對支持一切 AI 的先進節(jié)點芯片的需求迅速增長，這給該行業(yè)滿足需求的能力帶來了壓力。

從為大型語言模型提供支持的超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心，到智能手機、物聯(lián)網(wǎng)設備和自主系統(tǒng)中的邊緣 AI，對尖端半導體的需求正在加速。但制造這些芯片在很大程度上依賴于極紫外 （EUV） 光刻技術，這已成為擴大生產(chǎn)規(guī)模的最大障礙之一。自 2019 年第一批商用 EUV 芯片下線以來，設備、掩模生成和光刻膠技術的穩(wěn)步改進使該技術穩(wěn)定下來。但是，雖然良率正在提高，但它們?nèi)匀宦浜笥诟墒斓墓饪碳夹g。

工藝穩(wěn)定性需要時刻保持警惕和微調(diào)。就 EUV 而言，它還需要在發(fā)電、設備和耗材方面進行大量投資。今天，這些成本仍然是廣泛采用的障礙。但該行業(yè)并沒有停滯不前。密集的研發(fā)工作正在進行中，從新型光刻膠材料和更堅固的光源到先進的掩模寫入器和復雜的 AI 驅動過程控制，無所不包。

“晶圓廠的生產(chǎn)力取決于多種因素——吞吐量、工藝效率和準確的模型傳輸，”Irresistible Materials 首席執(zhí)行官 Dinesh Bettadapur 說。“減少曝光劑量、提高光刻膠敏感性和最大限度地減少缺陷都是使 EUV 在規(guī)模上更具成本效益的關鍵因素?！?/p>

AI 需求曲線轉向垂直
對先進節(jié)點半導體的需求不斷增長正在重塑該行業(yè)。AI 工作負載、高帶寬內(nèi)存 （HBM） 以及下一代移動和計算設備都在推動向更精細的工藝節(jié)點轉變。每次迭代都需要使用 EUV 的更復雜的制造技術，高 NA EUV 成為 1.8nm 及以下大批量生產(chǎn)的唯一可行途徑。

AI 加速器、大規(guī)模 GPU 和高性能 CPU 需要越來越小的晶體管，以最大限度地提高功率效率和計算密度。Nvidia、AMD 和 Intel 的領先 AI 芯片已經(jīng)依賴于 EUV 制造的 5nm 和 3nm 工藝節(jié)點，向 2nm 全環(huán)繞柵極 （GAA） 晶體管的轉變將進一步增加對 EUV 功能的需求。

HBM 生產(chǎn)的某些方面也是如此，三星、美光和 SK 海力士正在選擇性地部署 EUV，主要用于邏輯和外圍電路，而不是存儲單元陣列本身。雖然 EUV 有助于提高 HBM 堆棧的密度和圖形化精度，但深紫外 （DUV） 光刻技術仍然是內(nèi)核存儲器層的主要優(yōu)勢。然而，隨著 AI 工作負載的擴展，對超高帶寬內(nèi)存的需求將擴大以匹配，這使得支持 EUV 的 HBM 組件變得越來越重要。

“如果你要制造晶體管數(shù)量非常多的器件，那么你就要用盡可能小的特征來做，”HJL Lithography 的首席平版印刷師 Harry Levinson 說?！癊UV 市場將是晶體管數(shù)量最多的芯片。當然，被認為是'高'的標準會隨著時間的推移而變化，但 AI 加速器、GPU 和移動處理器今天都在突破這些極限。

除了 AI 和 HBM 之外，用于 5G、自主系統(tǒng)和邊緣計算的下一代邏輯器件也將需要 EUV 在某些關鍵層的分辨率優(yōu)勢。根本挑戰(zhàn)在于，雖然對 AI 芯片的需求呈指數(shù)級增長，但能夠生產(chǎn)基于 EUV 的芯片的晶圓廠數(shù)量仍然有限。

如今，只有五家半導體制造商在大批量生產(chǎn)中使用 EUV，即 TSMC、Samsung、Intel、SK hynix 和 Micron。這些公司共同生產(chǎn)所有 5nm 邏輯和存儲器件，將 EUV 能力集中在少數(shù)公司內(nèi)。

