用于支持一切人工智能（AI）先进节点芯片的需求快速增长，给该行业满足需求的能力带来了压力。
从支持大语言模型的超大规模数据中心，到智能手机、物联网设备和自主系统中的边缘AI，各种应用对尖端半导体的需求都在加速增长。但制造这些芯片严重依赖极紫外（EUV）光刻技术，这已成为扩大生产的最大障碍之一。自2019年首批商用EUV芯片下线以来，设备、掩模生成和光刻胶技术的稳步改进使该技术趋于稳定。尽管产量正在提高，但仍落后于更成熟的光刻技术。
工艺稳定性需要不断警惕和微调。就EUV而言，它还需要在发电、设备和耗材方面进行大量投资。如今，这些成本仍然是广泛采用的障碍。但该行业并没有停滞不前。目前正在进行密集的研究和开发工作，目标涉及从新型光刻胶材料和更强大的光源到先进的掩模写入器和复杂的AI驱动工艺控制等各个方面。
“晶圆厂的生产力取决于多种因素——产量、工艺效率和准确的图案转移，”Irresistible Materials首席执行官Dinesh Bettadapur表示，“减少曝光剂量、提高光刻胶灵敏度和减少缺陷都是让EUV规模化更具成本效益的关键因素。”
AI需求曲线转为垂直
对先进节点半导体的需求不断增长，正在重塑行业。AI工作负载、高带宽存储器（HBM）以及下一代移动和计算设备都在推动向更精细工艺节点的转变。每次迭代都需要使用EUV的更复杂的制造技术，而High NA（高数值孔径）EUV正成为1.8nm及以下节点大批量生产的唯一可行途径。
AI加速器、大型GPU和高性能CPU需要更小的晶体管来最大限度地提高功率效率和计算密度。英伟达、AMD和英特尔的尖端AI芯片已经依赖于EUV制造的5nm和3nm工艺节点，而向2nm GAA（全环绕栅极）晶体管的转变将进一步增加对EUV功能的需求。
HBM生产的某些方面也是如此，三星、美光和SK海力士正在有选择地部署EUV，主要用于逻辑和外围电路，而不是存储单元阵列本身。虽然EUV有助于提高HBM堆栈的密度和图案化精度，但深紫外（DUV）光刻仍然在核心存储层中占主导地位。然而，随着AI工作负载的扩大，对超高带宽内存的需求也将随之扩大，这使得支持EUV的HBM组件变得越来越重要。
HJL Lithography首席光刻师Harry Levinson说，“如果你要制造晶体管数量非常多的设备，那么你需要尽可能地缩小尺寸。EUV的市场将针对晶体管数量最多的芯片。当然，‘数量多’的标准会随着时间的推移而变化，但如今，AI加速器、GPU和移动处理器都在突破这些极限。”
除了AI和HBM，用于5G、自主系统和边缘计算的下一代逻辑器件也将需要EUV在某些关键层上的分辨率优势。根本挑战在于，尽管市场对AI芯片的需求呈指数级增长，但能够生产基于EUV的芯片的晶圆厂数量仍然有限。
目前，只有全球只有五家半导体制造商在大规模生产中使用EUV——台积电、三星、英特尔、SK海力士和美光。这些公司共同生产所有5nm逻辑和存储产品，将EUV能力集中在少数几家公司手中。
日本的Rapidus晶圆代工厂创企正在成为该市场的第六大参与者。该联盟由八家成员组成，包括丰田、索尼、三菱日联银行、NTT（日本电话电报公司）、日本电装、铠侠、NEC和软银，他们在位于日本北海道的IIM-1晶圆厂安装了ASML的NXE:3800EEUV光刻机，计划于2027年开始量产。
尽管如此，EUV的机会仍然有限。“真正的问题不是EUV是否有效——它确实有效，”新思科技（Synopsys）首席工程师Larry Melvin说，“挑战在于最大的参与者之外的晶圆厂是否能够证明成本是合理的。掩模技术、光刻胶化学和光刻机效率的每一次改进都有帮助，但如果没有设备和运营费用的根本性降低，EUV仍将仅限于少数厂商。”
