EUV光刻機都搞不定的0.7nm芯片讓美國造出來了！是真牛還是吹牛？

幾個月前，美國曾向荷蘭施壓，阻撓芯片光刻機生產商ASML向中國出口光刻機——不只是最先進的設備，還包括了上一代采用DUV技術的光刻機，其制造能力最高可以生產7nm制程的芯片。而可以制造5nm及以下制程芯片的EUV光刻機，早在兩年前就因為美國的施壓而無法進口。

現如今，EUV光刻機幾乎已經成了尖端半導體制造技術的代名詞，ASML是全球唯一的供應商。但即使強如ASML，其上一代產品極限制程也只能做到2nm，到2024年或2025年交付的全新一代High－NA極紫外光刻機才可能突破2nm以下的制程，1nm以下可謂難如登天。

然而，就在近日，一家名為Zyvex Labs的美國公司卻突然宣布推出亞納米分辨率的光刻系統Zyvex Litho 1，分辨率可以達到0.768nm，大約是兩個硅原子的寬度——這相當于不使用EUV光刻機就突破了1nm極限，因此在業內引起廣泛熱議。

美國的技術難道比ASML更加先進了么？此前美方是向荷蘭施壓，現在是把主動權進一步掌握在自己手里了么？Zyvex Labs真的繞過EUV光刻機彎道突圍了么？本文將一探究竟。

如何另辟蹊徑突破1nm極限？

根據官方資料，Zyvex 公司由 Jim Von Ehr 于 1997 年創立，旨在開發和商業化原子精密制造 (APM) 技術，以制造具有原子精密度的產品。如果開發得當，APM 允許靈活制造各種產品，從設計材料到超級計算機再到先進的醫療設備。

Zyvex推出的光刻系統名為ZyvexLitho1，之所以能實現比EUV光刻機更高的精度，是因為其基于掃描隧道顯微鏡（STM）技術，使用EBL電子束光刻方式制造出了0.7nm線寬的芯片，是當前制造精度最高的光刻系統。電子束光刻機技術的工作原理，簡單說就是通過非傳統的氫去鈍化光刻技術，在Si(100) 2×1二聚體列重建表面去除氫原子，從而實現了比傳統的EBL技術更高的分辨率和精確度。

能實現這樣突破性的成果并非一日之功——據悉自 2007 年以來， Zyvex Labs 一直在完善STM技術并改進相關設備。ZyvexLitho1 結合了許多商業STM所不具備的自動化特性和功能，包括：能夠實現無失真成像、自適應電流反饋回路、自動晶格對準、數字矢量光刻、自動化腳本和內置計量。以無失真成像為例，Zyvex Labs稱ZyvexLitho1系統擁有專有的蠕變和滯后位置校正算法，支持無失真成像和原子級精確的尖端定位，以實現前所未有的光刻精度。

更值得一提的是，這款光刻系統不只是存在于實驗室階段，Zyvex Labs表示其已經開始接受Zyvex Litho 1的訂單，交付周期約為6個月。要知道目前ASML的ArF光刻機交付周期都已經長達24個月，即使是EUV光刻機也要18個月左右。

那么，以上種種優點就能說明Zyvex Labs彎道超車EUV光刻機了么？其實不然，這種技術還有一個非常明顯的缺點，那就是產量很低（ZvyvexLitho1光刻時，500nm的位移，需要200秒的時間），無法大規模制造芯片，只適合制作那些小批量的高精度芯片或者器件，Zyvex Labs自己表示該系統會在量子技術中將會發揮最大的作用。從這個角度來看，指望該系統取代EUV光刻機并不現實。

光刻機龍頭ASML地位頻遭挑戰

Zyvex Litho 1新光刻系統的發布之所以能引起廣泛討論，也是從另一個角度凸顯了芯片屆苦ASML久矣的現狀，畢竟大家都想把核心技術掌握在自己手里，同時光刻機產品的利潤也令人垂涎。此前，ASML發布2021財年最新財報稱，公司2021年凈銷售額為186億歐元，同比增長35%；凈利潤59億歐元，同比增長63.9%。