日本的 Rapidus 現(xiàn)在正在成為該市場的第六家參與者。該財團由八名成員組成，包括豐田、索尼、三菱日聯(lián)銀行、NTT、電裝、鎧俠、NEC 和軟銀，在其位于日本北海道的 IIM-1 工廠安裝了 ASML 的 NXE：3800E EUV 掃描儀，并計劃于 2027 年開始大批量生產(chǎn)。

盡管如此，EUV 的機會仍然有限?！罢嬲膯栴}不是 EUV 是否有效——它確實有效，”Synopsys 首席工程師 Larry Melvin 說?！疤魬?zhàn)在于，最大參與者以外的晶圓廠能否證明成本的合理性。掩模技術、光刻膠化學和掃描儀效率的每一次改進都會有所幫助，但如果不從根本上減少設備和運營費用，EUV 將仍然僅限于少數(shù)人。

對先進節(jié)點芯片不斷增長的需求已經(jīng)超過了 EUV 的產(chǎn)能，而 ASML 正在努力跟上訂單。臺積電在亞利桑那州的晶圓廠、英特爾在美國和愛爾蘭的擴張以及三星在德克薩斯州的代工項目都需要更多的 EUV 產(chǎn)能，以滿足其今明兩年的大批量制造目標。這些擴張將進一步加劇供需差距。

預計 AI 芯片市場在未來 5 到 7 年內(nèi)將增長到目前規(guī)模的至少 10 倍。[1,2,3] 臺積電的 2nm 工藝訂單已經(jīng)積壓，將持續(xù)到 2026 年。[4]

EUV 設備瓶頸
ASML 是 EUV 掃描儀的唯一供應商，一直在競相滿足需求，但多年的積壓繼續(xù)限制了新 EUV 生產(chǎn)線的擴張。該公司最先進的工具，如 NXE：3800E 和即將推出的 EXE：5000 高數(shù)值孔徑系統(tǒng)，已經(jīng)提前數(shù)年分配給領先的半導體制造商。隨著對 AI 芯片、HBM 和高級移動處理器的需求呈指數(shù)級增長，現(xiàn)有的 EUV 生產(chǎn)線面臨著提高吞吐量、良率和整體效率的巨大壓力，以彌補該行業(yè)受限的擴展能力。

政府支持的研究中心正在介入，幫助彌合差距。比利時的 imec 和紐約州奧爾巴尼的 CHIPS 法案資助的 EUV 加速器等設施專注于推動 EUV 掩模技術、工藝控制和光刻膠化學向前發(fā)展，以提高良率并降低每片晶圓的成本。Imec 在測試和驗證下一代掩模材料方面發(fā)揮了核心作用，這些材料可以提高特征分辨率，同時減少隨機缺陷。

EUV 加速器由 8.25 億美元的聯(lián)邦投資支持，正在美國采取類似的方法，提供尖端 EUV 工具和研究平臺，以加速可制造性和行業(yè)采用。這些努力，結合私營部門的研發(fā)，正在針對繼續(xù)使 EUV 成為昂貴且復雜過程的關鍵技術障礙。

由于訪問和成本限制了 EUV 訪問，許多運營在領先優(yōu)勢以下的晶圓廠正在轉向創(chuàng)造性的光刻策略以保持競爭力?；旌瞎饪碳夹g — EUV 僅用于最關鍵的層，而 193nm ArF、ArF 浸沒式和 KrF （248nm） 掃描儀處理要求較低的特征 — 已成為標準。多種圖形化技術，例如雙重和四重圖形化，已經(jīng)將 DUV 的范圍擴展到了其初始功能之外，使晶圓廠能夠生產(chǎn)更小的特征尺寸，而無需進行 EUV 投資。此外，一些公司正在探索針對特定層的納米壓印光刻 （NIL） 和自組裝圖案化，這些技術可以提供成本或分辨率優(yōu)勢。

Levinson 表示：“盡管先進節(jié)點的關鍵層廣泛采用 EUV 光刻技術，但 248nm 和 193nm 光刻技術繼續(xù)被廣泛使用，甚至在前沿，用于非關鍵邏輯層、NAND 閃存以及通過多重圖形化的一些緊間距層?！肮に嚳刂坪脱谀＜夹g的創(chuàng)新使 DUV 仍然是許多層的可行選擇，為晶圓廠提供了一種經(jīng)濟高效的方式來擴展現(xiàn)有工具，而不是將所有內(nèi)容都過渡到 EUV?！?/p>

