EUV光刻有望成為摩爾定律的“救星”？暫難當(dāng)大任

近年來(lái)，在半導(dǎo)體行業(yè)，極紫外光刻(Extreme Ultra-Violet，以下簡(jiǎn)稱EUV光刻)成為備受眾多企業(yè)關(guān)注的光刻技術(shù)之一。

前段時(shí)間，臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司宣布，已采用7納米EUV工藝。今年，三星公司正式發(fā)布了7納米EUV芯片Exynos 9825，該公司稱此芯片將晶體管性能提高了20%至30%，將功耗降低了30%至50%。

之所以備受關(guān)注，一個(gè)重要的原因是，有傳聞稱，EUV光刻有望成為摩爾定律的“救星”。

半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，半導(dǎo)體行業(yè)按照摩爾定律不斷發(fā)展，由此驅(qū)動(dòng)了一系列的科技創(chuàng)新。隨著芯片尺寸越來(lái)越逼近物理極限，摩爾定律在未來(lái)是否依舊奏效，成為現(xiàn)在全行業(yè)都在關(guān)注的問(wèn)題。

那么，這項(xiàng)技術(shù)能否為摩爾定律“續(xù)命”?它又是否已經(jīng)到了最好的應(yīng)用節(jié)點(diǎn)?針對(duì)上述問(wèn)題，科技日?qǐng)?bào)記者采訪了業(yè)內(nèi)專家。

將電路圖和電子元件“刻”到“底片”上

在認(rèn)識(shí)EUV光刻前，讓我們先來(lái)認(rèn)識(shí)一下光刻技術(shù)。

“其實(shí)，光刻技術(shù)跟照相技術(shù)差不多，照相是將鏡頭里的圖畫‘印’到底片上，而光刻是將電路圖和電子元件‘刻’到‘底片’上。”北京理工大學(xué)材料學(xué)院副研究員常帥在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)介紹道，在光刻工藝中，通常以涂滿光敏膠的硅片作為“底片”，電路圖案經(jīng)光刻機(jī)，縮微投射到“底片”上。制造芯片，要重復(fù)幾十遍這個(gè)過(guò)程。

“光刻技術(shù)的主要作用，就是把芯片上的線路與功能區(qū)做出來(lái)。”曾在半導(dǎo)體行業(yè)工作多年的北京理工大學(xué)材料學(xué)院博士生孟令海對(duì)科技日?qǐng)?bào)記者表示，利用光刻機(jī)發(fā)出的光，通過(guò)帶有圖形的光罩，對(duì)涂有光刻膠的薄片進(jìn)行曝光，光刻膠見(jiàn)光后會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而使光罩上的圖形印到薄片上，線路和功能區(qū)隨之顯現(xiàn)。

常帥表示，在芯片加工過(guò)程中，光刻是其中一個(gè)重要的步驟，其甚至被認(rèn)為是集成電路制造中最為關(guān)鍵的步驟，決定著制造工藝的先進(jìn)程度。

摩爾定律指出，芯片上可容納的元器件數(shù)目每隔18個(gè)月翻1倍，同時(shí)芯片性能每隔18個(gè)月提高一倍，而價(jià)格下降一半。

“光刻技術(shù)的‘雕刻’精細(xì)度，直接決定了元器件、電路等在芯片上所占的體積。因而，光刻是決定芯片能否按照摩爾定律繼續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)重要技術(shù)，如果沒(méi)有光刻技術(shù)的進(jìn)步，芯片制造工藝就不可能從微米進(jìn)入深亞微米再進(jìn)入納米時(shí)代。”常帥說(shuō)。

孟令海向記者說(shuō)，隨著芯片制造工藝由微米級(jí)向納米級(jí)發(fā)展，光刻機(jī)所采用的光波波長(zhǎng)也從近紫外(NUV)區(qū)間的436納米、365納米，進(jìn)入深紫外(DUV)區(qū)間的248納米、193納米。

EUV光源波長(zhǎng)為主流光源的1/14

EUV光刻所用的光波，是波長(zhǎng)為13.5納米的極紫外光。相比當(dāng)前主流光刻機(jī)所采用的193納米光源，EUV光源的波長(zhǎng)約為前者的1/14，這使其能在硅片上“刻”出更細(xì)的痕跡。

“業(yè)內(nèi)形容EUV光刻的精細(xì)程度，常打的一個(gè)比方是，好比從地球上射出的一縷手電筒光，其能精準(zhǔn)地照到月球上的一枚硬幣。”孟令海說(shuō)。

為滿足摩爾定律的要求，技術(shù)人員一直在研究、開(kāi)發(fā)新的芯片制造技術(shù)，來(lái)縮小線寬并增大芯片的容量。“線寬是指芯片上最小導(dǎo)線的寬度，是衡量芯片制作工藝先進(jìn)性的重要指標(biāo)之一。”常帥說(shuō)。

“如今，芯片制造商大多使用波長(zhǎng)為193納米的光刻技術(shù)，用其在‘底片’上‘描繪’出精細(xì)的圖案。但實(shí)際上，193納米光刻目前已經(jīng)達(dá)到了技術(shù)極限，只能支持80納米的線寬工藝，無(wú)法在芯片上實(shí)現(xiàn)更小線寬。”常帥說(shuō)，由于光源更細(xì)，EUV光刻技術(shù)可以滿足22納米及更小線寬的集成電路生產(chǎn)要求。

