光刻技術(shù)最佳替代者來了？芯片堆疊技術(shù)發(fā)揮“長處”
然而，前不久麻省理工學(xué)院（MIT）華裔研究生朱家迪突破了常溫條件下由二維（2D）材料制造成功的原子晶體管，每個晶體管只有 3 個原子的厚度，堆疊起來制成的芯片工藝將輕松突破 1nm。
目前的半導(dǎo)體芯片都是在晶圓上通過光刻/蝕刻等工藝加工出來的三維立體結(jié)構(gòu)，所以堆疊多層晶體管以實(shí)現(xiàn)更密集的集成是非常困難的。而且，現(xiàn)在先進(jìn)制程工藝的發(fā)展似乎也在 1~3nm 這里出現(xiàn)了瓶頸，所以不少人都認(rèn)為摩爾定律到頭了。
但是由超薄 2D 材料制成的半導(dǎo)體晶體管，單個只有 3 個原子的厚度，可以大量堆疊起來制造更強(qiáng)大的芯片。正因如此，麻省理工學(xué)院的研究人員研發(fā)并展示了一種新技術(shù)，可以直接在硅芯片上有效地生成二維過渡金屬二硫化物 (TMD) 材料層，以實(shí)現(xiàn)更密集的集成。但是，直接將 2D 材料生成到硅 CMOS 晶圓上有一個問題，就是這個過程通常需要約 600 攝氏度的高溫，但硅晶體管和電路在加熱到 400 攝氏度以上時可能會損壞。
這次麻省理工學(xué)院（MIT）華裔研究生朱家迪等人的研究成果就是，開發(fā)出了一種不會損壞芯片的低溫生成工藝，可直接將 2D 半導(dǎo)體晶體管集成在標(biāo)準(zhǔn)硅電路之上。此外，這位華裔研究生的新技術(shù)還有兩個優(yōu)勢：擁有更好的工藝+減少生成時間。
之前研究人員是先在其他地方生成 2D 材料，然后將它們轉(zhuǎn)移到晶圓上，但這種方式通常會導(dǎo)致缺陷，進(jìn)而影響設(shè)備和電路的性能，而且在轉(zhuǎn)移 2D 材料時也非常困難。相比之下，這種新工藝會直接在整個 8 英寸晶圓上生成出光滑、高度均勻的材料層。
其次就是能夠顯著減少生成 2D 材料所需的時間。以前的方法需要超過一天的時間來生成 2D 材料，新方法則將其縮短到了一小時內(nèi)。
“使用二維材料是提高集成電路密度的有效方法。我們正在做的就像建造一座多層建筑。如果你只有一層，這是傳統(tǒng)的情況，它不會容納很多人。但是隨著樓層的增加，大樓將容納更多的人，從而可以實(shí)現(xiàn)驚人的新事物。”
朱家迪在論文中這樣解釋，“由于我們正在研究的異質(zhì)集成，我們將硅作為第一層，然后我們可以將多層 2D 材料直接集成在上面。”
該技術(shù)不需要光刻機(jī)就可以使芯片輕松突破 1nm 工藝，也能大幅降低半導(dǎo)體芯片的成本，如果現(xiàn)階段的光刻機(jī)技術(shù)無法突破 1nm 工藝的話，那么這種新技術(shù)將從光刻機(jī)手中拿走接力棒，屆時光刻機(jī)也將走進(jìn)歷史。
光刻機(jī)有沒有可能被替代？
隨著半導(dǎo)體市場的飛速發(fā)展和需求的不斷增加，對于芯片制造過程中最關(guān)鍵也是最費(fèi)時的步驟之一——光刻技術(shù)的要求也越來越高。在當(dāng)前的光刻機(jī)市場中，euv（extreme ultraviolet）光刻機(jī)已經(jīng)成為了不可或缺的存在。然而，由于其生產(chǎn)難度極高，制造成本巨大，而且目前全球僅有少數(shù)品牌能夠生產(chǎn)，euv光刻機(jī)供應(yīng)又十分緊張，這導(dǎo)致許多廠商急需尋找代替方案。
