受出口管制影响,ASML最先进的EUV光刻机无法进入中国,中国芯片制造商只能依靠较老的DUV设备,通过多重曝光在关键层上反复刻印,以生产性能可用的芯片。华为Mate 60 Pro搭载的麒麟9000S由中芯国际以第二代7nm级工艺制造,未使用EUV;近期对麒麟9030的分析显示,中芯国际基于DUV的工艺已进一步逼近5nm制造所对应的密度,但仍落后于台积电和三星的领先工艺。
多重曝光的原理并不复杂:把原本过于复杂的芯片层拆分成多个较简单的图案,分次曝光后再叠加,最终近似出目标层。但每一步都会引入新的对准误差和工艺波动。Fractilia联合创始人兼CTO Chris Mack在采访中表示,行业早期的共识是,在193浸没式设备上做三次曝光,成本大约与EUV一次曝光相当;一旦掩膜数达到四张,EUV在成本上就更划算,而且缺陷更少、质量更高。
成本压力不止来自曝光次数。每多一次曝光,晶圆上的图案就必须与下方已刻蚀的结构精确对齐,累积的工艺偏差会降低良率。设计者可以留出更大间距来保证可制造性,但这会增大芯片面积。晶圆本身价格高达数万美元,每片晶圆能切出的合格裸片数量直接决定产出。Mack说,卖的不是晶圆而是裸片,关键问题是一片晶圆能放多少裸片、其中多少能通过良率,从而决定每片晶圆能卖出多少芯片。
效率差距在存储芯片上已有数据佐证。摩根士丹利6月报告估计,中国DRAM制造商长鑫存储每片晶圆产出的比特数仅为西方竞争对手的三分之一左右,分析师认为老一代制程节点只能解释其中约三分之一,光刻能力才是中国存储发展的硬天花板。哥本哈根商学院研究员Douglas Fuller表示,先进逻辑芯片理论上可以绕开EUV另寻创新,但效率和效果都不会理想。
这也意味着,简单宣称中国达到某个制程节点需要谨慎对待。Mack直言,所谓7nm、5nm、3nm节点这些说法几乎没有意义。中芯国际的N+3工艺据报在5nm级制造上取得实质进展,但实际测量显示其密度仍明显低于三星和台积电成熟的5nm工艺。
不过,DUV的潜力并未耗尽。美光曾完全依靠DUV、多重曝光和严格的工艺控制,开发出具有竞争力的1-alpha代DRAM,未使用EUV。Mack评价美光把193设备推得比其他存储厂商都远。摩根士丹利认为,长鑫存储计划用于HBM3e的1-alpha DRAM在不依赖EUV的情况下可以实现,美光就是例证。Fuller预计,到本十年末,先进封装将允许企业用DUV生产最新几代DRAM。美光的做法也提供了一种思路:围绕现有制造技术设计产品,而非简单在旧设备上复刻EUV工艺。