展望未來，EUV 和高 NA EUV 無疑將推動先進節(jié)點半導體制造，但即使 EUV 技術達到需要更廣泛行業(yè)采用的成本和技術改進門檻，替代光刻方法仍將繼續(xù)發(fā)揮關鍵作用。

EUV 光刻技術中最持久的技術挑戰(zhàn)之一是掩模基礎設施。與使用透射掩模的傳統(tǒng)深紫外 （DUV） 光刻技術不同，EUV 掩模是反射性的，這是一個根本性的轉變，引入了許多新的故障模式。即使是微小的缺陷也會使反射光變形，并導致災難性的圖形化失敗，從而推高缺陷率并降低良率。

為了緩解這些問題，研究人員正在改進多光束掩模寫入器、高透明度薄膜，并推動無缺陷掩模坯料的發(fā)展。多束電子束掩模寫入技術已經(jīng)通過減少創(chuàng)建高精度、無缺陷掩模所需的時間而產(chǎn)生了重大影響。傳統(tǒng)的單光束掩模寫入器速度慢且容易出現(xiàn)圖案錯誤，但多光束系統(tǒng)使用數(shù)千個平行電子束來加速生產(chǎn)，同時保持亞納米級精度。

口罩上的保護層 Pellicle 技術也取得了重大改進。早期的 EUV 薄膜非常脆弱，傳輸效率低，降低了掃描儀的生產(chǎn)率。新的碳基薄膜顯著提高了熱穩(wěn)定性和透射率，延長了掩模的使用壽命而不會降解。反過來，這減少了頻繁更換口罩的需求，這是一個昂貴且耗時的過程。此外，它還提高了晶圓間的一致性。

“大部分成本（每個掩模坯約 100,000 美元）是由良率驅動的，”Levinson 說?！爱a(chǎn)量一直在提高，但價格仍然很高，因為毛坯制造商正在大力投資增加制造能力以滿足客戶需求。在某個時候，這將隨著當前的客戶群而飽和。但就目前而言，成本仍然很高。

掩模耐久性、圖形保真度和整體缺陷控制方面的這些進步幫助晶圓廠將 EUV 良率推向更成熟的 DUV 技術，使其更接近平局，但掩模成本仍然是一個沉重的財務負擔。該行業(yè)正在積極努力應對這些經(jīng)濟挑戰(zhàn)以及技術挑戰(zhàn)。

材料進步
光刻膠材料仍然是實現(xiàn) EUV 光刻的高產(chǎn)量和工藝穩(wěn)定性的關鍵挑戰(zhàn)。幾十年來，化學擴增光刻膠 （CAR） 一直是行業(yè)標準，但先進節(jié)點的酸擴散和隨機缺陷限制了它們滿足下一代半導體制造嚴格要求的能力。

“我們正處于一個非常困難的時刻，因為光刻膠分子的大小現(xiàn)在只是特征尺寸的很大一部分，”獨立光刻專家 Harry Levinson 說。“你不能只是把一種化學品換成另一種化學品。應對這一挑戰(zhàn)還需要每平方厘米有更多的光子來對抗光子散粒噪聲，這是一個基本的物理約束。

隨著特征尺寸的進一步縮小，需要新的方法來提高分辨率，降低線邊粗糙度 （LER），并在保持工藝穩(wěn)定性的同時提高靈敏度。但是，這些因素之間的權衡帶來了持續(xù)的工程挑戰(zhàn)。

“同時提供分辨率、線邊緣粗糙度和靈敏度是一項真正的挑戰(zhàn)，”Lam Research 副總裁 Rich Wise 說?！澳?jīng)常會看到結果只關注 2 個，而忽略了 3 個，這可能會降低掃描儀的工作效率?！?/p>

為了克服 CAR 的局限性，該行業(yè)正在探索幾種替代光刻膠平臺。一種選擇是金屬氧化物光刻膠 （MOR），它在 EUV 波長下提供強吸收，并在較低厚度下提供更高的對比度。然而，傳統(tǒng)的 MOR 可能對工藝條件高度敏感，并且需要更高的劑量，從而帶來產(chǎn)量和通量挑戰(zhàn)。

