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

現(xiàn)如今，EUV光刻機(jī)幾乎已經(jīng)成了尖端半導(dǎo)體制造技術(shù)的代名詞，ASML是全球唯一的供應(yīng)商。但即使強(qiáng)如ASML，其上一代產(chǎn)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(jī)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(tǒng)Zyvex Litho 1，分辨率可以達(dá)到0.768nm，大約是兩個硅原子的寬度——這相當(dāng)于不使用EUV光刻機(jī)就突破了1nm極限，因此在業(yè)內(nèi)引起廣泛熱議。

美國的技術(shù)難道比ASML更加先進(jìn)了么？此前美方是向荷蘭施壓，現(xiàn)在是把主動權(quán)進(jìn)一步掌握在自己手里了么？Zyvex Labs真的繞過EUV光刻機(jī)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(jù)官方資料，Zyvex 公司由 Jim Von Ehr 于 1997 年創(chuàng)立，旨在開發(fā)和商業(yè)化原子精密制造 (APM) 技術(shù)，以制造具有原子精密度的產(chǎn)品。如果開發(fā)得當(dāng)，APM 允許靈活制造各種產(chǎn)品，從設(shè)計材料到超級計算機(jī)再到先進(jìn)的醫(yī)療設(shè)備。

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

能實現(xiàn)這樣突破性的成果并非一日之功——據(jù)悉自 2007 年以來， Zyvex Labs 一直在完善STM技術(shù)并改進(jìn)相關(guān)設(shè)備。ZyvexLitho1 結(jié)合了許多商業(yè)STM所不具備的自動化特性和功能，包括：能夠?qū)崿F(xiàn)無失真成像、自適應(yīng)電流反饋回路、自動晶格對準(zhǔn)、數(shù)字矢量光刻、自動化腳本和內(nèi)置計量。以無失真成像為例，Zyvex Labs稱ZyvexLitho1系統(tǒng)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(xiàn)前所未有的光刻精度。

更值得一提的是，這款光刻系統(tǒng)不只是存在于實驗室階段，Zyvex Labs表示其已經(jīng)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(jī)交付周期都已經(jīng)長達(dá)24個月，即使是EUV光刻機(jī)也要18個月左右。

那么，以上種種優(yōu)點就能說明Zyvex Labs彎道超車EUV光刻機(jī)了么？其實不然，這種技術(shù)還有一個非常明顯的缺點，那就是產(chǎn)量很低（ZvyvexLitho1光刻時，500nm的位移，需要200秒的時間），無法大規(guī)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(tǒng)會在量子技術(shù)中將會發(fā)揮最大的作用。從這個角度來看，指望該系統(tǒng)取代EUV光刻機(jī)并不現(xiàn)實。

光刻機(jī)龍頭ASML地位頻遭挑戰(zhàn)

Zyvex Litho 1新光刻系統(tǒng)的發(fā)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(xiàn)狀，畢竟大家都想把核心技術(shù)掌握在自己手里，同時光刻機(jī)產(chǎn)品的利潤也令人垂涎。此前，ASML發(fā)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(jìn)的EUV（極紫外）光刻機(jī)吹響了突圍的號角。為了研發(fā)出超過EUV的光刻機(jī)，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(lián)硅谷中心之稱、以微電子專業(yè)見長的俄羅斯莫斯科電子技術(shù)學(xué)院 （MIET）來負(fù)責(zé)。

俄羅斯計劃選擇不同于ASML的極紫光技術(shù)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(jī)的架構(gòu)及技術(shù)很復(fù)雜，但決定光刻機(jī)分辨率的主要因素只有三點，包括常數(shù)K、光源波長和物鏡的數(shù)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(chǎn)的成本和方式來看，EUV光刻機(jī)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(qiáng)，用普通透鏡無法進(jìn)行放大和縮小，因此也就無法實現(xiàn)投影光刻，而是采用直寫光刻的方式。這樣一來，光刻機(jī)也就不需要光掩膜板，可以節(jié)省一大筆成本。

正是因為X射線光刻機(jī)的這兩點優(yōu)勢，當(dāng)?shù)孛襟w甚至宣傳這將是全球都沒有的光刻機(jī)，ASML也做不到。

先進(jìn)制程爭奪戰(zhàn)已經(jīng)打響

對于1nm以下制程的探索也說明了先進(jìn)制程對于芯片制造商的吸引力——能購置更先進(jìn)的光刻機(jī)，就能生產(chǎn)性能更好的產(chǎn)品，并在市場上占據(jù)領(lǐng)先地位。在當(dāng)下的半導(dǎo)體先進(jìn)制程領(lǐng)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(jié)點。

2019年，臺積電率先開始了2nm制程技術(shù)的研發(fā)工作，相應(yīng)的技術(shù)開發(fā)中心和晶圓廠主要設(shè)在中國臺灣的新竹，同時還規(guī)劃了4座超大型晶圓廠。同年，臺積電成立了2nm專案研發(fā)團(tuán)隊，尋找可行路徑進(jìn)行開發(fā)。在考量成本、設(shè)備相容、技術(shù)成熟及效能表現(xiàn)等多項條件后，決定采用以GAAFET為基礎(chǔ)的MBCFET（Multi-Bridge Channel FET）架構(gòu)，解決FinFET因制程微縮產(chǎn)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(shù)論壇上，官宣將推出下一代先進(jìn)制程N2，也就是2nm制程，預(yù)計2025量產(chǎn)。外界預(yù)測，在ASML高數(shù)值孔徑EUV光刻機(jī)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(wù)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(dá)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(jīng)宣布成功量產(chǎn)3nm制程工藝，成為行業(yè)內(nèi)首個量產(chǎn)3nm制程的廠商，性能平均提升20%，功耗也將降低35%。據(jù)悉在3nm制程之后，三星將迎來2nm制程工藝，預(yù)計在2025年正式量產(chǎn)。

再來看英特爾，其在大踏步進(jìn)軍芯片代工業(yè)務(wù)后對包括2納米在內(nèi)的先進(jìn)工藝制程進(jìn)行了大手筆投入。2021年7月，英特爾公布了最新的技術(shù)路線，還對芯片制程工藝命名進(jìn)行了修改。比如，英特爾將10納米工藝節(jié)點改名為Intel 7，7納米技術(shù)改為Intel 4，5納米技術(shù)改成Intel 3，2納米技術(shù)改成Intel20A。值得一提的是，在2nm節(jié)點時，英特爾將FinFET工藝轉(zhuǎn)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(guī)劃的發(fā)展路線圖，預(yù)計2028年可實現(xiàn)1nm工藝量產(chǎn)。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(jìn)行1nm制程工藝的研發(fā)。

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