EUV光刻有望成為摩爾定律的“救星”？暫難當大任

近年來，在半導體行業(yè)，極紫外光刻(Extreme Ultra-Violet，以下簡稱EUV光刻)成為備受眾多企業(yè)關注的光刻技術(shù)之一。

前段時間，臺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%。

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

半個多世紀以來，半導體行業(yè)按照摩爾定律不斷發(fā)展，由此驅(qū)動了一系列的科技創(chuàng)新。隨著芯片尺寸越來越逼近物理極限，摩爾定律在未來是否依舊奏效，成為現(xiàn)在全行業(yè)都在關注的問題。

那么，這項技術(shù)能否為摩爾定律“續(xù)命”?它又是否已經(jīng)到了最好的應用節(jié)點?針對上述問題，科技日報記者采訪了業(yè)內(nèi)專家。

將電路圖和電子元件“刻”到“底片”上

在認識EUV光刻前，讓我們先來認識一下光刻技術(shù)。

“其實，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。”北京理工大學材料學院副研究員常帥在接受科技日報記者采訪時介紹道，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，縮微投射到“底片”上。制造芯片，要重復幾十遍這個過程。

“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。”曾在半導體行業(yè)工作多年的北京理工大學材料學院博士生孟令海對科技日報記者表示，利用光刻機發(fā)出的光，通過帶有圖形的光罩，對涂有光刻膠的薄片進行曝光，光刻膠見光后會發(fā)生化學反應，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，在芯片加工過程中，光刻是其中一個重要的步驟，其甚至被認為是集成電路制造中最為關鍵的步驟，決定著制造工藝的先進程度。

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

“光刻技術(shù)的‘雕刻’精細度，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)展的一項重要技術(shù)，如果沒有光刻技術(shù)的進步，芯片制造工藝就不可能從微米進入深亞微米再進入納米時代。”常帥說。

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

EUV光源波長為主流光源的1/14

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

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

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

“如今，芯片制造商大多使用波長為193納米的光刻技術(shù)，用其在‘底片’上‘描繪’出精細的圖案。但實際上，193納米光刻目前已經(jīng)達到了技術(shù)極限，只能支持80納米的線寬工藝，無法在芯片上實現(xiàn)更小線寬。”常帥說，由于光源更細，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，EUV是目前距離實際生產(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)，可在芯片上實現(xiàn)10納米以內(nèi)的線寬。”孟令海說。

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

常帥介紹道，光刻機在工作過程中，要頻繁地進行曝光。簡單來說，就是用光線照射硅片，讓未受掩模遮擋部分的光刻膠發(fā)生化學反應，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，換句話說，EUV光刻技術(shù)不僅提升了刻錄的精細程度，也能讓芯片的價格更便宜，符合摩爾定律對成本的要求。

不僅如此，EUV光刻技術(shù)之所以受到各大集成電路生產(chǎn)廠商的關注，還因為該光刻技術(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，為摩爾定律“續(xù)命”的重任，可以放心交給它了。

然而，事實并非如此。

常帥和孟令海介紹，目前來看，EUV光刻技術(shù)進展比較緩慢。同時，極紫外光刻光學系統(tǒng)的設計和制造也極其復雜，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，即每小時能‘刻’多少片，按照量產(chǎn)工藝要求，光刻效率要達到每小時250片，而現(xiàn)在EUV光刻效率尚難達到這一要求，因此還需進一步提高，但實現(xiàn)難度相當大。其次是光刻膠，EUV光刻機和普通光刻機的技術(shù)原理不同，普通光刻機采用投影進行光刻，而EUV光刻機則是利用反射光，需要借助反光鏡，這使得光子和光刻膠的化學反應變得不可控，有時會出現(xiàn)差錯。最后是光刻機保護層的透光材料，要提高光刻機的刻錄精度，就需要在其上面增加一個保護層，但現(xiàn)有保護層材料質(zhì)量欠佳、透光性比較差。”孟令海說。

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，采用一般光刻機生產(chǎn)的芯片，其良品率約為95%，而EUV光刻機的良品率僅為70%至80%。

“要想解決這些問題，關鍵是要提升市場訂單數(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)，進而完善EUV光刻產(chǎn)業(yè)鏈。”常帥說。

即使在技術(shù)上達到要求，收益缺乏足夠的吸引力，也很難讓制造企業(yè)產(chǎn)生應用新技術(shù)的動力。目前看來，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光刻機價格或超過1億歐元，是常規(guī)193納米光刻機價格的2倍多。此外，由于功率極高，EUV光刻設備在生產(chǎn)時消耗的電量也遠超現(xiàn)有同類機器。

那么，目前來看，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，在未來較長一段時間內(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年時間。”孟令海說。(記者 張?zhí)N)

關鍵詞： EUV光刻 摩爾定律