Lam 推出了其 Aether 干式光刻膠技術，該技術使用氣相沉積而不是旋涂來應用 MOR。這增強了過程控制，減少了隨機變異性，提高了光子吸收效率，最終降低了劑量要求，提高了更細間距的圖形化分辨率。

“雖然 EUV 掃描儀的功能、可靠性和數(shù)值孔徑方面取得了令人鼓舞的進步，但光刻膠已成為推進直接打印 EUV 的限制因素，”Wise 在 Semicon Korea 的一次演講中說。“目前的旋涂光刻膠難以滿足先進技術節(jié)點大批量制造 （HVM） 所需的嚴格靈敏度、分辨率和缺陷率要求?！?/p>

另一種方法是由 Irresistible Materials 開發(fā)的多觸發(fā)光刻膠 （MTR） 平臺。MTR 使用的分子比現(xiàn)有聚合物小大約 10 倍，因此可以實現(xiàn)更小的特征尺寸和更高的分辨率。與 CAR 不同，MTR 采用受控催化過程，可最大限度地減少酸擴散，同時保持高光子吸收和靈敏度。

“對 EUV 的要求非常苛刻，以至于沒有一種光刻膠配方或工藝可以完全滿足不同器件類型和層的不同需求，”Bettadapur 說?！肮に嚰嫒菪?、延遲容忍度和線寬粗糙度仍然是需要不斷改進的領域。”

MOR 和 MTR 都有優(yōu)勢，但它們也具有晶圓廠必須解決的獨特工藝敏感性。

“光刻膠類型面臨不同的挑戰(zhàn)，”Brewer Science 的高級技術專家 Douglas Guerrero 說?！皩τ诨瘜W放大的光刻膠，降低焦深 （DOF） 將需要更薄的薄膜。隨著薄膜變薄，對比度將低于當前的光刻膠，同時增加粗糙度。金屬氧化物光刻膠即使在較低的厚度下也具有良好的對比度。它顯示出良好的分辨率能力，但對過程的敏感性是一個控制挑戰(zhàn)。

除了分辨率和 LER 之外，缺陷率仍然是一個關鍵問題，直接影響 EUV 在大批量制造中的生存能力。光刻膠中的微小缺陷也可能導致圖形化失敗、良率損失和成本增加。

“缺陷率是一個需要優(yōu)化和控制的重要參數(shù)，以確保工藝可擴展性和引入設備制造，”Brewer Science 業(yè)務開發(fā)經(jīng)理 Daniel Soden 說?！傲己玫墓饪绦阅苁顷P鍵，但缺陷率需要保持低且穩(wěn)定，以確保高工藝良率并充分實現(xiàn) EUV 光刻的優(yōu)勢?！?/p>

對更低缺陷率的追求推動了材料純化和過濾技術的進步，但隨著底層從 25 至 30nm 收縮到僅 1 至 10nm，聚合物設計和添加劑功能變得比以往任何時候都更加重要。從長遠來看，抵制創(chuàng)新將需要材料科學的根本性轉變。

“我們需要分子水平的控制，”Guerrero 說?！拔覀冋诮咏怀^幾百個分子厚度的薄膜，其中每個原子都很重要并有助于材料的特性。Bulk 行為將不再對整體材料特性產(chǎn)生影響。分子設計和定位需要具有埃級精度。

隨著半導體制造商過渡到高 NA EUV，這些材料限制將變得更加明顯，需要新型光刻膠和底層來突破分子工程的界限。雖然目前沒有單一的光刻膠平臺滿足所有 EUV 要求，但 CAR、MOR、MTR 和干光刻膠的持續(xù)進步代表了解決 EUV 最緊迫材料挑戰(zhàn)的多種途徑。

AI 工藝控制
除了掩模和光刻膠的物理改進外，晶圓廠還越來越依賴 AI 和機器學習來優(yōu)化工藝控制、缺陷檢測和良率提高。Tignis 和 Synopsys 等公司處于集成 AI 驅動型計量工具的最前沿，這些工具可以實時分析過程可變性并校正影響良率的可變性。

