編者按：當(dāng)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(dǎo)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(shù)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(shù)，它在精確度及成本上達(dá)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(shù)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(rèn)為 EUV 光刻能夠拯救摩爾定律，但事實(shí)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(zhuǎn)載。

在上篇，雷鋒網(wǎng)主要介紹了光刻制造技術(shù)的發(fā)展歷程，在接下來的文章里，雷鋒網(wǎng)將為大家繼續(xù)介紹 EUV 技術(shù)拯救摩爾定律的探索。

EUV 的商業(yè)化之路

如今，ASML 的EUV 機(jī)器里的鏡面由 40 對交疊的硅片和其上覆蓋的鉬層組成，每一層只有幾納米厚。 Zeiss 公司是這些鏡面的制造商，他們將這些非球面表面加工地非常精確。但是 van Dijsseldonk 說：“如果一切都做的非常完美，那么可以得到一個反射率 70%的鏡面。這個反射率代表著，光源通過該系統(tǒng)中的每一對鏡面時都會減半。光刻機(jī)在把 EUV 光線從光源照射到掩模板上的時候，很容易就會用到好幾個鏡面；而掩模板本身也是一個鏡面，經(jīng)過它光線才會照到晶圓上。所以，一個EUV 光束在經(jīng)過長途跋涉后，只有不到 2%的光線能保留下來。

到達(dá)晶圓的光線越少，晶圓在光刻機(jī)中停留曝光的時間就要越長。然而在工廠里，時間就是金錢。為了使EUV 能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化投產(chǎn)，這個技術(shù)需要與已有的光刻技術(shù)比拼成本高低。所以，為了彌補(bǔ)鏡面反射過程中的損耗，射線光源必須非常強(qiáng)。這一點(diǎn)在實(shí)踐中也被證明，對于工程師來說是一個極大的挑戰(zhàn)。

在研究早期，EUV 研究者們使用了他們能想到的所有東西來生成 X 射線，包括激光器和粒子加速器。但是其中最有效且經(jīng)濟(jì)的得到足夠亮度的方法，需要用到等離子體。使用正確的材料和足夠強(qiáng)的激光器或電流，就可以將電子從其附著的原子中分離出來。由此產(chǎn)生的等離子體在從超熱滴狀態(tài)冷卻到之前的穩(wěn)定狀態(tài)過程中，就會產(chǎn)生 EUV 輻射。

等離子光源在反復(fù)使用過程中，需在中心焦點(diǎn)達(dá)到 250 瓦特的功率，這個中心焦點(diǎn)也是 EUV 光進(jìn)出光刻機(jī)的位置。這種強(qiáng)度的光可以使機(jī)器每小時處理約 125 個晶片，其批量處理的效率僅有現(xiàn)今使用的高級 193nm 技術(shù)的一半。

但是多年以來，這種技術(shù)的進(jìn)展一直很緩慢，光照亮度的提升始終未能達(dá)到人們的預(yù)期。直到 2011 年，也就是 ASML 公司將它的第一臺光刻機(jī)樣機(jī)交付給兩個客戶后的第五年，總部在圣迭戈的世界領(lǐng)先的光源制造商 Cymer 才成功地制作出一個能持續(xù)提供 11 瓦特功率的光源。ASML 的EUV 產(chǎn)品市場負(fù)責(zé)人 Hans Meiling 說：“我們可能低估了它的難度。”最后為了加速發(fā)展，ASML 公司在 2013 年用 31 億歐元收購了 Cymer。

為了制作 EUV 光，Cymer 使用了一種叫做“激光等離子體”的方法，這種方法是在一個真空腔體中，用源自金屬切割技術(shù)的放大器，產(chǎn)生強(qiáng)大的二氧化碳激光，通過腔體，照射一束每秒被發(fā)射出5萬滴的超純錫液滴。當(dāng)激光脈沖照射到錫液滴時，液滴會被加熱成等離子體并產(chǎn)生EUV射線。接著，一個反射鏡收集器將該過程產(chǎn)生的光線反射到光刻機(jī)中。因?yàn)檫@種方法在產(chǎn)生 EUV 光時也產(chǎn)生了錫碎片，所以還要持續(xù)為反射鏡收集器噴射氫氣，以保證它不會被一層錫所覆蓋。

