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由ASML打造的EUV光刻機是現代芯片不可或缺的重要生產工具。尤其是隨著芯片工藝來到了3nm之后，EUV光刻的重要性與日俱增。ASML也通過提高NA的方式，引領EUV光刻機進入到High NA時代，以滿足客戶更嚴苛的需求。

然而，EUV光刻機在發展過程中卻面臨著制造困難、成本高昂等挑戰。這也是臺積電一直對價值4萬億美金的High NA EUV比較猶豫的原因。

過去兩年，圍繞著EUV光刻的光源，有多家初創公司冒了出來，最近又出來了一家名為Inversion Semiconductor 的公司。

利用粒子加速器顛覆

光刻是利用光在硅片上刻畫電路特征的工藝，是制造芯片最重要的步驟。

ASML 壟斷了先進的光刻機市場，通過噴射錫滴并利用反射鏡將光線引導至晶圓上來產生 13.5 納米的“EUV”光。然而，先進的芯片不斷要求更精細的電路特性。為了提高分辨率，ASML 擴大了反射鏡的尺寸，但這一代價是顯著增加了系統的復雜性和成本。

未來十年，ASML 的目標是實現 EUV 光源輸出功率達到 1 千瓦，輸入功率達到 1 兆瓦。而Inversion Semiconductor 的目標是實現更短波長光源輸出功率達到 10 千瓦。這也將使我們的光源能夠為多臺光刻機供電，為晶圓廠帶來數十億美元的年收入增長。

據介紹，Inversion Semiconductor的目標是利用“臺式”粒子加速器來產生所需的高功率光，這種加速器能夠將電子加速到厘米級的極高能量，而不是像歐洲核子研究中心 (CERN) 和斯坦福直線加速器 (SLAC) 的大型加速器那樣需要公里級。我們將利用由高功率激光器驅動的等離子體波（ Wakefield）來實現這一目標。具體而言，就是一項叫做Laser Wakefield Acceleration （LWFA）的技術。

從原理上看，LWFA 利用強激光脈沖與等離子體的相互作用，將電子在極短距離內加速到極高的能量。這個過程類似于沖浪者在船后尾流中沖浪：電子在等離子波中“沖浪”，并在行進過程中獲得能量。

借助該現象可產生緊湊、高功率的光源。Inversion 預計，LWFA 可以將用于產生高能光的傳統粒子加速器縮小 1000 倍至桌面大小，也就是說，其尺寸將從幾公里縮小到一米左右；在相同數值孔徑（NA）的情況下，能將晶體管密度增加100％；基于該項技術，能將臨界尺寸均勻性提高 25%，顯著改善新型晶體管架構和計算范式（包括量子和可逆）的高深寬比特征的制造。

Inversion公司估計，它可以利用LWFA在短距離內將電子加速到數GeV的能量。這些高能電子隨后穿過自由電子激光器，該激光器利用磁結構使電子發射出精確波長的相干光。

據了解，該公司已與世界領先的激光波蕩器（LWFA）研發團隊——勞倫斯伯克利國家實驗室及其伯克利激光實驗室加速器（BELLA）——建立戰略合作伙伴關系。雙方的合作項目名為“激光波蕩器實驗”（LUX），或簡稱“BELLA-LUX”（意為“美麗的光”），初期將專注于提升激光穩定性，并使用其原型測試光的產生。

Inversion透露，在 BELLA-LUX 合作期間，公司的目標是打造一款高功率、可調光源——STARLIGHT?，F在，他們正在探索早期應用，以加速光刻技術的發展。特斯拉和應用材料等公司對工業 X 射線成像和半導體掩模檢測的潛在應用很感興趣。

公司的目標是產生1千瓦的軟X射線（20納米至6納米）。如果成功，這一里程碑將為用戶設施的建設奠定基礎，屆時預訂光束時間將像預訂SpaceX發射一樣簡單——只需使用信用卡即可。