“先進光刻技術有 1,000 多個設備和工藝參數(shù)，需要對其進行表征和監(jiān)控以獲得質量結果，”Tignis 解決方案工程總監(jiān) Boyd Finlay 說。“我們的自動化一鍵式關聯(lián)引擎已被證明可以顯示多層變量，因為它們會影響 CD 以及其他感興趣的響應因子。然后，這些復雜的數(shù)據(jù)關系會自動整合到我們的低代碼語言（數(shù)字孿生查詢語言或 DTQL）算法中，這些算法可以安排用于基于 AI 的過程監(jiān)控和控制策略。

這些 AI 驅動的系統(tǒng)使晶圓廠能夠根據(jù)實時數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)整掃描儀參數(shù)，優(yōu)化曝光劑量、對準公差和光刻膠烘烤條件，以減少變化。在數(shù)千個晶圓上訓練的機器學習模型可以識別隨機缺陷的趨勢，并在它們導致代價高昂的良率損失之前提出糾正措施。

Finlay 說：“這加快了 EUV 開發(fā)學習周期，實現(xiàn)了一次成功的圖案化，同時為我們的客戶提供了快速的按需故障排除?！拔覀兊慕鉀Q方案還可以優(yōu)化多步驟工藝，例如光刻和蝕刻，將 AI 的優(yōu)勢擴展到單一工藝之外，以改善疊加錯誤等工藝問題?！?/p>

隨著 EUV 采用的規(guī)模擴大，AI 驅動的過程控制將成為成功最大限度地提高掃描儀吞吐量的晶圓廠與努力應對持續(xù)可變性的晶圓廠之間的關鍵差異化因素。

擴展 EUV
的途徑 EUV 的最大成本驅動因素之一是光源。EUV 光刻技術依靠高能激光源產(chǎn)生波長為 13.5 nm 的極紫外光。眾所周知，這些光源效率低下，大部分能量在到達晶圓之前就損失了。

ASML 最新一代掃描儀每個系統(tǒng)消耗數(shù)百千瓦，這意味著巨大的運營成本。雖然已經(jīng)實現(xiàn)了一些功耗改進，但要使 EUV 成為二線晶圓廠的可行選擇，還需要進一步的進展。

“可能需要一個變電站來為 EUV 掃描儀群供電，”Synopsys 的 Melvin 說?！癊UV 曝光拍攝過去需要大約 100 kW 的能量。這種情況已經(jīng)有所改善，但電源效率仍然是一個主要問題。

這在很大程度上是由于 EUV 掃描儀包含 6 個鏡子?！肮饴分械溺R子越多，損失的能量就越多，”Melvin 說?！懊總€鏡子吸收了大約 40% 的穿過它的光，因此當它到達晶圓時，只剩下一小部分原始能量?！?/p>

勞倫斯利弗莫爾國家實驗室 （LLNL） 的研究人員正在探索可以顯著提高 EUV 功率效率的替代激光驅動等離子體源。他們的工作旨在減少產(chǎn)生 EUV 光子所需的能量，從而降低每片晶圓的成本，同時保持吞吐量。此外，高亮度激光源可以在未來實現(xiàn)更緊湊、更具成本效益的 EUV 工具。

“EUV 光刻技術已經(jīng)突破了現(xiàn)有激光驅動等離子體源的極限，尋找提高轉換效率和可擴展性的方法至關重要，”LLNL 先進光子技術小組負責人 Brendan Reagan 說。

LLNL 正在開發(fā)二極管泵浦固體激光器 （DPSSL），而不是使用傳統(tǒng)的 CO2 激光器來產(chǎn)生 EUV 光所需的等離子體，這種激光器可提供更高的電效率和更低的整體功耗。這些激光器在較短的紅外波長下工作，提高了產(chǎn)生 EUV 光的錫滴的吸收率，從而提高了光子轉換效率。

“雖然 CO2 驅動的 EUV 源為該行業(yè)提供了良好的服務，但它們本質上效率低下，電光轉換效率僅為個位數(shù)百分比，”里根說?！拔覀兿嘈配A基系統(tǒng)的效率可以提高 5 到 10 倍，從而顯著減少能源浪費，同時保持大批量光刻所需的功率水平?！?/p>