先进节点芯片需求的不断增长已经超过了EUV产能，荷兰光刻机厂商ASML难以满足订单需求。台积电的美国亚利桑那州晶圆厂、英特尔的美国和爱尔兰扩建项目以及三星的美国得克萨斯州晶圆厂项目都需要更多的EUV产能才能实现2025年和2026年的量产目标。这些扩建项目将进一步加剧供需缺口。
预计未来5到7年内，AI芯片市场规模将增长至目前规模的至少10倍。台积电2nm工艺的订单积压已延续到2026年。
EUV设备瓶颈
作为EUV光刻机的唯一供应商，ASML一直在努力满足需求，但多年的订单积压继续限制新EUV生产线的扩张。ASML最先进的芯片制造设备，如NXE:3800E和即将推出的EXE:5000 High NA系统，已经提前数年分配给领先的半导体制造商。随着对AI芯片、HBM和先进移动处理器的需求呈指数级增长，现有的EUV生产线面临着巨大的压力，需要提高产量、良率和整体效率，以弥补行业受限的扩展能力。
政府支持的研究中心正在介入，以帮助弥补这一差距。比利时的imec（微电子研究中心）和美国纽约州奥尔巴尼《芯片法案》资助的EUV加速器等设施专注于推动EUV掩模技术、工艺控制和抗蚀剂化学的发展，以提高产量并降低每片晶圆的成本。imec在测试和验证下一代掩模材料方面发挥了核心作用，这些材料可以提高特征分辨率，同时减少随机缺陷。
EUV加速器由美国联邦政府投资8.25亿美元支持，提供尖端EUV工具和研究平台，以加速制造和行业采用。这些努力与私营部门的研发相结合，旨在攻克关键技术障碍，这些障碍继续使EUV成为一项昂贵而复杂的工艺。
由于EUV的使用和成本限制，许多处于领先地位的晶圆厂正在转向创造性的光刻策略以保持竞争力。混合光刻—EUV仅用于最关键层，而193nm ArF、ArF浸润和KrF（248nm）光刻机可处理要求较低的功能—已成为标准。多重图案化技术（例如双重和四重图案化）已将DUV的处理范围远远超出其初始能力，使晶圆厂无需进行EUV投资即可生产更小尺寸的芯片。此外，一些公司正在探索纳米压印光刻（NIL）和特定层的自组装图案化，这些技术可以提供成本或分辨率优势。
Harry Levinson表示：“尽管EUV光刻技术在先进节点的关键层中得到了广泛应用，但248nm和193nm光刻技术仍然在广泛使用，甚至在前沿领域，也用于非关键逻辑层、NAND闪存以及通过多重图案化实现的一些窄间距层。工艺控制和掩模技术的创新使DUV仍然是许多层的可行选择，为晶圆厂提供了一种经济高效的方式来扩展现有工具，而不是将所有工具都转换为EUV。”
展望未来，EUV和High NA EUV无疑将推动先进节点半导体制造的发展，但即使EUV技术达到了成本和技术改进的门槛，证明了更广泛的行业应用，替代光刻方法仍将继续发挥关键作用。
EUV光刻技术面临的最持久的技术挑战之一是掩模基础设施。与使用透射式掩模的传统DUV光刻技术不同，EUV掩模是反射式的，这一根本性转变带来了许多新的故障模式。即使是微小的缺陷也会扭曲反射光，导致灾难性的图案化故障，从而增加缺陷率并降低产量。
为了缓解这些问题，研究人员正在改进多光束掩模写入器、高透明度薄膜，并努力实现无缺陷掩模版。多光束电子束掩模写入技术已经产生重大影响，减少了创建高精度、无缺陷掩模所需的时间。传统的单光束掩模写入器速度慢且容易出现图案错误，但多光束系统使用数千条平行电子束来加速生产，同时保持亚纳米精度。
薄膜技术（即掩模上的保护层）也取得显著的进步。早期的EUV薄膜非常脆弱，传输效率低，降低了光刻机的生产率。新型碳基薄膜显著提高热稳定性和传输率，延长掩模的使用寿命，且不会发生性能下降。这反过来又减少了频繁更换掩模的需要，更换掩模是一个昂贵且耗时的过程。此外，它还提高了晶圆之间的一致性。