于2013年加入 ASML 公司 EUV 光源項(xiàng)目的成員 Alberto Pirati 承認(rèn)說：“我第一次聽到這種做法時，覺得他們一定是瘋了。”但是，一點(diǎn)一點(diǎn)地，這個團(tuán)隊(duì)似乎慢慢實(shí)現(xiàn)了這個看起來不可能的想法。其中一個最大的突破來自于 Cymer 在被收購之前實(shí)踐的一項(xiàng)技術(shù)。他們發(fā)現(xiàn)，如果在主激光器開啟前先發(fā)射一次預(yù)脈沖激光，就能把錫液滴鋪平，為主激光器創(chuàng)造更大的接觸面積，從而生成更多的等離子體。這個改變使得激光到 EUV 的轉(zhuǎn)化率從剛夠 1%提高至 5%。今年上半年，因?yàn)轭A(yù)脈沖的方法和其他一些改進(jìn)，ASML 公司報(bào)道說，他們在實(shí)驗(yàn)室中光源已經(jīng)達(dá)到了 200瓦特的功率。另一個光源制造商 Gigaphoton 也聲稱有巨大進(jìn)步。我們期待已久的250瓦特功率的目標(biāo)看起來并不遙遠(yuǎn)了。但是 EUV 技術(shù)是否能夠投入生產(chǎn)的真正考驗(yàn)，出現(xiàn)在 ASML 芯片廠客戶的實(shí)驗(yàn)室、加工廠和報(bào)表上。

沒有人質(zhì)疑 EUV 機(jī)器能實(shí)現(xiàn)的高精度。如果你參加一個半導(dǎo)體行業(yè)大會，你很可能會看到一些展示，將 EUV 技術(shù)制作的清晰微小線路，和目前傳統(tǒng)技術(shù)做出的模糊線路進(jìn)行比較。

但是現(xiàn)在的問題是，EUV 在主流商業(yè)芯片的批量生產(chǎn)中會扮演怎樣的角色？它什么時候才會真正登場？當(dāng)然，采用 EUV 技術(shù)的成本高得嚇人。發(fā)言人 Niclas Mika 表示，最新 EUV 機(jī)器的價格超過 1 億歐元，是現(xiàn)有常規(guī) 193nm 光刻機(jī)價格的二倍多，并且機(jī)器的高度與寬度相當(dāng)于一輛紐約的巴士，需要用多臺 747飛機(jī)運(yùn)輸?？蛻粼u估書中標(biāo)明，使用該機(jī)器進(jìn)行大批量生產(chǎn)時會消耗 1.5 兆瓦的電力，遠(yuǎn)超現(xiàn)有的 193nm機(jī)器。

 

（組圖）ASML

液滴的進(jìn)化：為了生成 EUV 光，熔融的錫液滴被激光脈沖擊中后，變得扁平；之后被激光二次擊中，變成可以輻射 EUV 射線的等離子體。

但是，一個簡單的規(guī)格比較并不能顯示出全部的生產(chǎn)成本?，F(xiàn)今高級的 193nm 光刻技術(shù)可以生產(chǎn)的芯片，工藝可以達(dá)到波長的一小點(diǎn)。

這個技術(shù)的形成離不開兩個主要的突破。第一個突破是浸液式光刻，即是將水放在晶圓和鏡頭之間。第二個突破是多重成像，即是將一層成像的過程分解成兩步或多步。比如，要制作一組距離非?？拷亩矗粋€晶片需要在光刻機(jī)中處理一次，加工成品的一半，接著再重復(fù)一次，少許錯位后，加工另一半。因?yàn)榫A的定位可以做到很高精度，所以工程師們可以完成比之前一步成像下間距更小的成像。從原理上說，成像步數(shù)越多，成像越精密。但是每增加一步，就會使芯片制造成本變得更加高昂，程序更加復(fù)雜。