通過優(yōu)化這一過程，LLNL 的方法可以降低能源成本和散熱，從而有可能實現(xiàn)更緊湊和模塊化的 EUV 系統(tǒng)。從理論上講，來自 DPSSL 的低能量脈沖還可以減少薄膜上的熱應力，延長其使用壽命并降低掩模污染事件的頻率。但是，對薄膜耐久性的影響還取決于掃描儀內(nèi)部的峰值脈沖能量、重復頻率和散熱動力學等因素。這些領域仍需進一步研究。

“從概念驗證轉向工業(yè)解決方案需要克服幾個障礙，包括集成到現(xiàn)有的 EUV 源設計中，”LLNL 高強度激光驅動源負責人 Jackson Williams 說。半導體行業(yè)厭惡風險是可以理解的，因此任何新的激光源都必須與現(xiàn)有的 EUV 步進光學元件和基礎設施無縫集成。使用不同的激光器前端，同時保持大部分現(xiàn)有 EUV 系統(tǒng)不變的能力，可以使這種過渡更加可行。

與此同時，沖繩科學技術研究所 （OIST） 正在采取不同的方法，研究提高掃描儀本身光子利用率的方法。其研究針對反射鏡系統(tǒng)中的光學損耗，該系統(tǒng)目前吸收了很大一部分可用的 EUV 能量。通過優(yōu)化鏡面涂層和減少光學像差，研究人員希望增加到達晶圓的光百分比，從而提高工具效率并縮短曝光時間。

將 EUV 擴展到領先晶圓廠
之外 為了使 EUV 的規(guī)模擴展到世界上最大的芯片制造商之外，需要替代商業(yè)模式和基礎設施戰(zhàn)略來克服高昂的實施成本。

“這不僅僅是曝光工具，”萊文森說。“你必須投資生產(chǎn)線上的所有其他設備，例如用于口罩檢查的設備，這使其成為一個重大的財務風險?！?/p>

最后，imec 和 CHIPS 法案資助的 EUV 加速器等研究中心的共享 EUV 基礎設施可以提供一種協(xié)作的商業(yè)化方法。將這些工作擴展到研發(fā)之外，并擴展到生產(chǎn)合作伙伴關系，可以使無晶圓廠半導體公司和小型代工廠獲得 EUV 技術，而無需承擔專用 EUV 生產(chǎn)線的全部成本負擔。

“需要一個類似于小芯片的策略來為 EUV 的后續(xù)采用者實現(xiàn)這一目標，”Melvin 說?！皩τ趯ｉT生產(chǎn)集成到多個最終產(chǎn)品中的 I/O 小芯片和內(nèi)存小芯片的晶圓廠來說，可能會有一個強大的市場，而不是每個晶圓廠都試圖證明全節(jié)點 EUV 采用的合理性?！?/p>

這些模型中的每一種都代表了擴大 EUV 采用的潛在解決方案，但都取決于降低成本、過程控制和基礎設施開發(fā)方面的持續(xù)進步。對基于 EUV 的芯片的需求只會加速，該技術能否擴展到行業(yè)最大的參與者之外，將決定半導體制造的下一階段。

結論
EUV 光刻技術的未來之路取決于不斷增長的需求與行業(yè)的擴展能力之間的競爭。下一代先進節(jié)點處理器將為 AI 驅動的數(shù)據(jù)中心、自治系統(tǒng)和高帶寬計算提供動力，將制造能力推向極限。滿足這一需求需要的不僅僅是漸進式的改進。EUV 的部署和訪問方式將發(fā)生根本性轉變。擴大 EUV 工具的供應、提高成本效率以及開發(fā)掩模生產(chǎn)和過程控制的創(chuàng)新方法，將決定該技術在行業(yè)最大參與者之外的廣泛采用。

為了跟上步伐，該行業(yè)必須加快光刻膠材料的突破，改進高良率工藝控制，并突破節(jié)能光源的界限。推動 EUV 的廣泛采用還需要新的業(yè)務和制造模式，使小型晶圓廠能夠將先進的光刻技術集成到其生產(chǎn)管道中。EUV 已經(jīng)重塑了半導體制造。它的下一步發(fā)展將決定該行業(yè)如何擴大對這項關鍵技術的獲取。