目前，業(yè)內(nèi)提出了三種主要的替代方案：多重e-beam光刻機(jī)、半導(dǎo)體納米印刷和投影微影系統(tǒng)。其中，多重e-beam光刻機(jī)是最受關(guān)注的一個選擇，也是商業(yè)化開發(fā)最為成熟的。多重e-beam光刻機(jī)即使用電子直接將圖形投射進(jìn)去，通過像素逐點(diǎn)曝光的方式制作芯片。相較于euv光刻機(jī)，其優(yōu)勢在于實(shí)現(xiàn)了快速制造，而且能夠保證高精度、高分辨率的需求。半導(dǎo)體納米印刷是運(yùn)用浸染法將圖形印在芯片上，具有**造成本和快速生產(chǎn)的優(yōu)勢。投影微影系統(tǒng)則通過超小尺寸stereolithography技術(shù)來實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)圖案制作。
近年來，歐美和日本等國家先后推出了三種替代極紫外（EUV）光刻機(jī)的方案以應(yīng)對芯片行業(yè)中面臨的瓶頸問題。不過，遺憾的是中國在這些替代方案上并未表現(xiàn)出突出的實(shí)力。
EUV光刻機(jī)是制造芯片所需的重要設(shè)備之一，其采用的是波長短達(dá)13.5納米的極紫外光源進(jìn)行刻寫工作。然而，由于該技術(shù)存在著復(fù)雜性高、成本昂貴等問題，如今EUV光刻機(jī)的市場供應(yīng)量十分有限，導(dǎo)致了無法滿足芯片工藝需要的情況發(fā)生。因此，各個國家紛紛投入大量資源研發(fā)替代方案，以改善行業(yè)的發(fā)展瓶頸和加強(qiáng)自身核心競爭力。
在替代方案研究方面，日本和韓國等國家較早啟動了相關(guān)研究工作，并先后推出了 EUV+ALT、EUV+玄武芯片刻寫機(jī)等方案，通過利用多重曝光、多層平面化等技術(shù)手段解決了EUV技術(shù)存在的問題。同時，在技術(shù)儲備、研發(fā)經(jīng)驗(yàn)等方面也積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。
然而，與日韓相比，中國在這些替代方案上并未表現(xiàn)出突出的實(shí)力。目前，中國在EUV光刻機(jī)領(lǐng)域存在著技術(shù)普及不足、相關(guān)配套設(shè)施建設(shè)滯后、核心競爭力不強(qiáng)等問題。雖然中國政府高度重視該技術(shù)，并出臺一系列政策鼓勵企業(yè)參與研發(fā)，但由于這些替代方案的核心技術(shù)仍然由外國公司壟斷，因此中國在技術(shù)、市場和收益等方面都存在較大差距。
回顧歷史，在信息技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展過程中，中國所面臨的困難和壓力也非常大，尤其對于芯片行業(yè)來說，應(yīng)對國際競爭和技術(shù)瓶頸一直是一個艱巨的任務(wù)。然而，中國芯片產(chǎn)業(yè)憑借著國家政策、人才優(yōu)勢等綜合優(yōu)勢，以及企業(yè)家們不懈的探索與努力，逐漸擺脫依賴進(jìn)口，開始向技術(shù)創(chuàng)新和自主研發(fā)領(lǐng)域邁進(jìn)。
在此背景下，如果中國想要在EUV技術(shù)上達(dá)到突破和領(lǐng)先，需要更多的投入、積累和創(chuàng)新。尤其現(xiàn)在世界各國都開始采取措施保護(hù)本國產(chǎn)業(yè)和技術(shù)，這對于中國在EUV技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展意義非常重大。因此，我們期待著中國芯片制造企業(yè)未來加速擴(kuò)大投資、整合資源，并緊盯市場需求，推出更具優(yōu)勢的替代方案，從而在全球智能制造的領(lǐng)域中占據(jù)更為重要的位置。
