深度 | 半導體巨頭押注的 EUV 光刻，真能拯救摩爾定律嗎？（上）

本文作者：奕欣

2016-11-09 15:33

導語：戈登·摩爾所提出的摩爾定律，一直環(huán)繞著偉大而悲慘的光環(huán)：它似乎總在觸碰半導體工藝的極限，卻又在即將衰亡時因黑科技的拯救而重獲新生。

編者按：當價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔 18-24 個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。戈登·摩爾所提出的摩爾定律，一直環(huán)繞著偉大而悲慘的光環(huán)：它似乎總在觸碰半導體工藝的極限，卻又在即將衰亡時因黑科技的拯救而重獲新生。

如果光刻技術要數(shù)現(xiàn)代集成電路上的第二大難題，那么絕對沒有別的因素敢稱第一。目前，193nm 液浸式光刻系統(tǒng)是最為成熟的技術，它在精確度及成本上達到了一個近乎完美的平衡，短時間內(nèi)很難被取代。不過，一種名為極紫外光刻（EUV 光刻）的技術半路殺出，成為近年來英特爾、臺積電等芯片公司追捧的新寵。有人認為 EUV 光刻能夠拯救摩爾定律，但事實是否真的如此？本文分上下兩篇，首發(fā)于 IEEE，作者 Rachel Courtland，雷鋒網(wǎng)搗泥、何忞及奕欣編譯，未經(jīng)許可不得轉載。

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EUV實地測試：在位于紐約阿爾伯尼的紐約州立大學理工學院里，這臺EUV光刻機（型號ASML NXE: 3300B）被用來刻出芯片表面的容貌。從圖中這臺設備前方的靠底部位置，可產(chǎn)生用來曝光晶圓表面的EUV光。機器遠端連接了一條導軌，可以給晶圓在曝光前覆上涂層，并處理曝光后的工作。

即使你穿了兔子套裝一樣的超凈服并置身 Fab 8 其中，你還是很難想象它有多大。位于紐約阿爾伯尼北部山林中，價值 120 億美元的 GlobalFoundries 制造中心，成行成列地擺放著高大的機器。如同倒掛的微型過山車一般，天花板上的軌道里，有裝載晶圓的運輸設備從頭頂呼嘯而過。如果時機湊巧，你就可以見證運輸設備把晶圓裝載到生產(chǎn)設備的過程。隨之，產(chǎn)品就將迎來三個月的生產(chǎn)周期，設備會把盤子大小的裸硅晶圓加工成可用在智能手機、電腦和服務器里面的芯片。是的，如果在公歷新年開始制作一個微處理器，可能要等到春天才能完成。

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ASML

機器內(nèi)部：EUV 的產(chǎn)生，需要把二氧化碳脈沖激光發(fā)射到管道中，并在管道中與微型的錫液滴碰撞，進而產(chǎn)生等離子體。

這臺位于 ASML 荷蘭費爾德霍芬總部，經(jīng)過特殊組裝的EUV光刻機，是該公司最新的產(chǎn)品之一

光刻是工廠的心跳

在這種先進制造過程中，一塊晶圓要經(jīng)歷至少 60 次這樣的錘煉：表面被覆上光敏材料，隨后進入一個密閉光照的光刻機。在其中，經(jīng)過一道名為“光蝕刻”的工藝，激光會打在預制刻有線路的平板上，隨后在晶圓表面投射出被縮小的線路。由此可以產(chǎn)生超級精密的線路，以便制成精密半導體和導線電路，成為最先進的處理器的內(nèi)部構造。

幾乎沒什么特點能把這些光刻機從其他無數(shù)自動設備的海洋中區(qū)別出開來，也不會有什么紅色的標識牌閃亮著標明“此處為重要工序”。但 Fab 8 的總經(jīng)理 Tom Caulfield 解釋道，光刻“是工廠的心跳”。

如果把這些光刻機當作是摩爾定律的前沿陣地，人們就會更容易意識到，在五十多年中，不斷把集成電路的半導體密度翻倍，代表了多么驚人的工藝進步。數(shù)十年來，包含光蝕刻在內(nèi)的一系列持續(xù)而顯著的突破，使得芯片廠商可以不停地縮小芯片工藝、維持研發(fā)周期并相對經(jīng)濟地把更多晶體管放到芯片里。這些進步使得我們可以從上世紀七十年代，芯片有幾千個晶體管的情況，發(fā)展到如今的幾十億個。

但為了行業(yè)持續(xù)的良性發(fā)展，GlobalFoundries 和其他芯片界領軍公司卻不能只依賴以往的高端光蝕刻技術。為此，他們正冥思苦想，意圖進行一次重大的也是最具挑戰(zhàn)性的轉變。

從行業(yè)創(chuàng)立之初，半導體光蝕刻就是通過電磁波輻射，即光照，來實現(xiàn)的。但半導體企業(yè)現(xiàn)在看重的技術里，輻射變成了另外一種東西。它的名字叫極紫外光（EUV），但不要被這個名字所迷惑。與當前的光刻機不同，EUV 無法在空氣中傳播，也不能通過透鏡或者傳統(tǒng)鏡面聚焦。

EUV 的產(chǎn)生也很是困難。首要的一步，是將激光照向一束快速射出的熔融態(tài)錫液滴流。此舉是為了讓制造出的光刻機能使用 13.5nm 波長的光（這種波長是當前最先進機器所用波長的十分之一），進而光刻機可一次完成以往需要多次曝光的蝕刻，從而為半導體公司節(jié)省成本。