GlobalFoundries 在制作 14nm 級別芯片的時候，使用的是 Fab8 里面最先進(jìn)的三重蝕刻法。也就是說，針對某些關(guān)鍵的芯片內(nèi)層，芯片要經(jīng)受光刻機(jī)和其他設(shè)備的兩次額外蝕刻。據(jù)該公司在阿爾伯尼紐約州立大學(xué)理工學(xué)院，負(fù)責(zé)評估多重光刻技術(shù)的 George Gomba 以及其他 IBM 的同事透露，他們正計(jì)劃在下一代 7nm 產(chǎn)品上，使用四重光刻法。

截至目前，GlobalFoundries 計(jì)劃在 2018 年推出 7nm 芯片的時候暫不使用EUV，但是在該項(xiàng)技術(shù)成熟的時候，依舊保留其應(yīng)用到生產(chǎn)的可能性。對于 Gomba 和他的同事而言，EUV技術(shù)是否使用的關(guān)鍵點(diǎn)，就是它能否和多重光刻在成本上打個平手。這個問題很難回答，因?yàn)閷?shí)際的成本取決于太多因素，比如EUV光源亮度可以到達(dá)何種程度、EUV 光刻系統(tǒng)正常運(yùn)行時間（機(jī)器實(shí)際可工作時間比）有多少。

Mark Montgomery/ ASML

錫動力：為了生成EUV，ASML 的光源需要用脈沖激光，照射快速射出的錫液滴流。這個過程始于加工車間的地下，在里面可以生成兩組激光脈沖。每個錫液滴先被一束預(yù)脈沖照射，變平；然后再由主脈沖照射，被加熱后生成等離子體。裝置里有一面收集反射鏡，負(fù)責(zé)將生成的射線導(dǎo)入到光刻機(jī)中。

巨頭入局

在 EUV上面燒錢的不只是 GlobalFoundries 和 IBM 兩家。2012 年，英特爾、三星和臺積電（TSMC）為 ASML 的下一代光蝕刻技術(shù)募集了 13.8 億歐元的研發(fā)經(jīng)費(fèi)，同一項(xiàng)合約中，ASML也用無投票權(quán)的股份換取了 38.5 億歐元。ASML 的 Meiling 估計(jì)，公司里大約有 4000 名專注 EUV 項(xiàng)目的員工，這還不算其他半導(dǎo)體公司和自身有 EUV 項(xiàng)目的研究機(jī)構(gòu)里的人數(shù)。

對 EUV 技術(shù)下了如此大手筆，不僅是因?yàn)榧夹g(shù)本身的難度，更是因?yàn)榘雽?dǎo)體廠商愈發(fā)堅(jiān)信，在不久的將來，他們很可能會因?yàn)闆]有 EUV 技術(shù)而止步不前。如果你去問臺積電負(fù)責(zé) EUV 光蝕刻開發(fā)的 Anthony Yen，EUV 對于摩爾定律的重要性時，他一定會非?？隙ǖ貜?qiáng)調(diào)：“肯定重要。百分之一百重要。非常非常重要?！迸_積電希望自家的 5nm 工藝芯片產(chǎn)線能在五年后使用上EUV技術(shù)。

至于現(xiàn)在，EUV 還存在一些工程上的挑戰(zhàn)。Yen 面對的首要問題就是保護(hù)掩模板（像模板一樣的平板，上面有待印刷的圖案）。如同EUV光刻機(jī)里面的其他元件一樣，掩模版也是帶有反射性的。于是，棘手的反射系數(shù)又成了問題。

在 193nm 的浸蝕機(jī)中，掩模版由一層被稱為護(hù)膜的薄膜保護(hù)著。這層薄膜距離掩模版有一點(diǎn)懸空的距離，像保鮮膜一樣緊繃在上方。在當(dāng)前的工藝尺寸下，一個肉眼看不見的小灰塵，仍然可以影響幾百個晶體管的曝光。多虧了光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，如果有一?；覊m落到了保護(hù)膜上，保護(hù)膜就會因?yàn)闊o法聚焦而不能在晶圓上形成圖案。

不過 193nm 的護(hù)膜并不是為 13.5nm 的光所設(shè)計(jì)的；因?yàn)樵谶@種波段下透明度不夠高，EUV 很快就會損壞護(hù)膜。ASML 原計(jì)劃制造不帶護(hù)膜的光刻機(jī)，但是芯片廠商還是擔(dān)憂可能帶來的問題?！叭绻涣；覊m落到了掩模版上”，Yen 解釋道，“晶圓上面的每一塊晶片都會被損壞，最終良品率可能為零。”日積月累后，取決于生產(chǎn)的晶圓數(shù)量，可能損失掉價值幾萬甚至幾十萬美元的芯片。