“大部分成本（大约每片掩模版10万美元）是由产量决定的，”Harry Levinson说，“产量一直在提高，但成本价格仍然很高，因为掩模版制造商正在大力投资增加生产能力以满足客户需求。在某个时候，现有的客户群将饱和。但就目前而言，成本仍然很高。”
掩模耐久性、图案保真度和整体缺陷控制方面的进步有助于晶圆厂将EUV产量推向与更成熟的DUV技术相当的水平，但掩模成本仍然是一项沉重的财务负担。该行业正在积极努力应对这些经济和技术挑战。
材料进步
光刻胶材料仍然是实现EUV光刻的高产量和工艺稳定性的关键挑战。几十年来，化学放大光刻胶（CAR）一直是行业标准，但先进节点的酸扩散和随机缺陷使其不能满下一代半导体制造严格的要求。
“我们目前所处的阶段是，改进光刻胶材料变得非常困难，因为光刻胶分子的尺寸现在只占特征尺寸的一小部分，”光刻专家Harry Levinson表示，“你不能简单地将一种化学物质换成另一种。应对这一挑战还需要每平方厘米有更多的光子来对抗光子散粒噪声，这是一个基本的物理约束。”
随着特征尺寸进一步缩小，需要采用新方法来提高分辨率、降低线边缘粗糙度（LER）并提高灵敏度，同时保持工艺稳定性。但这些因素之间的权衡带来了持续的工程挑战。
泛林集团（Lam Research）副总裁Rich Wise表示：“同时提供分辨率、线边缘粗糙度和灵敏度是一项真正的挑战。你经常会看到只关注其中两个而忽略第三个的结果，这会降低光刻机的生产效率。”
为了克服CAR的局限性，业界正在探索几种替代光刻胶平台。一种选择是金属氧化物光刻胶（MOR），它在EUV波长下具有很强的吸收率，并且在较薄厚度下具有更好的对比度。然而，传统的MOR对工艺条件非常敏感，需要更高的剂量，从而带来良率问题和产能挑战。
泛林集团推出了Aether干式光刻胶技术，该技术使用气相沉积而非旋涂来应用金属氧化物光刻胶。这增强了工艺控制，降低随机变异性，并提高光子吸收效率，最终降低剂量要求并提高更精细间距下的图案分辨率。
Rich Wise在韩国国际半导体展的演讲中表示：“尽管EUV光刻机功率、可靠性和数值孔径方面的进展令人鼓舞，但光刻胶已成为推进直写式EUV发展的制约因素。目前旋涂的光刻胶难以满足先进技术节点大批量制造（HVM）所需的严格灵敏度、分辨率和缺陷率要求。”
另一种方法是Irresistible Materials开发的多触发光刻胶（MTR）平台。MTR使用的分子约为现有聚合物的十分之一，可实现更小的特征尺寸和更高的分辨率。与CAR不同，MTR采用受控催化过程，可最大限度地减少酸扩散，同时保持较高的光子吸收率和灵敏度。
“EUV的要求非常严格，没有一种单一的光刻胶配方或工艺能够完全满足不同设备类型和层的各种需求，”Dinesh Bettadapur说道，“工艺兼容性、延迟容忍度和线宽粗糙度仍然是需要不断改进的领域。”
MOR和MTR都具有优势，但它们也具有晶圆厂必须解决的独特工艺敏感性。
Brewer Science高级技术专家Douglas Guerrero表示：“不同类型的光刻胶面临着不同的挑战。对于CAR而言，降低焦深（DOF）将需要更薄的薄膜。随着薄膜变薄，对比度将低于目前的光刻胶，同时粗糙度也会增加。MOR即使在较薄厚度下也具有良好对比度的优势。它表现出良好的分辨率能力，但对工艺的敏感性是一个难以控制的挑战。”
除了分辨率和线边缘粗糙度之外，缺陷率仍然是一个关键问题，它直接影响EUV在大批量制造中的可行性。光刻胶中即使很小的缺陷也会导致图案化失败、产量损失和成本增加。
Brewer Science业务开发经理Daniel Soden表示：“缺陷率是需要优化和控制的重要参数，以确保工艺可扩展性并引入设备制造。良好的光刻性能是关键，但缺陷率需要保持较低且稳定，以确保高工艺产量并充分发挥EUV光刻的优势。”
