光罩成本经济学如何影响高数值孔径EUV技术的普及

# 光罩成本经济学如何影响高数值孔径EUV技术的普及

光罩成本是否真成了拦路虎？其实并没有完全挡住前沿制程的路，但它在设计、节点和工艺选择中的分量，越来越重了。

高数值孔径EUV，对CD精度、EPE、局部CDU、光罩三维建模、拼接以及材料这几个维度的要求，会直接再上一个台阶。焦深减小这顶帽子，正在倒逼光刻胶、蚀刻、薄膜和吸收层材料领域做出回应。

围绕这些话题，Semiconductor Engineering邀请了一桌专家。与会者包括D2S首席执行官Aki Fujimura、美光运营经理Glen Scheid、HJL Lithography首席光刻工程师Harry Levinson，以及Synopsys产品管理高级总监Germain Fenger。以下是对话节选。

EUV光罩的可持续性与经济性

EUV光罩做起来既耗时间又烧钱。光罩本身就不便宜，每款器件需要的光罩数量还在持续攀升，而且损耗速度也在加快。现在这种光罩模式，能持续下去吗？光罩的经济账，是不是已经开始影响设计决策，比如想办法少用几块光罩？

在7nm时代引入EUV之前，光罩数量其实已经涨得非常快了，某些芯片甚至超过100张。EUV的好处在于，它可以用一次图案化，解决193nm需要两重甚至三重图案化才能搞定的事，所以局面反而有所改善。那些还没用上EUV的领域，想突破7nm，就得多用几重图案化才行。

市场分化其实已经很明显了。很多企业就算买得起EUV设备，也不会买——因为它们的产线或者晶圆厂的商业逻辑，核心就是控制成本。28nm节点已经能满足不少电子产品的需求，根本不用非要去卷14nm。业界现在很清楚，哪些地方该上EUV，哪些地方不值得。那些专心做成熟制程的晶圆厂，日子过得也很滋润。

对于前沿制程来说，EUV的价值完全没争议。最近GTC大会上，黄仁勋说GPU的订单规模已经到了1万亿美元——半年之前这个数字才5000亿。这个领域的资金还会持续涌入。AI已经证明了一件事：软件消耗更多算力，是能创造出更高价值的——不光是反赌，而是质变。这也解释了为什么大家抢着买核电站给AI工厂供电。和这个趋势相比，EUV的成本根本不叫事儿。高数值孔径EUV一台设备3.5亿美元，听着确实吓人，但从价值角度算，物有所值。

一家企业决定把EUV引入生产，肯定是先做过ROI测算，觉得划得来才会动手。但EUV量产之后，基础设施也搭起来了，每当我们考虑把某个层次换成EUV，或者扩大EUV的应用范围，光罩成本都是绕不开的考量因素——因为它会明显拉高运营支出。规模效应确实存在，专门采购的EUV设备可以通过生产更多光罩来分摊成本，但EUV材料本身相比总成本还是贵。就算现在市场好，ROI为正，未来就不一定了。所以在规格越来越高的前提下，我们必须持续降低成本，并且和供应商合作，找到不额外花钱的技术演进路径。

高产量产品显然能改善摊销，但成本压力还是在那儿。至于光罩成本到底有没有影响设计决策——单独因为光罩贵导致某个方案直接不走的情况，其实不常见。但它在讨论桌上永远是个重要因素。

我们在比较不同设计策略的时候，光罩成本确实会被纳入考量，但这完全取决于应用场景。对于前沿高性能计算产品，光罩成本的重要性远低于那些利润微薄的产品。生态定位不同，决策时的权衡自然也不一样。

另外值得注意，EUV曲线形光罩的成本最终会逐步接近传统曼哈顿光罩。随着多束流写入设备的普及，曲线形光罩的成本只会比曼哈顿光罩略高一点点。而且，如果在光罩设计中采用逆向光刻技术（ILT），本身就有可能减少单颗芯片需要的光罩数量——也就是从多重图案化变成单次图案化，直接降低了综合成本。

我们现在远没有到因为光罩贵就放弃下一代节点的地步。如果产量够大，芯片又能保持较高售价，这些技术肯定会被采用，而且目前看不到什么时候会停。但在其他应用领域，确实有企业没有采用最先进的技术，光罩成本是其中一个因素。有个做军用芯片的客户就给我留下了深刻印象——你可能会觉得军方预算这么多，这哪儿算问题？可全球一共只有19架B-2隐形轰炸机，给整个机队升级电子系统，也就需要19颗芯片加上备用件而已。就算在军用领域，光罩成本也是个问题。