芯片堆疊技術(shù)前景
由于眾所周知的原因，中國芯片至今無法獲得EUV光刻機(jī)，這就導(dǎo)致中國在推進(jìn)7nm工藝乃至更先進(jìn)的工藝方面始終無法突破，但是中國芯片行業(yè)并未坐等，采取了兩條路線齊步走的方式發(fā)展芯片。
其中一條路線就是積極推進(jìn)國產(chǎn)芯片制造產(chǎn)業(yè)鏈的完善和技術(shù)升級，至今關(guān)于芯片制造的八大環(huán)節(jié)除了光刻機(jī)之外都已進(jìn)展到14nm工藝，其中刻蝕機(jī)更已進(jìn)展到5nm工藝，刻蝕機(jī)甚至已獲得臺積電的認(rèn)可；至于光刻機(jī)也在關(guān)鍵的激光、鏡頭等方面取得突破，可以預(yù)期光刻機(jī)實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化就在眼前。
另一條路線則是研發(fā)先進(jìn)的封裝技術(shù)，這方面以某科技企業(yè)提出的芯片堆疊技術(shù)最為知名，它已先后獲得了兩件關(guān)于芯片堆疊技術(shù)的專利，由此它在芯片堆疊技術(shù)方面已在國內(nèi)居于領(lǐng)先地位。
芯片堆疊技術(shù)是封裝技術(shù)的一種，該科技企業(yè)是將兩枚同樣以14nm工藝生產(chǎn)的芯片堆疊在一起，從而取得接近7nm工藝的性能；另一種封裝技術(shù)則是將處理器、存儲芯片、GPU等多種芯片封裝在一起，如此可以大幅提升各個芯片之間的互聯(lián)效率，從而提升整體效率。
上述兩種封裝技術(shù)在海外都已被采用，其中擁有最先進(jìn)芯片制造工藝的臺積電就以它研發(fā)的3D WOW封裝技術(shù)將兩枚以7nm工藝生產(chǎn)的AI芯片封裝在一起，性能提升幅度比5nm還要高；AMD則是將CPU、GPU和內(nèi)存芯片封裝在一起提升了整體的性能。
封裝技術(shù)可以在當(dāng)下2nm、1nm工藝研發(fā)日益困難以及成本提升太快的情況下，以現(xiàn)有工藝生產(chǎn)出性能更強(qiáng)、成本更低的芯片，在臺積電和AMD都先后以封裝技術(shù)生產(chǎn)芯片之后，它們與Intel等眾多企業(yè)聯(lián)合推出了chiplet標(biāo)準(zhǔn)，希望形成全球通行的封裝技術(shù)。
如今國內(nèi)的主流媒體轉(zhuǎn)發(fā)了關(guān)于封裝技術(shù)的文章，或許代表著國內(nèi)的封裝技術(shù)也已即將接近商用，此舉對于中國芯片行業(yè)尤為有重要意義，因?yàn)閲鴥?nèi)量產(chǎn)的最先進(jìn)工藝為14nm，與海外的芯片制造工藝存在不小的差距，而封裝技術(shù)可以大幅提升現(xiàn)有工藝生產(chǎn)芯片的性能，將有助于增強(qiáng)中國芯片的競爭力。
當(dāng)然中國芯片也并不會停止先進(jìn)工藝的研發(fā)，據(jù)說中芯國際推進(jìn)的N+1、N+2工藝已相當(dāng)接近7nm工藝，而中芯國際的CEO梁孟松當(dāng)年在三星的時候也幫助三星研發(fā)以DUV光刻機(jī)生產(chǎn)7nm工藝，因此中國依托于現(xiàn)有的光刻機(jī)也將無限接近7nm工藝，再加上封裝技術(shù)，在芯片性能方面達(dá)到5nm也是有可能的。