追求更低缺陷率的动力推动了材料净化和过滤技术的进步，但随着底层从25nm~30nm缩小到1nm~10nm，聚合物设计和添加剂功能变得比以往任何时候都更加重要。从长远来看，光刻胶创新将需要材料科学的根本性转变。
“我们需要分子级控制，”Douglas Guerrero说：“我们正在研究厚度不超过几百个分子的薄膜，其中每个原子都很重要，并对材料的特性产生影响。大规模行为将不再对整体材料特性产生影响。分子设计和定位需要达到埃级精度。”
随着半导体制造商转向High NA EUV，这些材料限制将变得更加明显，需要新型光刻胶和底层突破分子工程的界限。虽然目前没有单一的光刻胶平台能够满足所有EUV要求，但CAR、MOR、MTR和干式光刻胶的不断进步代表了解决EUV最紧迫的材料挑战的多种途径。
AI过程控制
除了对掩模和光刻胶进行物理改进外，晶圆厂越来越依赖AI和机器学习来优化工艺控制、缺陷检测和提高产量。Tignis和新思科技等公司处于集成AI驱动计量工具的前沿，这些工具可以实时分析工艺变化并纠正影响产量的变化。
Tignis解决方案工程总监Boyd Finlay表示：“先进的光刻技术有超过1000种设备和工艺参数需要进行特性描述和监控，以确保质量结果。我们的自动化一键式关联引擎已被证明可以显示多层变量，因为它们会影响CD以及其他感兴趣的响应因素。然后，这些复杂的数据关系会自动合并到低代码语言（数字孪生查询语言，即DTQL）算法中，这些算法可以调度基于AI的流程监控和控制策略。”
这些AI驱动的系统允许晶圆厂根据实时数据动态调整光刻机参数，优化曝光剂量、对准公差和光刻胶烘烤条件，以减少变化。经过数千片晶圆训练的机器学习模型可以识别随机缺陷的趋势，并在导致代价高昂的产量损失之前提出纠正措施。
Boyd Finlay表示：“这加速了EUV开发学习周期，实现一次成功的图案化，同时为我们的客户提供快速的按需故障排除。我们的解决方案还可以优化多步骤工艺，例如光刻和蚀刻，将AI的优势扩展到单一工艺之外，以改善叠层误差等工艺问题。”
随着EUV的采用规模不断扩大，AI驱动的过程控制将成为成功最大化光刻机吞吐量的晶圆厂与那些难以应对持续变化的晶圆厂之间的关键区别。
扩大EUV规模的途径
EUV最大的成本驱动因素之一是光源。EUV光刻依靠高能激光源产生波长为13.5nm的极紫外光。这些光源效率低下，大部分能量在到达晶圆之前就损失了。
ASML的最新一代光刻机每台系统耗电数百千瓦，这意味着巨大的运营成本。虽然已经取得了一些功耗方面的改进，但还需要更大的进步才能使EUV成为二线晶圆厂的可行选择。
新思科技的Larry Melvin表示：“可能需要一个变电站来为EUV光刻机组供电。EUV曝光镜头过去需要大约100kW的电能。这种情况已经有所改善，但电源效率仍然是一个主要问题。”
这在很大程度上是由于EUV光刻机包含6个镜子。“光路中的镜子越多，能量损失就越多，”Larry Melvin说，“每个镜子吸收大约40%的穿透光，因此当它到达晶圆时，只剩下一小部分原始能量。”
劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的研究人员正在探索替代的激光驱动等离子源，以显著提高EUV功率效率。他们的工作旨在降低产生EUV光子所需的能量，从而降低每片晶圆的成本，同时保持产量。此外，高亮度激光源将来可以实现更紧凑、更经济高效的EUV工具。
LLNL先进光子技术组组长Brendan Reagan表示：“EUV光刻技术已经突破了现有激光驱动等离子源的极限，找到提高转换效率和可扩展性的方法至关重要。”
LLNL并未使用传统的CO2激光器来产生EUV光所需的等离子体，而是开发了二极管泵浦固态激光器（DPSSL），这种激光器的电气效率更高，总体功耗更低。这些激光器在较短的红外波长下工作，提高了产生EUV光的锡液滴的吸收率，从而提高了光子转换效率。
