們真的有必要用到更貴的高NA EUV光刻機(jī)進(jìn)一步提升密度嗎？
這個(gè)問題的答案其實(shí)不言而喻了，英特爾、臺(tái)積電等晶圓廠提前預(yù)訂的高NA EUV光刻機(jī)訂單已經(jīng)證明了它的重要性。歸根結(jié)底還是我們的晶體管密度需求仍在不斷攀升，但我們需要明白這個(gè)需求并不是線性增長的。
新世紀(jì)的20年代，很可能成為深度技術(shù)發(fā)展的黃金十年，比如邊緣AI芯片、基于CMOS的NIR/SWIR成像器、光電集成的片上激光雷達(dá)等等。你可以說推動(dòng)工藝發(fā)展最大的功臣是智能手機(jī)芯片，但其他應(yīng)用對高密度的需求同樣不可小覷，因?yàn)檫@對它們來說也就意味著更高的存儲(chǔ)容量和帶寬、更高的算力。
如今的深度學(xué)習(xí)在大規(guī)模模型的爆發(fā)下，所需算力每幾個(gè)月就會(huì)翻一番，但現(xiàn)在能效比已經(jīng)成了優(yōu)先級(jí)更高的指標(biāo)，要想同時(shí)滿足性能和算力的話，主要方法有四種：一是換一種系統(tǒng)級(jí)計(jì)算架構(gòu)，比如DSA架構(gòu)；二是充分利用3D設(shè)計(jì)，也就是我們常說的3D封裝和堆疊技術(shù)；三是從晶體管架構(gòu)上創(chuàng)新，譬如納米管、納米片、CFET和原子溝道等；第四個(gè)則是目前看來最快捷的一條路線，通過光刻技術(shù)的發(fā)展直接提升密度。
高NA光刻機(jī)帶來的優(yōu)勢
固然高NA EUV光刻機(jī)能夠讓我們挺進(jìn)下一工藝節(jié)點(diǎn)，但它帶來的好處并不只是增加晶體管密度。先從技術(shù)價(jià)值上來說，0.55的大數(shù)值孔徑與0.33相比，可以實(shí)現(xiàn)尺寸減小2/5的特征圖形，將密度提升2.9倍。其次，高NA EUV光刻機(jī)帶來了更高的成像對比度，從而極大改善線寬均勻性，在更少的光刻膠劑量下實(shí)現(xiàn)更少的條紋變化。
光刻機(jī)晶體管密度的變化趨勢 / ASML
對于使用光刻機(jī)的晶圓廠來說，以上的優(yōu)勢減少了多重光刻的需要，也減少了光刻膠的劑量使用，從而降低了整體成本。其次，由于工序的簡化，曝光后光刻膠圖形邊緣與設(shè)計(jì)圖形之間的邊緣放置誤差也一并減少了。這也一并導(dǎo)致了掩膜處理周期的減少，極大提高整個(gè)晶圓廠的運(yùn)轉(zhuǎn)效率。
有突破就有挑戰(zhàn)
既然高NA EUV光刻機(jī)有這么多好處，ASML為何還不加快進(jìn)度將其造出來，而是要等到2024年才能出貨呢？答案是目前看來，這類光刻機(jī)的制造和應(yīng)用都面臨著不小的挑戰(zhàn)，以至于在2025年大規(guī)模投入都存在一定阻礙。
0.33NA之后所需的光刻膠厚度 / IMEC
我們先從光刻膠說起，高NA EUV光刻機(jī)需要用到更薄的光刻膠，比如小于20nm，這樣才能維持2：1這一理想的線高寬比。否則因?yàn)楦蟮暮穸?，就?huì)超過這一比例，在曝光階段容易因?yàn)橹匦淖兓l(fā)光刻膠塌陷。除了需要超薄、超高分辨率的光刻膠，還要考慮引入的隨機(jī)效應(yīng)，這種隨機(jī)效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致不必要的失效和特征圖形粗糙度，從而影響到芯片的性能，甚至可能會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)失效。
再者就是高NA EUV光刻機(jī)需要用到的新光掩膜，光掩膜對于芯片的制造來說至關(guān)重要，因?yàn)樗拿靼祬^(qū)域內(nèi)保存著設(shè)備成品所需的設(shè)計(jì)布局信息。隨著特征圖形尺寸的減小，與理想光掩膜之間的偏差對最終晶圓圖案的影響也在增加。
為禍作亂者之一就是光掩膜的3D效應(yīng)，比如EUV中，光線以6°的入射角擊中光掩膜，以此產(chǎn)生的反射可能會(huì)產(chǎn)生屏蔽，從而因?yàn)楣庋谀さ木壒试诰A上產(chǎn)生成像誤差。所以必須開發(fā)新的變形光掩膜技術(shù)及規(guī)范，才能減輕3D效應(yīng)帶來的影響。
小結(jié)
在更高的芯片性能需求下，轉(zhuǎn)向高NA的EUV光刻機(jī)已是必然，這類光刻系統(tǒng)也能徹底釋放現(xiàn)代晶體管結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的潛力，引領(lǐng)我們走向埃米時(shí)代。但我們也不能就此忘記剛引入EUV光刻機(jī)時(shí)的教訓(xùn)，3年后ASML的高NA EUV實(shí)現(xiàn)高密度已經(jīng)是定數(shù)，但良率和產(chǎn)量問題才是這套系統(tǒng)交付后最大的問題。
規(guī)模和密度的平衡，我們?yōu)槭裁葱枰?/strong>NA光刻機(jī)？
