今天小编分享的科技经验:另辟蹊径:日本NIL与中国LDP,谁能撼动ASML EUV?,欢迎阅读。
文 | 孙永杰
众所周知,光刻技术是现代半导体制造的核心,直接决定了芯片的性能、尺寸和成本。在这场技术竞赛中,荷兰的 ASML 凭借其极紫外光(EUV)光刻技术占据了无可争议的霸主地位。不过,近日,国内外媒体及网络接连曝出佳能通过纳米压印光刻(NIL)以及中国通过激光驱动等离子体(LDP)技术挑战 ASML 的新闻,并在业内再次引发了光刻机之争。
那么问题来了,以佳能为代表的日本 NIL 和中国的 LDP 谁更有可能成为 ASML 最现实和有力的挑战者?
深积淀与高壁垒,ASML 缘何在 EUV 一枝独秀?
提及 ASML 的 EUV 光刻机,首先从技术层面看,其技术的核心在于利用 13.5 纳米波长的极紫外光,通过激光驱动等离子体(Laser-Produced Plasma, LPP)生成光源,将复杂电路图案投影到硅晶圆上。这一过程涉及每秒向真空室喷射 5 万滴熔融锡珠,经历两次激光冲击:第一次弱激光将其压扁为薄饼状,第二次强激光将其汽化为高温等离子体(温度高达 22 万摄氏度,约为太阳表面温度的 40 倍),从而发射 EUV 光。随后,光线通过超平滑的多层反射镜聚焦,照射载有芯片蓝图的掩膜版,最终将图案蚀刻到涂有光刻胶的晶圆上。
不过,这还只是 EUV 技术复杂性的一隅。为了实现稳定的光源输出,需要精确控制激光的强度、脉冲频率和目标锡珠的大小与位置。产生的 EUV 光极易被吸收,因此整个光路都必须在超高真空中进行,并采用特殊的多层镀膜反射镜进行反射和聚焦。这些反射镜的表面精度需要达到原子级别,任何微小的缺陷都会严重影响成像质量。
更为关键的是,ASML 上述的 EUV 技术并非一蹴而就,而是历经数十年的研发和投入,克服了无数的技术难题才得以实现商业化,并为 ASML 带来了现今市场上独树一帜的优势,例如其支持 7 纳米及以下制程,分辨率极高,满足了现代芯片对小型化和高性能的需求。
除上述技术积淀外,ASML 的壁垒还体现在其对全球供应链的有效整合和掌控上。EUV 光刻机的许多关键零部件,例如光源、光学元件、精密轴承等,都来自于全球顶级的供应商(光源依赖美国 Cymer 公司,镜片依赖德国 Zeiss 等),ASML 通过与这些供应商建立长期稳定的合作关系,并投入资金支持他们的研发,形成了一个高度依赖 ASML 的生态系统。这种复杂的供应链关系,使得任何想要进入 EUV 领網域的竞争者,不仅需要自身拥有强大的技术积淀和实力,还需要能够整合全球范围内的顶尖资源,而要短期内构建类似的供应链体系,难度可想而知。
最后从市场的角度,台积电、三星和英特尔等全球领先的芯片制造商,为了在激烈的市场竞争中保持技术领先,不得不采用最先进的制程工艺,而这又离不开 ASML 的 EUV 光刻机,这使得 ASML 与客户形成了深度绑定和难以撼动的依赖网络壁垒。
其实,不要说 EUV,即便是在相对成熟的工艺节点,由于 ASML 在 DUV(深紫外光刻)领網域也拥有领先的技术和广泛的客户基础,其设备依然占据超过 90% 的市场份额的事实,再次证明 ASML 在整个光刻市场都具有强大的竞争力壁垒。
另辟蹊径,NIL 与 LDP 优劣分明
正是基于上述 ASML EUV 的深积淀与高壁垒,决定了其他厂商要想以同样的技术路线实现替代或者赶超几无可能,惟有另辟蹊径。而这也是近日佳能 NIL 和中国 LDP 技术路线在业内引起强烈反响和争论的主要原因。
需要说明的是,由于 NIL 和 LDP 应用于光刻领網域均属首次,所以现阶段无从谈及在生态及市场层面与 ASML 的 EUV 进行比较,只能单纯从各自技术的层面来看看它们的优劣。
我们先来看下佳能的 NIL。该技术是一种非光学光刻方案,通过物理模板直接将电路图案压印到晶圆上,跳过了传统光刻的光源投影等步骤。其工艺包括使用电子束刻制高精度母版、在晶圆上滴注液态树脂、通过模具压印图案,最后用紫外光固化树脂。