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ASML

光刻機內(nèi)部：為了實現(xiàn) EUV 光刻，工程師們只能讓透鏡靠邊邊了。一系列反射鏡可以把 EUV 輻射從光刻機的光源位置（右下方）傳輸?shù)焦庋谀０迳稀Ｑ谀０迳蠋в行枰g刻的線路，并可將 EUV 傳遞到晶圓上。附加的導軌（左側，未出現(xiàn)在圖中），負責晶圓在光刻機的運入和運出。掩模板有自身獨立的出入口。

但是，創(chuàng)造一個亮度和可靠性足夠，且能在工廠每天 24 小時、全年不間斷運行的 EUV 系統(tǒng)是一個著名的工程難題。多年來，EUV 技術遇到了很多質疑和無數(shù)次的失敗，但是如今，它離實現(xiàn)只有一步之遙了。

EUV 光刻技術

現(xiàn)在，科技的發(fā)展的確到了一個轉折點。荷蘭的光刻工具制造商 ASML Holding 生產(chǎn)的 EUV 光源即將開始商業(yè)化投產(chǎn)。作為技術領航人的 ASML 公司，目前已經(jīng)開始發(fā)貨 EUV 光源，預計在 2018 年可實現(xiàn)最新的微處理器和存儲器的批量生產(chǎn)。世界最先進的芯片制造商正在籌備將這些機器應用到自己的生產(chǎn)線中。

這樣做的風險很高。摩爾定律正在面臨巨大挑戰(zhàn)，沒有人能確定去年總產(chǎn)值為 3300 億美元的半導體產(chǎn)業(yè)將如何引導 5 年或是 10 年內(nèi)的發(fā)展，也無人知曉“后摩爾定律”時代的半導體行業(yè)未來會是什么樣子，利潤的下降也可能是無法避免的。但是如果摩爾定律能有效地避免半導體行業(yè)營業(yè)額下降，即使只有 15%，它的現(xiàn)金流仍然是整個美國游戲產(chǎn)業(yè)營業(yè)額的兩倍。

光蝕刻系統(tǒng)制造的精細程度取決于很多因素。但是實現(xiàn)跨越性進步的有效方法是降低使用光源的波長。幾十年來，光刻機廠商們就是這么做的：他們將晶圓曝光工具從人眼可見的藍光端開始逐漸減小波長，直到光譜上的紫外線端。

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圖中是 ASML 公司產(chǎn)品上的曲線和折角。EUV 與現(xiàn)在使用的 193nm 光源的多重成像技術（左）相比，保證了產(chǎn)品有更加尖銳的形狀（右）。圖中線的最小寬度為 24nm。

80年代后期，半導體行業(yè)開始用激光代替汞燈作為光源，將波長從365nm 降低到 248nm。但是一些研究者們已經(jīng)開始計劃一個更大的進步——向X射線范圍挺近。當時就職于日本電信公司 NTT的 Hiroo Kinoshita 在 1986 年發(fā)表了使用 11nm 射線的結果。另外還有 AT&T 公司的貝爾實驗室和 Lawrence Livermore 國家實驗室也分別實踐了這種技術。1989 年，一些相關研究學者在光蝕刻學術會上碰面并交換了研究思想。再后來，相關的研究開始得到國家和行業(yè)內(nèi)的贊助。

90年代后期，ASML 公司和其他一些合作伙伴開始研究后來廣為人知的技術——EUV 光刻技術。也是這個時候，在 ASML 公司荷蘭總部 Veldhoven 小鎮(zhèn)長大的 Anton van Dijsseldonk ，成為了公司開展該項目的第一個全職雇員。van Dijsseldonk 回憶道：“摩爾定律的終點已經(jīng)被大家所預見到了。半導體行業(yè)一直都在尋找方法來保持技術革新和進步。芯片制造商們也在努力改進套刻技術——將晶片從光刻機中加工取出后再放入其中，并在原來的位置精準地印刷出下一層圖像。那時的人們都在尋找不同的方法，而 EUV 就是里面較為不同的一個。”

但是從一開始，ASML 公司 EUV 項目的研究者們就堅信這個技術可以實現(xiàn)，并且這個技術會成為芯片制造商們最劃算的選擇。不到十年的時間，ASML 公司決定做出一個 EUV 光刻機樣機，使其他研究者們可以測試這種方法。

但是，EUV 技術是非常困難的。在使用波長近乎為X光的射線去蝕刻時，物理學知識并不能為工程師幫上多少忙。對于公司最終選擇的 13.5nm 波長射線，這種光可以輕易地被很多材料吸收。van Dijsseldonk 補充道：“即使我們呼吸的空氣也是完全的黑色，因為它也吸收了最后一點射線。”所以他和他的團隊很早就意識到，EUV 光刻機只能在真空下運行，晶圓通過一個氣閘進出光刻機。

之后接踵而來的就是讓射線彎曲的問題。EUV 也能被玻璃吸收，所以在機器中改變其走向，需要使用反射鏡來代替透鏡，而且還不能是普通的反射鏡。普通打磨鏡面的反射率還不夠，所以他們必須使用布拉格反射器（Bragg reflector，一種多層鏡面，可以將很多小的反射集中成一個單一而強大的反射）。

在下篇，雷鋒網(wǎng)會繼續(xù)會大家介紹 EUV 技術，以及芯片制造商們對該技術的關注。

via IEEE

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