阿斯麥的新一代EUV光刻機:造價1.5億美元 公共汽車大小

9月2日消息,荷蘭阿斯麥的新一代極紫外(EUV)光刻機每台有公共汽車大小,造價1.5億美元。其前所未有的精度可以讓晶片上的元件尺寸在未來幾年繼續縮小。在位於美國康乃狄克州郊區的一間大型潔淨室里,工程師們已經開始為一台機器製造關鍵部件,這台機器有望讓晶片製造行業沿著摩爾定律至少再走上10年時間。

這台極紫外光刻機是由荷蘭阿斯麥公司製造的。阿斯麥於2017年推出世界上第一台量產的極紫外光刻機,在晶片製造領域發揮著至關重要的作用,已經被用於製造iPhone手機晶片以及人工智慧處理器等最先進的晶片。阿斯麥正在康乃狄克州的威爾頓製造下一代極紫外光刻機的部分組件,其使用新技術來最小化紫外線波長,從而盡可能縮小所製造的晶片元件尺寸,最終提高整個晶片的性能。

新一代極紫外光刻機大約有一輛公共汽車那麼大,造價1.5億美元。整個機器包含10萬個部件和2公里長的電纜。每台機器發貨需要40個貨櫃、3架貨機或者20輛卡車。只有諸如台積電、三星和英特爾等少數公司能買得起這種機器。

阿斯麥的新一代EUV光刻機:造價1.5億美元 公共汽車大小

「這真是一台不可思議的機器,」麻省理工學院研究新型電晶體架構的教授Jesús del Alamo說。「這絕對是一款革命性的產品,是一項突破,將給晶片行業帶來新的生命。」

在康乃狄克州的工廠里,工程師們將一塊巨大鋁材雕刻成框架,最終讓光罩以納米級的精度在其間移動,反射極紫外光束。這些光束利用幾面鏡子來回反射,以驚人精度反復修飾打磨,在矽片上蝕刻出只有幾十個原子大小的特徵圖案。

造好的組件將於2021年底運往荷蘭維荷芬,然後在2022年初安裝到新一代極紫外光刻機的第一台原型機中。英特爾可能會使用這種新機器製造出第一批晶片。英特爾表示,預計將在2023年下線第一批晶片。憑借比以往任何機器所蝕刻的圖案尺寸更小,讓每個晶片都有數百億個元件,這台機器在未來幾年所生產的晶片應該是史上處理速度最快、效率最高的。

總之,阿斯麥新一代極紫外光刻機有望延續晶片製造以及整個科技行業不斷進步的理念,繼續讓摩爾定律保持活力。

1965年,電子工程師、英特爾創始人之一戈登·摩爾(Gordon Moore)在行業雜誌《電子學》35周年特刊上發表了一篇文章。摩爾在文章中指出,單一矽晶片上的元件數量每年大約翻一番,他預計這一趨勢將繼續下去。

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十年後,摩爾將他的預計從一年改為兩年。近年來,盡管製造技術的不斷突破和晶片設計的不斷創新保持著這種勢頭,但摩爾定律的發展依舊受到了質疑。

極紫外光刻機使用特殊的工程技術來縮小用於製造晶片的光波長,這應該有助於延續摩爾定律的趨勢。這種光刻技術對於製造更先進的智慧型手機以及雲計算機器,還有人工智慧、生物技術和機器人等新興技術的發展都至關重要。「摩爾定律的消亡被過分誇大了,」Jesús del Alamo說。「我認為這仍將持續相當長一段時間。」

喬治敦大學研究晶片製造的研究分析師威爾·亨特(Will Hunt)表示:「沒有阿斯麥的機器,就不可能製造出先進晶片。」「很多東西都要經過年復一年的調整和試驗,而這些都是非常困難的。」

他說,極紫外光刻機的每個部件都「極其復雜,復雜得令人吃驚」。

製造晶片通常需要一些世界上最先進的工程技術。晶片最初是一個圓柱形的矽晶體,其先是被切成薄片,然後薄片再塗上一層光敏材料,反復暴露在已經設定好圖案的光束下。沒有被光接觸的矽部分被化學反應蝕刻掉,從而繪制出晶片元件的復雜細節。然後每塊晶片被切成許多單獨的晶片。

目前而言,不斷縮小晶片元件尺寸仍然是從一塊矽片中擠出更多計算能力的最可靠方法,因為晶片上封裝的電子元件越多,計算能力就越高。

晶片架構和元件設計方面的許多創新也使摩爾定律得以延續。例如今年5月份,IBM展示了一種新型電晶體,像絲帶一樣夾在矽片內部,可以在不降低光刻解析度的情況下將更多元件封裝到晶片中。