正是由于跳过了传统光刻的光源投影等步骤,NIL 的设备结构相对简单,在减少设备体积和技术门槛的同时,其理论上的制造成本和能耗远低于 EUV(佳能宣称 NIL 设备成本比 EUV 低 40%,约为 1500 万美元,能耗仅为 EUV 的 1/10),如果能够成功实现大规模量产,NIL 有望显著降低芯片的制造成本和运营成本,从而为更广泛的应用领網域提供经济可行的解决方案。
此外,由于 NIL 通过物理接触进行图案转移,其分辨率原则上只受限于模板的精度。而随着纳米加工技术的进步,制造出更高分辨率的模板变得可行,这为 NIL 在未来实现超越 EUV 分辨率的可能性留下了想象空间。
所谓事物总有两面性,尤其是对于已有技术的新应用更是如此。与上述的优势相比,NIL 的劣势也相当明显,且彼此具有密切的相关性。
其中最致命弱点在于模板上的任何微小缺陷都会直接转移到晶圆上,导致整片晶圆报废。但制造出大面积、无缺陷的纳米级模板本身就是一个巨大的挑战,而如何在压印过程中避免引入新的缺陷也至关重要,这些均增加了工艺复杂性。此外,高精度模板的制造成本和使用寿命也是需要考虑的因素。
其次,由于现代逻辑芯片通常是多层结构,需要极高的纳米级层间对准精度,而在 NIL 工艺中,由于是物理接触,如何确保每一层都与前一层精确对齐是一个非常复杂的问题,尤其是在面对越来越复杂的 3D 芯片架构,例如在制造尖端 CPU 或 GPU 时,NIL 的对准精度可能难以满足小于 5 纳米的层间要求,这限制了其在逻辑芯片领網域的应用。
也许正是由于上述缺陷和制造工艺的复杂性,导致目前 NIL 的生产效率远低于 EUV(据称 NIL 当前吞吐量仅为每小时 110 片晶圆,远低于 EUV 的 170-220 片),这严重限制了其在大规模芯片制造中的应用和竞争力。
与佳能 NIL 应用在光刻领網域类似,中国的 LDP 在光刻方面也具有不可回避的两面性。
具体到 LDP(激光驱动等离子体),其是通过激光诱导放电电离锡或其他材料,生成 13.5 纳米波长的 EUV 光,与 ASML 的 LPP 技术同属光学光刻类别,这点也是其与佳能 NIL 最本质的区别。
与 ASML 的 EUV 相比,LDP 无需掩膜版(省去了昂贵的掩膜版设计和制造环节),从而可以显著降低芯片研发的成本和周期,同时,为小批量、定制化的芯片生产以及快速原型设计提供了极大的便利。例如,LDP 可能在物联网芯片或模拟芯片等小规模定制市场中找到立足点,这些领網域对生产效率要求较低,但对设计灵活性需求较高。
此外,由于 LDP 与 ASML 的 LPP 技术同属光学光刻类别,其理论上可利用现有 EUV 生态(如光刻胶、掩膜工艺等),减少产业切换成本。
但祸兮福所倚,福兮祸所伏。正是由于 LDP 与 ASML 的 LPP 技术同属光学光刻类别,走与 ASML EUV 直接竞争的路线,LDP 的劣势也更为明显,或者说被放大了。
例如受到激光波长衍射极限的限制,传统的 LDP 技术很难实现 EUV 级别的分辨率。虽然可以通过一些先进的激光技术(如双光子聚合等)提高分辨率,但距离制造最先进的逻辑芯片所需的精度仍然有很大差距。据哈尔滨工业大学 2024 年发表的研究,其 LDP 光源功率仅达 80W,远低于 ASML 的 250W 工业标准。
此外,激光逐点扫描的写入方式决定了 LDP 的生产效率非常低下,难以满足大规模集成电路制造的需求。即使采用多束激光同时写入,其效率也远不及基于掩膜版的光刻技术。
而更为不确定性的劣势是,LDP 需开发高精度光学系统(如亚纳米级镜面)和控制軟體等的无缝集成,而这些关键部件(如镜片、光源组件)和控制軟體现在还部分依赖进口,先不说相比于成熟的 LPP 技术,LDP 在设备、材料、工艺流程等本身都缺乏完善的生态系统,需要大量的研发和投入才能建立,如果再加上上述依赖进口可能存在卡脖子的风险,基于 LDP 生态的建立可能会相当艰难、缓慢和耗时耗力。
积跬步以至千里,NIL 与 LDP 谁更胜一筹?
如上,我们不难看到,无论是佳能的 NIL,还是中国的 LDP 技术路线,与现有的 ASML 的 EUV 相比,都是优劣分明。那么同样作为挑战者,谁的技术路线更有可能胜出呢?