同時，該公司將開發新型鏡面系統，用于反射和聚焦產生的X射線。這將使我們能夠使用由STARLIGHT驅動的初始LITH-0系統演示硅圖案化。

按照Inversion的計劃，公司將使用其先進的光源投射圖案，就像傳統的 EUVL 一樣，但該光源可調至 13.5 納米或更低的波長，下一代目標波長為 6.7 納米。此外，該公司聲稱，它可以在相同數值孔徑下使晶體管密度翻倍，同時實現現有機器三倍的吞吐量。該光源的亮度也可能足以照亮多個晶圓臺，因此一個光源搭配四臺或八臺光刻機將進一步提高制造效率。

向表面發射原子實現替代

此前，在挪威卑爾根，有一家名為Lace Lithography AS的公司希望使用向表面發射的原子來定義特征。據該公司生成，其分辨率超出了極紫外光刻技術的極限。

如上所述，傳統的 EUV 系統使用 13.5nm 波長的光，通過一系列反射鏡和掩模在晶圓上形成圖案。原子光刻技術能夠實現直接無掩模圖案化，其分辨率甚至小于受波長限制的 EUV 系統所能達到的分辨率。

該公司在其網站上聲稱：“通過使用原子代替光，我們為芯片制造商提供了領先當前技術 15 年的功能，而且成本更低、能耗更低。”

資料顯示，這個公司來源于歐盟的一個叫做FabouLACE的項目。據介紹，由EIC資助的FabouLACE項目計劃開發一款能夠改進尖端芯片功能的原型。成功的演示將為這些無與倫比的尖端芯片的商業化鋪平道路。

具體而言，該公司通過一種顛覆性的光刻方法，利用亞穩態原子和基于色散力的掩模，實現了2納米的尺寸。該技術目前處于概念驗證階段，受兩項專利保護，項目結束時將通過開發原型達到TRL 6。其性能將與 Imec（納米和數字技術創新（包括光刻技術）的開發、測試和早期應用的關鍵參與者）以及相關市場的最終用戶共同驗證。

該公司創始人在一篇論文中披露了他們這個光刻技術的工作原理：

在攝影或傳統光學顯微鏡中，物體會被多個光源照射。物體的圖像是由物體散射的光線穿過一系列透鏡，然后投射到具有空間分辨率的感光探測器/膠片上形成的。在氦顯微鏡和其他掃描成像技術（例如掃描電子顯微鏡 (SEM)）中，圖像的形成是通過聚焦或準直光束逐點照射樣品，并測量一個或多個探測器收集到的強度來實現的。

通過在光束下方對樣品進行光柵掃描（相當于在樣品上方對光束進行光柵掃描），通過亥姆霍茲互易原理（ Helmholtz reciprocity）生成從入射光束觀察到的圖像；這與掃描電子顯微鏡和雙光束攝影中使用的過程相同。圖1展示了掃描成像方法與寬照明成像方法的對比。原則上，氦顯微鏡也可以使用與攝影相同的成像原理。然而，以目前的技術還不可能構建具有空間分辨率的氦探測器，盡管有人建議可以用場電離檢測來實現。

幸運的是，通過使用菲涅爾區板（aFresnel zone-plate）聚焦光束可以實現更高的強度；理論計算估計，氦微探針的直徑可以減小到10納米量級。

在中性氦顯微鏡的設計中，區分橫向分辨率（由氦束大小決定，能夠區分樣品上空間分離的特征）和“角分辨率”至關重要，后者由探測器開口覆蓋的立體角決定。立體角越小，探測角越清晰。因此，角分辨率決定了準確了解特定方向上散射氦強度的可能性，但不會影響可觀測的最小特征尺寸。為了獲得良好的角分辨率，探測器的設計應在儀器信噪比允許的范圍內盡可能小地覆蓋立體角。

