隨着半導體製程節點的微縮，光刻機的行業地位不斷提升，7nm製程芯片量產之前，DUV光刻機幾乎統治了商業化芯片製造市場，隨着7nm、5nm和3nm的陸續量產，EUV光刻機的比重日益提升，也成為了先進制程芯片龍頭企業爭奪的焦點。
眼看着DUV和EUV光刻機的大紅大紫，以及ASML公司的春風得意，它們的競爭者也在摩拳擦掌，有幾種不同於DUV和EUV的光刻技術在積蓄力量，爭取獲得更多的市場份額。
01高NA光刻機爭奪愈加激烈
隨着半導體製程節點發展到3nm，先進晶圓廠對EUV光刻機的需求越來越迫切，具體來講，就是台積電、三星和英特爾這三家，都在爭奪ASML的EUV設備。
據悉，台積電擁有約50台EUV光刻機，接近市場上已出貨EUV設備總量的50%。隨着2nm研發和晶圓廠建設工作的開展，台積電對高NA（數值孔徑）的EUV設備提出了更高要求，早早下單，爭取在ASML那裡拔得頭籌。
三星也在緊急搶購高NA EUV，並要求ASML將設備直接拉到三星工廠內進行測試，創下ASML直接出貨到客戶廠內再測試的首例。目前，三星的EUV光刻機數量只有台積電的一半，甚至更少，預計2022年三星會購入大概18台EUV光刻機，拉近與台積電之間的數量差距，總數將達到台積電的60%左右。
2021年，英特爾宣布重返晶圓代工市場，並在同年7月宣布推出先進制程技術藍圖，計劃在未來4年推出5個新世代芯片製程技術。為了實現這一目標，英特爾在爭奪ASML最先進EUV光刻機，2021下半年，英特爾宣布領先於台積電和三星訂購了ASML的TWINSCAN EXE:5200光刻機。這是ASML正在開發的高NA EUV設備，單台價格將達到3億美元，據悉，其吞吐量超每小時220片晶圓。按照ASML的規劃，TWINSCAN EXE:5200最快將於2024年底投入使用，用於驗證，2025年開始用於芯片量產。
為了滿足不斷進化的先進制程，ASML正在研發更先進的EUV光刻機，主要體現在高NA上。
高NA的EUV設備具有更高的分辨率，可使芯片密度增加數倍，還可以顯著減少缺陷、成本和芯片生產周期。
新的EUV設備，其NA值將從0.33 提升到0.55，以實現更高分辨率的圖案化。和0.33NA光刻機相比，0.55NA的分辨率從13nm升級到8nm，可以更快更好地曝光更複雜的集成電路圖案，突破0.33NA單次構圖32nm~30nm間距的極限。EXE:5000有望率先用於3nm製程，EXE:5200則很可能用於英特爾未來的20A或者18A製程。
更高的NA值允許在機器內部產生更寬的EUV光束，然後再照射晶圓，該光束越寬，照射晶圓時的強度就越大，從而提高打印線條的準確度。這反過來又可以實現更小的幾何形狀和更小的間距，從而增加密度。
不過，高NA設備意味着高昂的價格，據悉，每台NA值為0.55的EUV設備價格將達到3 億美元，是現有EUV設備的兩倍，並且，它還需要複雜的新鏡頭技術。
目前，製造先進制程（如5nm、3nm）芯片的廠商不得不依賴雙重或三重曝光技術，這很耗時，而使用高NA EUV設備，能夠在單層打印這些特徵，從而縮短周轉時間並提高工藝靈活性。
02EUV的競爭者
目前，在7nm以下先進制程芯片量產方面，EUV光刻機幾乎是必選項，雖然DUV也可以用來製造7nm芯片，但其性能和良率與EUV相比還是有差距的，且隨着製程節點的微縮，DUV就不能勝任了，EUV依然是首選。然而，高昂的價格使得台積電這樣的晶圓代工龍頭企業也要想辦法減少EUV光刻機的使用量，以降低成本。
那麼，是不是除了EUV光刻機，就沒有其它選擇了呢？答案是否定的，近些年，半導體業界一直在探索製造先進制程芯片的其它辦法，例如：定向自組裝 (DSA)、納米壓印光刻(NIL)、等離子激光和EBL電子束光刻等技術。
DSA是一種通過將具有不同特性的聚合物合成為單個分子，將其塗覆在晶圓上並加熱來獲得精細圖案的技術。由於不使用掩模，可以減少工藝數量，從而降低了成本。然而，就所使用的技術而言，它不如 NIL。此外，無掩模等離子激光納米技術被認為是另一種替代方案，因為它具有自由改變電路圖案的能力，然而，它仍達不到 EUV的效果。
綜合來看，NIL是一項實用價值更高的技術，NIL比 EUV 更經濟，因為它不使用鏡頭。佳能等廠商是NIL的主導力量。
NIL