“虽然CO2驱动的EUV光源为行业提供了良好的服务，但它们本质上效率低下，电光转换效率仅为个位数百分比，”Brendan Reagan说道，“我们认为基于铥（thulium）的系统效率可以提高5到10倍，大大减少能源浪费，同时保持大批量光刻所需的功率水平。”
通过优化这一工艺，LLNL的方法可以降低能源成本和散热量，从而有望实现更紧凑、更模块化的EUV系统。理论上，DPSSL发出的低能量脉冲还可以减少薄膜的热应力，延长其使用寿命，并降低掩模污染事件的发生频率。然而，对薄膜耐久性的影响还取决于峰值脉冲能量、重复率和光刻机内的散热动态等因素。这些领域仍需进一步研究。
LLNL高强度激光驱动源负责人Jackson Williams表示：“从概念验证转向工业解决方案需要克服几个障碍，包括集成到现有的EUV源设计中。半导体行业厌恶风险是可以理解的，因此任何新的激光源都必须与现有的EUV步进式光学系统和基础设施无缝集成。在保持现有EUV系统大部分不变的情况下，使用不同的激光前端的能力可以使这种转变更加可行。”
与此同时，日本冲绳科学技术研究所（OIST）则采取了不同的方法，研究如何提高光刻机本身的光子利用率。其研究针对的是反射镜系统中的光损耗，该系统目前吸收了相当一部分可用的EUV能量。通过优化镜面涂层和减少光学像差，研究人员希望增加到达晶圆的光的百分比，从而提高工具效率并减少曝光时间。
将EUV扩展到尖端晶圆厂之外
要使EUV能够扩展到全球最大的芯片制造商之外，就需要替代的商业模式和基础设施战略来克服高昂的实施成本。
“这不仅仅是曝光工具，”Harry Levinson提到，“你必须投资生产线上的所有其他设备，比如用于掩模检查的设备，这会带来巨大的财务风险。”
imec和《芯片法案》资助的EUV加速器等研究中心共享EUV基础设施，可以提供一种协作式的商业化方法。将这些努力从研发扩展到生产合作伙伴关系，可以让无晶圆厂半导体公司和小型代工厂获得EUV技术，而无需承担专用EUV生产线的全部成本负担。
“为了让EUV的后续采用者实现这一目标，需要一种基于Chiplet（小芯片）的策略，”Larry Melvin表示，“专门生产I/O芯片和存储芯片的晶圆厂可能会拥有强大的市场，这些芯片会被集成到多个终端产品中，而不是每个晶圆厂都试图证明全节点EUV的采用是合理的。”
这些模型中的每一个都代表着扩大EUV应用的潜在解决方案，但都依赖于成本降低、工艺控制和基础设施开发的持续进步。对基于EUV的芯片的需求只会加速增长，而该技术能否扩展到行业最大的参与者之外，将决定半导体制造的下一阶段。
结论
EUV光刻技术的未来发展，取决于市场需求增长与行业扩展能力之间的平衡。下一代先进节点芯片将为AI数据中心、自动驾驶系统和高带宽计算提供核心动力，这也将把制造能力推向极限。要满足这一需求，仅靠渐进式改进远远不够，还需要对EUV技术的部署和应用方式进行根本性变革。扩大EUV工具的供应规模、提升成本效益，以及开发创新的掩模生产和工艺控制方法，将决定这项技术能否突破行业巨头的垄断，实现更广泛的应用。
为跟上行业发展，半导体领域必须加速光刻胶材料的创新突破，优化高产量工艺控制，并推动节能光源技术的边界拓展。此外，EUV技术的广泛应用还需要全新的业务和制造模式，使中小型晶圆厂也能将先进光刻技术融入生产流程。EUV已经深刻改变了半导体制造业的格局，而它的下一步发展将决定这一关键技术能否在更广泛的范围内实现规模化应用。（校对/张杰）
参考链接：https://semiengineering.com/euvs-future-looks-even-brighter/