从前述,首先,NIL 的核心目标是实现高分辨率的图案转移,这与制造高性能、高集成度的先进芯片的需求直接相关。虽然 NIL 的挑战集中在缺陷、制造工艺和生产效率上,但其解决方案路径相对清晰,例如优化模具耐用性和提升压印速度即可逐步接近 EUV 的吞吐量,而佳能可利用其光学和机械技术积累,逐步攻克这些挑战。
提到佳能在光学和机械技术的积累,我们这里需要补充说明的是,佳能作为全球知名的光学设备制造商,拥有悠久的光学技术研发历史和强大的精密制造能力,这为其 NIL 技术的研发和产业化提供了坚实的基础,例如佳能在光学领網域积累的经验(比如在镜头设计、精密控制等方面),可以借鉴到 NIL 设备的开发中。更重要的是,佳能曾经也是光刻机市场的参与者(20 世纪 90 年代曾是 DUV 光刻机的领先供应商之一,其技术底蕴不容小觑),对芯片制造工艺有一定的了解,这有助于其 NIL 技术更好地适应行业需求。
反观 LDP,除了挑战更为复杂,比如光源需达到工业级功率(188W 以上)、光学系统需亚纳米级精度、控制軟體需无缝集成等,而这涉及到多学科协同,技术门槛远高于 NIL,且实现路径尚不明朗外,更关键的还是缺乏像佳能的相关技术的深厚积淀。
其次,从市场商用的角度,佳能 NIL 已迈出实验室,进入商业化初期。例如根据《经济学人》的报道,2025 年 3 月其设备已在存储芯片(如 3D NAND)和显示屏领網域应用,而 TSMC 的测试进一步验证了其可行性。佳能宣称其 NIL 设备已实现每小时 130 片晶圆的吞吐量(2025 年初数据),并计划 2026 年提升至 180 片,逐步逼近 EUV 水平。
相比之下,中国 LDP 技术仍处于研发阶段,虽然哈尔滨工业大学等机构在光源技术上取得了一定的突破,但距离展示完整的、可用于工业级量产的光刻系统,以及提供可靠的量产吞吐量和良率数据,还有相当长的路要走,而关于 2025 年第三季度试产的目标,目前公开信息有限,其可行性和最终的工业应用能力仍有待观察。
第三从生态系统看,NIL 本质上还是一种基于晶圆的制造工艺,其流程在某些方面与传统的光刻技术有相似之处,例如都需要涂胶、显影等步骤,更容易被现有的芯片制造生态系统所接受,而这意味着,芯片制造商在导入 NIL 技术时,可能不需要对现有的生产线进行大规模的改造,从而降低了导入成本和风险。当然,这里我们还没有将佳能作为全球光学和成像技术的领导者,其自身就拥有强大的品牌影响力和技术基础,与 TSMC 等厂商的合作通畅,供应链整合能力强的因素计算在内。相比之下,中国 LDP 作为一种与现有 EUV 技术路线相似但又存在差异的新兴技术,其生态系统的建立需要从基础研究、材料、零部件、设备制造到工艺验证等多个环节的长期投入和协同发展,其难度和所需时间可能比我们文中的描述还要大。
最后考虑非市场和技术因素(这点恐怕更为重要),佳能 NIL 面临的外部环境相对宽松,在技术交流和国际合作方面受到的限制较少,这有助于其在全球范围内整合资源,加速技术发展。此外,佳能将 NIL 定位为 ASML EUV 的补充,主要着眼于成本敏感型应用和特定工艺环节,而非直接取代 EUV,这可能有助于降低市场阻力。而中国 LDP 技术则面临着更为复杂的外部环境,尤其是在关键技术和零部件方面可能受到出口限制,这无疑会增加其研发和产业化的难度。不过,中国政府的半导体自给政策(如 " 十四五 " 规划)和百亿级资金投入,或将为 LDP 提供长期支持。
写在最后:
所谓积跬步以至千里。ASML 在 EUV 领網域现今无可撼动的地位,正是来自于数十年如一日的技术积累和持续创新。而面对 NIL 和 LDP 的挑战,ASML 并非毫无应对。其下一代高数值孔径(High-NA)EUV 光刻机已开始交付,分辨率可达 2 纳米以下,这将进一步拉开与竞争者的差距。
由此来衡量佳能的 NIL 和中国的 LDP 技术,我们认为,佳能的 NIL 在现阶段和可预见的未来,更有可能在特定领網域和特定应用场景下对 ASML 构成一定的挑战。相比之下,中国在 LDP 技术上的探索,更像是着眼于长远的战略布局,旨在突破技术封锁,实现自主可控。究竟谁能最终在未来的光刻技术竞赛中占据更有利的位置,时间和市场将会给出最终的答案。