NIL技術比EUV光刻起步晚，該概念由華裔科學家周郁（Stephen Chou）教授在1995年首次提出。它的基本原理是：使用電子束刻蝕等手段，在襯底上加工出所需要的結構作為模板。NIL將微電子加工工藝融合於印刷技術中，解決了光學曝光技術中光衍射現象造成的分辨率極限問題，由於電子的衍射極限遠小於光子，理論上具備比EUV光刻更高的分辨率，可生產出電路線寬更窄的器件。此外，高效率、可大幅降低成本、適合工業化生產等優勢，也使得NIL一直受到業界的重視，被稱為是微納加工領域中第三代最有前景的光刻技術之一。
NIL 基於機械複製，不受光學衍射的限制。有專業人士指出，NIL技術能夠製造出5nm製程芯片，且以非常低的成本實現非常好的關鍵缺陷 (CD) 控制。據Yole統計，NIL設備複合年增長率將超過 20%。目前，NIL主要用於增強現實、3D傳感和數據通信/電信中需要嚴格和複雜模式的光學光子元件。
與EUV光刻設備產生的圖案相比，NIL以更高的分辨率和均勻性再現圖案。此外，由於這項技術不需要先進光刻設備所需的一系列寬直徑鏡頭和昂貴的光源，NIL 設備實現了更簡單、更緊湊的設計，允許將多個單元聚集在一起，以提高生產力。
NIL僅在必要時才使用抗蝕劑，從而消除材料浪費。鑑於壓印系統中沒有複雜的光學器件，當與簡單的單級處理和零浪費相結合時，工具成本的降低使其非常適用於存儲器製造。
製造先進制程DRAM 和相變存儲器等存儲芯片具有挑戰性，因為這些器件的製程節點需要持續縮放，達到14nm，甚至更先進制程。縮放也會影響覆蓋預算，例如，對於 DRAM，某些關鍵層上的疊加比 NAND 閃存緊密得多，誤差預算為最小半間距的 15-20%，對於 14nm，這意味着 2.1nm - 2.8nm。DRAM 器件設計也具有挑戰性，並且布局並不總是有利於間距劃分方法，例如自對準雙圖案化 (SADP) 和自對準四重圖案化 (SAQP)。因此，對於存儲器芯片而言，直接印刷工藝NIL是一種很有競爭力的解決方案，特別是20nm以下先進制程，目前的光刻方案成本太高。
鎧俠（Kioxia）與佳能，以及日本印刷株式會社（DNP），經過4年研發，實現了NIL量產技術。鎧俠已將其應用到了15nm的NAND閃存製造上，並表示到2025年可以應用到5nm的芯片製造上。鎧俠表示，與EUV光刻技術相比，NIL可以大幅度減少能耗，轉化效率高，耗電量可壓低至EUV 技術的10%，同時，NIL設備也很便宜，投資可降低至EUV光刻機的40%。
EBL電子束光刻
電子束光刻（e-beam lithography，EBL）刻蝕的工具是高能電子束，刻蝕的圖案也是在光刻膠上，這種光刻膠型號以及曝光特性跟傳統g-line，i-line或者DUV光刻膠略有區別。EBL不需要光刻掩膜版，想刻出什麼圖形，在人機界面用類似於EDA畫圖的方式直接輸入。EBL光刻的精度非常高，多用於科研機構的研發，完成納米級工藝毫無難度。
近期，美國公司Zyvex使用EBL技術製造出了0.7nm芯片。該公司推出了名為ZyvexLitho1的光刻系統，它基於STM（掃描隧穿顯微鏡），通過EBL電子束光刻，製造出了0.7nm線寬的芯片，這個精度遠高於EUV光刻系統，相當於2個硅原子的寬度，是當前製造精度最高的光刻系統。
據悉，該光刻系統製造的芯片主要是用於量子計算機，可以製造出高精度的固態量子器件，以及納米器件及材料。對量子計算機來說精度非常重要。
雖然EBL精度很高，但是速度太慢了，與傳統DUV和EUV相比，生產速率是最大障礙，無法大規模製造芯片，只適合製作那些小批量的高精度芯片和器件。因此，在先進制程集成電路的大規模量產方面，DUV和EUV光刻機仍然難以取代。
03結語
當下，DUV和EUV光刻機占領了大部分商業化量產芯片製造市場，但隨着製程節點向3nm、2nm、1nm演進，愈加高昂的光刻機成本使得絕大多數晶圓廠望而卻步，即使是台積電這樣的龍頭企業也不得不考慮削減EUV成本。這就給其它光刻技術提供了可能的發展空間。
除了商業化量產，很多科研領域也要用到光刻機，而DUV和EUV不太適合這些應用場合，這樣，那些成本低、精度高的光刻技術就有了用武之地。
或許在不久的將來，會有更多光刻技術投入實際應用，各施所長，儘可能多地滿足不同應用需求。
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