于是，ASML 便開始了持續(xù)的研究，意圖制造出能夠抵抗 EUV 破壞的護(hù)膜。這種護(hù)膜的透光度必須盡可能地高，這樣光源在到達(dá)掩模版的時候就可以幾乎不發(fā)生損耗。這種情況下難度幾乎翻了一倍：因?yàn)?EUV 的掩模版反射系數(shù)比透射系數(shù)要高，所以光必須穿過護(hù)膜兩次：一次進(jìn)入，一次反射出。

在潛在客戶接納 EUV 技術(shù)之前，這項(xiàng)技術(shù)還有一些其他的挑戰(zhàn)需要解決。其中一個就是制作無錯的 EUV掩模版，并用高效的方式驗(yàn)證這塊掩模版是完美無暇的。另一個問題是光刻膠，它是一種光敏材料，被覆在晶圓表面，接收掩模版的圖案。

現(xiàn)在使用的光刻膠，即化學(xué)放大光刻膠，由分子鏈聚合而成，可以增強(qiáng)入射光子的效果。但是 EUV 光刻膠創(chuàng)業(yè)公司 Inpria 的 CEO Andrew Grenville 解釋道，這些材料對 EUV 的吸收效果并不好。此外，由于入射光引起的放大反應(yīng)在材料內(nèi)部散射，光刻膠形成的圖像會有輕微模糊。為了能實(shí)現(xiàn)比當(dāng)前技術(shù)更精細(xì)的線路圖案，Grenville說，“你必須有尺寸小得多而且更可靠的制造模塊”。Inspria 正在努力研發(fā)一種新型光刻膠，它由更小的錫氧化物組成，吸收 EUV 的效果是之前的五倍，而且線路圖案也不會受放大影響。

這些技術(shù)還來得及讓摩爾定律永久或者短期地存續(xù)下去嗎？光蝕刻專家 Chris Mack 對于這些技術(shù)在 2018 年能被半導(dǎo)體廠商采用，深表懷疑。新一代芯片的生產(chǎn)計(jì)劃往往提前好幾年就會開始。他評論到，在短短幾年內(nèi)就承諾能用上 EUV，“風(fēng)險太高”。

Mack 是著名的 EUV 技術(shù)批判者，還曾用他的蓮花跑車同這項(xiàng)技術(shù)打賭。不過他也承認(rèn) EUV 技術(shù)還有“一丁點(diǎn)希望”。半導(dǎo)體廠商在步履艱難地減小線路尺寸的同時維持成本；每一代芯片成功流片的時間拉的更長；芯片工藝尺寸的減小也不像以往那樣激進(jìn)。這些困難可能會給 EUV 一個機(jī)會，他說：“摩爾定律的變緩可能真的會給 EUV 足夠的時間迎頭趕上?！?/p>

足夠的時間，也就是在摩爾定律被成本折磨到止步之前。Mack 說，EUV 當(dāng)然可能會走到它被廣泛接受而且能降低生產(chǎn)成本的那一天。但他也說，到了那個時候，下一代的先進(jìn)芯片的制造成本可能過高，而所帶來的性能優(yōu)勢不夠明顯，以致于半導(dǎo)體廠商不會選擇這種技術(shù)。Mack 還表示，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了上一代芯片制造工藝存活時間更久的情況，“我覺得我們可能看到市場的分化，許多公司在從事不同的業(yè)務(wù)?！?nbsp;

如同過去一樣，摩爾定律的命運(yùn)不僅取決于芯片工藝的尺寸，也取決于物理學(xué)家和工程師，對生產(chǎn)出的晶體管和電路可以改善到何種程度。即使從一束快速激射出的錫等離子體上發(fā)出的亮光，也不能明示，世間最偉大的技術(shù)蟬聯(lián)取勝會到何時終止。但它可能會為前路照亮一點(diǎn)光。

via IEEE

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