再从功耗角度看：如果用专用集成电路替代通用芯片，优势是非常明显的。我们有足够充分的理由把功耗降到最低——比如延长手机续航、增加电动车续航里程。但专用芯片如果太贵，这些优势就会大打折扣——毕竟它的市场规模天然有限。现在的情况是，对于高带宽内存、GPU这类需求旺盛的产品，前沿制程上越来越贵的光罩成本还能消化；与此同时，继续压低成本同样重要——因为这是扩大市场的必经之路。所有这些经济力量都在同步博弈。

光罩经济学影响设计决策其实已经有相当一段时间了。这个趋势在低数值孔径EUV向3x纳米逻辑节距延伸，以及DRAM领域里特别明显——成本压力催生了一种布局方式：把外围区域和阵列成像整合到同一张光罩上。随着光罩数量和成本增加，设计师们越来越倾向于优化架构、节距和布局策略，目标是最大化光罩的复用率、最小化光罩的套数。这清楚地说明，光罩经济学对技术选择的影响正在加深。

高数值孔径EUV的技术挑战与创新方向

接下来看高数值孔径EUV。在材料、图案化技术和拼接这些方面，需要哪些创新才能支撑住这个级别的光刻？

高数值孔径EUV会把现有的光罩误差放大，而且在局部CD、EPE、局部CDU这些指标上，规格要求会变得越来越严。分辨率的要求也在提升。这些目标其实都可以实现，我们现在走的路线图是对的。每次技术转型都会带来新的规格要求，拼接就是其中之一。高数值孔径EUV需要拼接，目前有好几种不同的光罩交叉方式，每种都有它的难题。这项工作还在开发阶段，得持续攻克。

另外，高数值孔径EUV的三维效应预计会更明显，这要求我们改进光罩基底材料——比如用更薄的吸收层，甚至尝试不同的多层膜结构。这个领域还有大量未知需要探索。在上届BACUS会议上，已经有人在讨论基板怎么承受更高的热负荷了——这个需求同样适用于高功率低数值孔径扫描仪。这些变化会继续推动光罩厂、光刻团队和供应商之间的深度协作，一起把材料和规格的边界往前推。

高数值孔径EUV在精度要求上会实现一次阶跃式跨越——全流程各环节的模型和实际产品之间的容差，都会比以前更严。非对称放大率、偏振效应、光罩三维效应这些EUV新问题，Synopsys已经基本上解决了。但随着制程继续缩小、工艺余量不断变窄，模型精度永远是持续提升的主题。

拼接这方面，对光罩制造本身影响不大，但对光罩检测影响很大。光罩检测通常需要模拟扫描仪，然后把光罩图像和晶圆目标做对比。在拼接区域，要生成完整的晶圆图像，需要同时调用两张光罩。但问题是，目前还没有工具能同时加载两张光罩然后生成一张完整的晶圆图像。这可能是个技术缺口。虽然理想情况下想绕开它，但我认为绕不过。如果两张光罩都出现缺陷，我们怎么确认修复有没有效果？这会成为一个棘手的难题。

在这个问题上，我现在的态度比前段时间乐观。光罩三维效应确实对现有技术构成了根本性的限制，必须正面应对。这客观上需要新材料，计算复杂度也会大幅增加——但我们已经开始掌握它的规律了。今年SPIE Frits Zernike奖得主、弗劳恩霍夫研究所的Andreas Erdmann，在近期SPIE先进光刻与图案化研讨会上发表了一篇特邀演讲，提出了一个很有意思的问题：我们能不能不只是克服光罩三维效应，而是利用它？他认为，一旦搞清楚了它的内在机制，就可以因势利导地加以利用，针对性地调整材料特性。从想法变成现实还有很多工作要做，但这件事本身说明——几年前我觉得几乎无解的问题，现在已经透出光了。

罗切斯特理工学院的Bruce Smith正在重新审视我们已经用了十几年的钼硅多层膜结构，揭示出了在迈向高数值孔径EUV时一些需要更仔细关注的细节。路还长，但我对业界的聪明人才有信心。只要产品销售还在增长，研发投入就不会断，这些问题总能解决。