但是,從20世紀60年代開始,有效縮短製造晶片的光束波長有助於推動晶片元件小型化,這對晶片性能提升至關重要。先是使用可見光的機器被使用近紫外線的機器所取代,而近紫外線的機器又讓位於使用深紫外線的系統,以便在矽片上蝕刻出更小的圖案特徵。

20世紀90年代,英特爾、摩托羅拉、AMD等公司開始合作研究極紫外線,並將其作為新一代光刻技術。阿斯麥於1999年加入進來,努力開發第一台極紫外光刻機。與之前的深紫外線光刻技術(193納米)相比,極紫外光刻技術的光束波長更短,只有13.5納米。

但人類解決工程上的挑戰花了幾十年時間。如何產生極紫外光本身就是一個大問題。阿斯麥的方法是將高功率雷射以每秒50000次的速度轟擊錫滴,產生強度足夠高的極紫外光。普通鏡片也會吸收極紫外光,因此極紫外光刻機使用塗有特殊材料的精確鏡面代替。在阿斯麥極紫外光刻機內部,極紫外光在穿過光罩之前會經過幾面鏡子的反射,而光罩則以納米級的精度移動,為的是對齊矽片上的不同層。

「說實話,沒有人真的想用極紫外光,」行業研究公司Real World Technologies晶片分析師大衛·坎特(David Kanter)說。「它比原計劃晚了20年,超出預算10倍。但如果你想製造非常緻密的結構,它是你唯一的工具。」

阿斯麥新一代極紫外光刻機採用更大的數值孔徑來進一步縮小晶片上的元件尺寸。這種方式允許光線以不同角度穿過光罩,從而增加圖案成像的解析度。這就需要更大的鏡子和新的軟硬體來精確控制組件蝕刻。阿斯麥當前一代極紫外光刻機可以製造出解析度為13納米的晶片。新一代極紫外光刻機將使用更高數值孔徑來製作8納米大小的特徵圖案。

目前台積電在晶片製造過程中使用的就是極紫外光刻技術。其客戶包括蘋果、英偉達和英特爾。英特爾在採用極紫外光刻技術方面進展緩慢,結果落後於競爭對手,因此最近決定將部分生產外包給台積電。

阿斯麥似乎並不認為其光刻機會落後。

「我不喜歡談論摩爾定律的終結,我喜歡談論摩爾定律的幻象,」阿斯麥首席技術官馬丁·范登·布林克(Martin van den Brink)表示。

范登布林克指出,摩爾1965年發表的那篇文章實際上更關注創新進程,而不僅僅是晶片元件尺寸的縮小。盡管范登布林克預計至少在未來10年里,高數值孔徑極紫外光刻技術將繼續推動晶片行業的進步,但他認為使用光刻技術縮小晶片元件尺寸會變得沒有那麼重要。

范登布林克說,阿斯麥已經開始研究極紫外光刻的後繼技術,包括電子束和納米壓印光刻,但目前尚未發現任何一種技術足夠可靠,值得投入大量資金。他預測,在考慮熱穩定性和物理干擾的同時,加快光刻機產量將有助於提高晶片產量。即使晶片速度沒有變得更快,這種方法也會讓最先進的晶片更便宜更普及。

范登布林克補充說,包括在晶片上縱向製造元件的製造技術應該會繼續提高晶片性能。英特爾和其他公司已經開始這樣做了。台積電執行董事長劉德音曾表示,未來20年晶片的綜合性能和效率每年能提高三倍。

主要挑戰在於全世界對更快晶片的需求不太可能下降。普渡大學教授馬克·倫德斯特倫(Mark Lundstrom)早在20世紀70年代開始在晶片行業工作,他在2003年為《科學》雜誌撰寫了一篇文章,預言摩爾定律將在10年內達到物理極限。他說:「在我的職業生涯中,我們曾多次想,『好吧,這就結束了。』」「但在未來10年內,沒有任何放緩的危險。我們只是在另闢蹊徑。」

倫德斯特羅姆還記得他第一次參加微晶片會議是在1975年。「有個叫戈登·摩爾的傢伙在做演講,」他回憶道。「他在技術社區中很有名,但其他人都不認識他。」

「我還記得他的演講,」倫德斯特倫補充道。「摩爾說,『我們很快就能在一塊晶片上安裝1萬個電晶體』。他還說,『當一個晶片上有了1萬個電晶體,人們有什麼不能做呢?』」

來源:cnBeta