從今年發(fā)布的不少新品來看，即便工藝沒有太大的變化，芯片的性能仍在穩(wěn)步提升，有的是從架構(gòu)上找到了創(chuàng)新，有的選擇了改善帶寬之類的性能。但我們也都能看出，其中有一部分產(chǎn)品選擇了走大規(guī)模的路線，比如蘋果的M1 Ultra。這種方式雖然增加了功耗，但對于那些對功耗并不敏感的產(chǎn)品來說，似乎也是可行的一種思路，那么我們真的有必要用到更貴的高NA EUV光刻機(jī)進(jìn)一步提升密度嗎？
這個(gè)問題的答案其實(shí)不言而喻了，英特爾、臺(tái)積電等晶圓廠提前預(yù)訂的高NA EUV光刻機(jī)訂單已經(jīng)證明了它的重要性。歸根結(jié)底還是我們的晶體管密度需求仍在不斷攀升，但我們需要明白這個(gè)需求并不是線性增長的。
新世紀(jì)的20年代，很可能成為深度技術(shù)發(fā)展的黃金十年，比如邊緣AI芯片、基于CMOS的NIR/SWIR成像器、光電集成的片上激光雷達(dá)等等。你可以說推動(dòng)工藝發(fā)展最大的功臣是智能手機(jī)芯片，但其他應(yīng)用對高密度的需求同樣不可小覷，因?yàn)檫@對它們來說也就意味著更高的存儲(chǔ)容量和帶寬、更高的算力。
如今的深度學(xué)習(xí)在大規(guī)模模型的爆發(fā)下，所需算力每幾個(gè)月就會(huì)翻一番，但現(xiàn)在能效比已經(jīng)成了優(yōu)先級(jí)更高的指標(biāo)，要想同時(shí)滿足性能和算力的話，主要方法有四種：一是換一種系統(tǒng)級(jí)計(jì)算架構(gòu)，比如DSA架構(gòu)；二是充分利用3D設(shè)計(jì)，也就是我們常說的3D封裝和堆疊技術(shù)；三是從晶體管架構(gòu)上創(chuàng)新，譬如納米管、納米片、CFET和原子溝道等；第四個(gè)則是目前看來最快捷的一條路線，通過光刻技術(shù)的發(fā)展直接提升密度。
高NA光刻機(jī)帶來的優(yōu)勢
固然高NA EUV光刻機(jī)能夠讓我們挺進(jìn)下一工藝節(jié)點(diǎn)，但它帶來的好處并不只是增加晶體管密度。先從技術(shù)價(jià)值上來說，0.55的大數(shù)值孔徑與0.33相比，可以實(shí)現(xiàn)尺寸減小2/5的特征圖形，將密度提升2.9倍。其次，高NA EUV光刻機(jī)帶來了更高的成像對比度，從而極大改善線寬均勻性，在更少的光刻膠劑量下實(shí)現(xiàn)更少的條紋變化。
光刻機(jī)晶體管密度的變化趨勢 / ASML
對于使用光刻機(jī)的晶圓廠來說，以上的優(yōu)勢減少了多重光刻的需要，也減少了光刻膠的劑量使用，從而降低了整體成本。其次，由于工序的簡化，曝光后光刻膠圖形邊緣與設(shè)計(jì)圖形之間的邊緣放置誤差也一并減少了。這也一并導(dǎo)致了掩膜處理周期的減少，極大提高整個(gè)晶圓廠的運(yùn)轉(zhuǎn)效率。
有突破就有挑戰(zhàn)
既然高NA EUV光刻機(jī)有這么多好處，ASML為何還不加快進(jìn)度將其造出來，而是要等到2024年才能出貨呢？答案是目前看來，這類光刻機(jī)的制造和應(yīng)用都面臨著不小的挑戰(zhàn)，以至于在2025年大規(guī)模投入都存在一定阻礙。
0.33NA之后所需的光刻膠厚度 / IMEC
我們先從光刻膠說起，高NA EUV光刻機(jī)需要用到更薄的光刻膠，比如小于20nm，這樣才能維持2：1這一理想的線高寬比。否則因?yàn)楦蟮暮穸?，就?huì)超過這一比例，在曝光階段容易因?yàn)橹匦淖兓l(fā)光刻膠塌陷。除了需要超薄、超高分辨率的光刻膠，還要考慮引入的隨機(jī)效應(yīng)，這種隨機(jī)效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致不必要的失效和特征圖形粗糙度，從而影響到芯片的性能，甚至可能會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)失效。
再者就是高NA EUV光刻機(jī)需要用到的新光掩膜，光掩膜對于芯片的制造來說至關(guān)重要，因?yàn)樗拿靼祬^(qū)域內(nèi)保存著設(shè)備成品所需的設(shè)計(jì)布局信息。隨著特征圖形尺寸的減小，與理想光掩膜之間的偏差對最終晶圓圖案的影響也在增加。
為禍作亂者之一就是光掩膜的3D效應(yīng)，比如EUV中，光線以6°的入射角擊中光掩膜，以此產(chǎn)生的反射可能會(huì)產(chǎn)生屏蔽，從而因?yàn)楣庋谀さ木壒试诰A上產(chǎn)生成像誤差。所以必須開發(fā)新的變形光掩膜技術(shù)及規(guī)范，才能減輕3D效應(yīng)帶來的影響。
小結(jié)
在更高的芯片性能需求下，轉(zhuǎn)向高NA的EUV光刻機(jī)已是必然，這類光刻系統(tǒng)也能徹底釋放現(xiàn)代晶體管結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的潛力，引領(lǐng)我們走向埃米時(shí)代。但我們也不能就此忘記剛引入EUV光刻機(jī)時(shí)的教訓(xùn)，3年后ASML的高NA EUV實(shí)現(xiàn)高密度已經(jīng)是定數(shù)，但良率和產(chǎn)量問題才是這套系統(tǒng)交付后最大的問題。
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