EUV光刻有望成為摩爾定律的“救星”？

近年來，在半導(dǎo)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(guān)注的光刻技術(shù)之一。

前段時間，***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(dǎo)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(guān)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(yīng)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?！北本├砉ご髮W(xué)材料學(xué)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(fù)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(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(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(guān)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?！背浾f。

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(dāng)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?！泵狭詈Ｕf。

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?！熬€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性的重要指標之一?！背浾f。

“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?！泵狭詈Ｕf。

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(dān)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(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?！泵狭詈Ｕf，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(guān)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(xué)系統(tǒng)的設(shè)計和制造也極其復(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(dāng)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(xué)反應(yīng)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?！泵狭詈Ｕf。

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(guān)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?！背浾f。

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(yīng)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(shè)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(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年時間。”孟令海說。