俄羅斯此前就向最先進的EUV（極紫外）光刻機吹響了突圍的號角。為了研發出超過EUV的光刻機，俄羅斯前期將投資6.7億盧布（約5400萬元人民幣），由有著蘇聯硅谷中心之稱、以微電子專業見長的俄羅斯莫斯科電子技術學院 （MIET）來負責。

俄羅斯計劃選擇不同于ASML的極紫光技術的路線，而是基于X射線的無掩膜式光刻。從光源的選擇來看，一種是極紫外光線，波長在13.5nm，另一種為X射線，波長介于0.01nm至10nm之間。光刻機的架構及技術很復雜，但決定光刻機分辨率的主要因素只有三點，包括常數K、光源波長和物鏡的數值孔徑。波長越短，分辨率就越高。因此，在光源選擇上來看，理論上X射線比EUV極紫外光線更短，分辨率也就更高。

從生產的成本和方式來看，EUV光刻機是特定波長的光透過用來放大的掩膜，再通過透鏡的縮小，將集成電路精確的“投影”在硅片上。而X射線雖然波長更短但穿透性也更強，用普通透鏡無法進行放大和縮小，因此也就無法實現投影光刻，而是采用直寫光刻的方式。這樣一來，光刻機也就不需要光掩膜板，可以節省一大筆成本。

正是因為X射線光刻機的這兩點優勢，當地媒體甚至宣傳這將是全球都沒有的光刻機，ASML也做不到。

先進制程爭奪戰已經打響

對于1nm以下制程的探索也說明了先進制程對于芯片制造商的吸引力——能購置更先進的光刻機，就能生產性能更好的產品，并在市場上占據領先地位。在當下的半導體先進制程領域中，三星、英特爾、臺積電可謂是三足鼎立，各有千秋，焦點主要集中于2nm節點。

2019年，臺積電率先開始了2nm制程技術的研發工作，相應的技術開發中心和晶圓廠主要設在中國臺灣的新竹，同時還規劃了4座超大型晶圓廠。同年，臺積電成立了2nm專案研發團隊，尋找可行路徑進行開發。在考量成本、設備相容、技術成熟及效能表現等多項條件后，決定采用以GAAFET為基礎的MBCFET（Multi-Bridge Channel FET）架構，解決FinFET因制程微縮產生電流控制漏電的物理極限問題。2022年6月16日，臺積電在2022年度北美技術論壇上，官宣將推出下一代先進制程N2，也就是2nm制程，預計2025量產。外界預測，在ASML高數值孔徑EUV光刻機的加持下，臺積電有望成為全球第一家率先提供2納米制程代工服務的晶圓廠。

相比臺積電的制程工藝，三星的制程似乎從7nm開始就日漸落后，尤其是英偉達以及高通這兩個大客戶采用三星的制程工藝之后在能效比上并不盡如人意，但這些都沒有讓三星停下腳步。目前，三星已經宣布成功量產3nm制程工藝，成為行業內首個量產3nm制程的廠商，性能平均提升20%，功耗也將降低35%。據悉在3nm制程之后，三星將迎來2nm制程工藝，預計在2025年正式量產。

再來看英特爾，其在大踏步進軍芯片代工業務后對包括2納米在內的先進工藝制程進行了大手筆投入。2021年7月，英特爾公布了最新的技術路線，還對芯片制程工藝命名進行了修改。比如，英特爾將10納米工藝節點改名為Intel 7，7納米技術改為Intel 4，5納米技術改成Intel 3，2納米技術改成Intel20A。值得一提的是，在2nm節點時，英特爾將FinFET工藝轉為了GAAFET工藝。

至于更精尖的制程——按照IMEC（比利時微電子中心）規劃的發展路線圖，預計2028年可實現1nm工藝量產。目前，臺積電的 1nm 制程仍處于探索階段，除此之外，三星、英特爾和IBM也在進行1nm制程工藝的研發。

面對先進制程，市場一方面在高調喊出補充28nm制程，一方面頭部企業很誠實地給有7nm以下代工廠下單。未來，主攻先進制程和主攻成熟制程的代工廠可能因此分流。