在當前的研究中（論文是2021年發布的），我們展示了應用于氦的光度立體成像（日光立體成像）是氦顯微鏡三維圖像重建的理想技術，因為樣品的逐點照明可以直接實現重建過程。表面重建僅需要少量圖像，這一點非常重要，因為與電子或氦離子顯微鏡相比，SHeM 儀器通常需要更長的時間來獲取圖像。日光立體成像需要從多個角度進行檢測，這可以在配備多個氦探測器的顯微鏡中同時實現，但我們也展示了如何利用樣品旋轉在單探測器儀器中獲得多個獨立的強度測量值。我們討論了正入射和非正入射氦光束；后者與旋轉相結合，可以重建樣品表面原本無法接近的部分。

在他們看來，這項技術能被應用于光刻機的光源。 根據規劃，2022 年成立的分拆公司Lace Lithography 將在 2031 年前將該技術推向市場。

用3D打印制造芯片

另一家行為Atum Works 在此前的文章中聲稱，其納米級 3D 打印技術可以輕松替代現有的芯片生產流程，并將芯片制造成本降低高達 90%。不過這項技術也有一個“前提”：其在邏輯芯片方面的能力已經落后主流技術約 20 年，但在封裝、光子學和傳感器等領域仍可能表現良好。

他們首先引述臺積電首席科學家H.-S. Philip Wong在2024年發布的言論表示，過去50年來，半導體技術的發展就像在隧道里行走。前方的道路清晰可見，因為有一條明確的路徑。每個人都知道該做什么：縮小晶體管的尺寸?，F在，我們已經到達了隧道的盡頭。 ”

如今，二維光刻技術在特征密度方面已遭遇根本性瓶頸，因此半導體行業開始堆疊二維層，以便在每個芯片上容納更多晶體管、位數和帶寬。

然而，堆疊的成本會隨著密度的增加而呈指數級增長，這與摩爾定律中成本不變的時代截然不同：一個10層高帶寬存儲器（HBM）封裝的成本大約是同等數量非堆疊DRAM的5倍。

Atum Works 于是指出，使用 3D 工藝來制造當今日益 3D 化的集成電路可以簡化這一問題，通過材料而不是層來擴展工藝復雜性，從而推動未來十年的持續進步?！拔覀兊?3D 光刻技術可以做到這一點：它能夠在晶圓規模上制造具有 100 納米分辨率的多材料 3D 結構?！盇tum Works 說。

具體而言，他們已經開發并制造出一臺納米級 3D 打印機，能夠以 100 納米的體素級（voxel-level）精度，在晶圓級尺度上構建多材料的三維結構。與傳統的平面光刻工藝不同（后者通過光掩模曝光將電路圖案刻蝕在硅片上），Atum Works 的系統可直接在三維空間中的精確位置沉積材料，從而制造集成電路，并能將如互連等結構在一個連續統一的過程中完成，這種方式有望提高良率。

相比之下，現代的極紫外光刻（EUV）設備已經可以達到約 13 納米的分辨率（例如應用材料的 Sculpta 可進一步將圖形精度控制在 12 納米），而當前蝕刻技術在垂直方向也可達亞 10 納米的精度。而 100 納米的分辨率對應的則是 2003 至 2005 年間所使用的 90nm-110nm 工藝節點。

盡管如此，Atum Works 的納米 3D 打印技術并不適合制造高性能處理器。但這種 3D 打印方式可實現直接的三維制造和多材料整合，這在封裝、光子學、互連結構、傳感器以及一些非邏輯器件領域具有潛在價值，在這些場景中，復雜 3D 設計的優勢可能比對極小特征尺寸的要求更重要。目前尚不清楚該 3D 打印系統是否能與現有晶圓廠的工具和流程兼容。

創造更復雜形式的能力使得更復雜的功能成為可能，這種對物質的精細控制不僅能實現芯片，還能實現生物技術、傳感和先進材料等更多領域的未來。Atum Works 強調，公司最近突破了這項技術的商業化成本門檻。公司目前正在與客戶洽談，并將在未來十年推動該技術產能呈指數級增長。

可以肯定的是，芯片制造技術過去幾年有了多種探索，但最后還是EUV勝出了，我們還看好上述新機會嘛？

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