这个行业最让人佩服的地方在于：几十年来，我们面对过无数艰巨挑战，从来没有被击垮过。有时候需要跨越好几个节点，但总能找到办法。这是个了不起的社群——竞争对手之间都可以合作，一起把技术往前推。我也一样，对这个社群有坚定的信心。

具体到技术层面，一个关键问题是光罩上亚分辨率辅助图形（SRAF）需要做得多小。SRAF在设计上不是用来在晶圆上成像的，而是辅助离轴照明、扩大焦深的微型图形。焦深由公式k₂×λ/NA²决定，分母里那个平方项就是问题的根源。焦深在高数值孔径EUV里已经是公认的挑战，所以必须使用SRAF——而且它必须足够小，以避免意外成像。问题是，到底要做到多小？有些观点认为在光罩尺度上需要到15nm。但15nm在光罩上并不容易实现——当前写速够快的光刻胶无法可靠地做到15nm，变异量会太大。瓶颈其实不在多束流光罩写入机，而在光刻胶本身——它的速度和性能会成为决定性因素。我们在研究ILT和MPC，所以得先搞清楚问题边界在哪儿。如果是20nm，那完全没问题；如果是15nm，那就处于临界区域了。用先进多束流光罩写入机搭配金属氧化物光刻胶是可以实现极小图形的——纳米压印也在常规操作范围内。但纳米压印光罩是1:1尺寸比例，尺寸只有光罩的1/16，写入时间也会缩短到1/16。如果需要写完整的光罩，而且高数值孔径EUV还需要两张光罩，写入时间就成了不能忽视的限制因素。

在这个尺度上如何实现图形分辨，我也没有明确的答案。这是一个渐进演化的过程。每次到了技术瓶颈，业界总能找到突破的办法。所以我们有理由期待，束流速度会持续提升。每一代多束流写入机的束流数量都在增加，并行束流数量未来还有进一步扩大的空间。今天看起来是写入时间瓶颈的问题，到明天可能就不再是问题了。如果行业有需求，就一定能找到方案。

高数值孔径EUV在图案化领域既带来了重大挑战，也带来了全新机遇。其中一项关键变化是：更高的数值孔径导致光刻胶内的焦深减小，这直接限制了光刻胶的厚度，同时对光刻胶轮廓控制和工艺窗口提出了更严格的要求。为了支撑更薄的光刻胶，就需要新的图案化方案——包括引入本征蚀刻选择比更高的金属氧化物基光刻胶材料。这类材料同时推动了与光刻胶协同优化的新型蚀刻和薄膜技术的发展，来一起应对应力管理、缺陷控制和选择比这些难题。另外，高数值孔径系统固有的焦深缩减，也可以通过一些创新技术来部分缓解——比如泛林集团的三维工程化Aether干式光刻胶。干式光刻胶支持对光刻胶特性在纵向进行调控，提供调整吸收率的方法，从而有效增加下一代光刻所需的无缺陷焦深范围。

Q&A

A：目前来看，光罩成本并没有阻挡前沿制程的路，但它已经成为决策中的重要因素。对于高性能计算或GPU这类高价值产品，EUV和高数值孔径设备的高昂成本是合理投入；而对于利润低或小批量的产品，光罩成本确实会影响技术选型。行业的普遍共识是：持续降低光罩成本是扩大市场、维持竞争力的必要条件。

A：高数值孔径EUV需要用两张光罩拼接才能完成完整的晶圆图案，目前有好几种不同的拼接方式，但各自有独特的问题。尤其在光罩检测环节，现有工具还不支持同时加载两张光罩来生成一张完整的晶圆图像——这是一个迫切需要解决的技术缺口。而且，如果两张光罩都有缺陷，怎么验证修复效果？这个问题目前还没有清晰的答案。

A：高数值孔径EUV更高的数值孔径导致焦深明显缩小，这直接限制了光刻胶的可用厚度，同时收紧了轮廓控制和工艺窗口。为了应对，行业正在探索金属氧化物基光刻胶这类新材料，用来提升蚀刻选择比；同时，需要开发与之协同优化的新型蚀刻和薄膜技术。另外，干式光刻胶（例如泛林集团的Aether）通过纵向调控光刻胶特性，在一定程度上有望缓解焦深不足的压力。