“可以說(shuō)，EUV是目前距離實(shí)際生產(chǎn)最近的一種深亞微米光刻技術(shù)。如果采用該光刻技術(shù)，可在芯片上實(shí)現(xiàn)10納米以內(nèi)的線寬。”孟令海說(shuō)。

摩爾定律不只對(duì)性能提出要求，另一個(gè)要求是成本的降低。所以，“救星”還必須承擔(dān)起省錢的重任。EUV光刻技術(shù)恰好能符合這個(gè)要求。

常帥介紹道，光刻機(jī)在工作過(guò)程中，要頻繁地進(jìn)行曝光。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是用光線照射硅片，讓未受掩模遮擋部分的光刻膠發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這樣才能將石英掩模上的電路圖顯影到硅片上，以便后續(xù)進(jìn)行刻蝕、去膠等一系列工序。

“目前，主流制造商生產(chǎn)1枚芯片，可能需要進(jìn)行4次，甚至更多次的曝光。若采用EUV光刻技術(shù)，只需1次曝光就夠了，這樣就可大幅降低生產(chǎn)制造成本。”孟令海說(shuō)，換句話說(shuō)，EUV光刻技術(shù)不僅提升了刻錄的精細(xì)程度，也能讓芯片的價(jià)格更便宜，符合摩爾定律對(duì)成本的要求。

不僅如此，EUV光刻技術(shù)之所以受到各大集成電路生產(chǎn)廠商的關(guān)注，還因?yàn)樵摴饪碳夹g(shù)是傳統(tǒng)光刻技術(shù)的拓展，能使現(xiàn)有生產(chǎn)工藝得以延續(xù)。

讓摩爾定律至少再延續(xù)10年

既然EUV光刻技術(shù)好處多多，這么看來(lái)，為摩爾定律“續(xù)命”的重任，可以放心交給它了。

然而，事實(shí)并非如此。

常帥和孟令海介紹，目前來(lái)看，EUV光刻技術(shù)進(jìn)展比較緩慢。同時(shí)，極紫外光刻光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造也極其復(fù)雜，尚存在許多未被解決的技術(shù)難題。

據(jù)孟令海分析，EUV光刻技術(shù)目前主要面臨三大挑戰(zhàn)。

“首先是光源效率，即每小時(shí)能‘刻’多少片，按照量產(chǎn)工藝要求，光刻效率要達(dá)到每小時(shí)250片，而現(xiàn)在EUV光刻效率尚難達(dá)到這一要求，因此還需進(jìn)一步提高，但實(shí)現(xiàn)難度相當(dāng)大。其次是光刻膠，EUV光刻機(jī)和普通光刻機(jī)的技術(shù)原理不同，普通光刻機(jī)采用投影進(jìn)行光刻，而EUV光刻機(jī)則是利用反射光，需要借助反光鏡，這使得光子和光刻膠的化學(xué)反應(yīng)變得不可控，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)差錯(cuò)。最后是光刻機(jī)保護(hù)層的透光材料，要提高光刻機(jī)的刻錄精度，就需要在其上面增加一個(gè)保護(hù)層，但現(xiàn)有保護(hù)層材料質(zhì)量欠佳、透光性比較差。”孟令海說(shuō)。

此外，據(jù)常帥分析，EUV光刻工藝的良品率也是阻礙EUV光刻發(fā)展的“絆腳石”。目前，采用一般光刻機(jī)生產(chǎn)的芯片，其良品率約為95%，而EUV光刻機(jī)的良品率僅為70%至80%。

“要想解決這些問(wèn)題，關(guān)鍵是要提升市場(chǎng)訂單數(shù)量，只有訂單多了，廠商用得多了，才能吸引更多光源、材料等上下游企業(yè)共同參與研發(fā)，進(jìn)而完善EUV光刻產(chǎn)業(yè)鏈。”常帥說(shuō)。

即使在技術(shù)上達(dá)到要求，收益缺乏足夠的吸引力，也很難讓制造企業(yè)產(chǎn)生應(yīng)用新技術(shù)的動(dòng)力。目前看來(lái)，采用EUV光刻技術(shù)的生產(chǎn)成本十分高昂。

資料顯示，最新的EUV光刻機(jī)價(jià)格或超過(guò)1億歐元，是常規(guī)193納米光刻機(jī)價(jià)格的2倍多。此外，由于功率極高，EUV光刻設(shè)備在生產(chǎn)時(shí)消耗的電量也遠(yuǎn)超現(xiàn)有同類機(jī)器。

那么，目前來(lái)看，EUV光刻技術(shù)能為摩爾定律的延續(xù)，起到哪些作用呢?

孟令海表示，在光刻線條寬度為5納米及以下生產(chǎn)工藝中，EUV光刻技術(shù)具有不可替代性，在未來(lái)較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，EUV光刻技術(shù)都可能成為延續(xù)摩爾定律發(fā)展的重要力量。“因此，如果解決了工藝技術(shù)和制造成本等難題，EUV光刻設(shè)備將是7納米以下工藝的最佳選擇，它可讓摩爾定律至少再延續(xù)10年時(shí)間。”孟令海說(shuō)。(記者 張?zhí)N)

關(guān)鍵詞： EUV光刻 摩爾定律