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| 本文作者： 奕欣 | 2016-11-14 16:56 |
編者按：當價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數目，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，一直環繞著偉大而悲慘的光環：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。
如果光刻技術要數現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，首發于 IEEE，作者 Rachel Courtland，雷鋒網搗泥、何忞及奕欣編譯，未經許可不得轉載。
在上篇，雷鋒網主要介紹了光刻制造技術的發展歷程，在接下來的文章里，雷鋒網將為大家繼續介紹 EUV 技術拯救摩爾定律的探索。
如今，ASML 的EUV 機器里的鏡面由 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，光源通過該系統中的每一對鏡面時都會減半。光刻機在把 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，經過它光線才會照到晶圓上。所以，一個EUV 光束在經過長途跋涉后，只有不到 2%的光線能保留下來。
到達晶圓的光線越少，晶圓在光刻機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 能實現商業化投產，這個技術需要與已有的光刻技術比拼成本高低。所以，為了彌補鏡面反射過程中的損耗，射線光源必須非常強。這一點在實踐中也被證明，對于工程師來說是一個極大的挑戰。
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濟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。由此產生的等離子體在從超熱滴狀態冷卻到之前的穩定狀態過程中，就會產生 EUV 輻射。
等離子光源在反復使用過程中，需在中心焦點達到 250 瓦特的功率，這個中心焦點也是 EUV 光進出光刻機的位置。這種強度的光可以使機器每小時處理約 125 個晶片，其批量處理的效率僅有現今使用的高級 193nm 技術的一半。
但是多年以來，這種技術的進展一直很緩慢，光照亮度的提升始終未能達到人們的預期。直到 2011 年，也就是 ASML 公司將它的第一臺光刻機樣機交付給兩個客戶后的第五年，總部在圣迭戈的世界領先的光源制造商 Cymer 才成功地制作出一個能持續提供 11 瓦特功率的光源。ASML 的EUV 產品市場負責人 Hans Meiling 說：“我們可能低估了它的難度。”最后為了加速發展，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的放大器，產生強大的二氧化碳激光，通過腔體，照射一束每秒被發射出5萬滴的超純錫液滴。當激光脈沖照射到錫液滴時，液滴會被加熱成等離子體并產生EUV射線。接著，一個反射鏡收集器將該過程產生的光線反射到光刻機中。因為這種方法在產生 EUV 光時也產生了錫碎片，所以還要持續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 光源項目的成員 Alberto Pirati 承認說：“我第一次聽到這種做法時，覺得他們一定是瘋了。”但是，一點一點地，這個團隊似乎慢慢實現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 在被收購之前實踐的一項技術。他們發現，如果在主激光器開啟前先發射一次預脈沖激光，就能把錫液滴鋪平，為主激光器創造更大的接觸面積，從而生成更多的等離子體。這個改變使得激光到 EUV 的轉化率從剛夠 1%提高至 5%。今年上半年，因為預脈沖的方法和其他一些改進，ASML 公司報道說，他們在實驗室中光源已經達到了 200瓦特的功率。另一個光源制造商 Gigaphoton 也聲稱有巨大進步。我們期待已久的250瓦特功率的目標看起來并不遙遠了。但是 EUV 技術是否能夠投入生產的真正考驗，出現在 ASML 芯片廠客戶的實驗室、加工廠和報表上。
沒有人質疑 EUV 機器能實現的高精度。如果你參加一個半導體行業大會，你很可能會看到一些展示，將 EUV 技術制作的清晰微小線路，和目前傳統技術做出的模糊線路進行比較。
但是現在的問題是，EUV 在主流商業芯片的批量生產中會扮演怎樣的角色？它什么時候才會真正登場？當然，采用 EUV 技術的成本高得嚇人。發言人 Niclas Mika 表示，最新 EUV 機器的價格超過 1 億歐元，是現有常規 193nm 光刻機價格的二倍多，并且機器的高度與寬度相當于一輛紐約的巴士，需要用多臺 747飛機運輸。客戶評估書中標明，使用該機器進行大批量生產時會消耗 1.5 兆瓦的電力，遠超現有的 193nm機器。
（組圖）ASML
液滴的進化：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，一個簡單的規格比較并不能顯示出全部的生產成本。現今高級的 193nm 光刻技術可以生產的芯片，工藝可以達到波長的一小點。
這個技術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，要制作一組距離非常靠近的洞，一個晶片需要在光刻機中處理一次，加工成品的一半，接著再重復一次，少許錯位后，加工另一半。因為晶圓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，程序更加復雜。
GlobalFoundries 在制作 14nm 級別芯片的時候，使用的是 Fab8 里面最先進的三重蝕刻法。也就是說，針對某些關鍵的芯片內層，芯片要經受光刻機和其他設備的兩次額外蝕刻。據該公司在阿爾伯尼紐約州立大學理工學院，負責評估多重光刻技術的 George Gomba 以及其他 IBM 的同事透露，他們正計劃在下一代 7nm 產品上，使用四重光刻法。
截至目前，GlobalFoundries 計劃在 2018 年推出 7nm 芯片的時候暫不使用EUV，但是在該項技術成熟的時候，依舊保留其應用到生產的可能性。對于 Gomba 和他的同事而言，EUV技術是否使用的關鍵點，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，因為實際的成本取決于太多因素，比如EUV光源亮度可以到達何種程度、EUV 光刻系統正常運行時間（機器實際可工作時間比）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，負責將生成的射線導入到光刻機中。
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募集了 13.8 億歐元的研發經費，同一項合約中，ASML也用無投票權的股份換取了 38.5 億歐元。ASML 的 Meiling 估計，公司里大約有 4000 名專注 EUV 項目的員工，這還不算其他半導體公司和自身有 EUV 項目的研究機構里的人數。
對 EUV 技術下了如此大手筆，不僅是因為技術本身的難度，更是因為半導體廠商愈發堅信，在不久的將來，他們很可能會因為沒有 EUV 技術而止步不前。如果你去問臺積電負責 EUV 光蝕刻開發的 Anthony Yen，EUV 對于摩爾定律的重要性時，他一定會非常肯定地強調：“肯定重要。百分之一百重要。非常非常重要。”臺積電希望自家的 5nm 工藝芯片產線能在五年后使用上EUV技術。
至于現在，EUV 還存在一些工程上的挑戰。Yen 面對的首要問題就是保護掩模板（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，棘手的反射系數又成了問題。
在 193nm 的浸蝕機中，掩模版由一層被稱為護膜的薄膜保護著。這層薄膜距離掩模版有一點懸空的距離，像保鮮膜一樣緊繃在上方。在當前的工藝尺寸下，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。多虧了光學技術的發展，如果有一粒灰塵落到了保護膜上，保護膜就會因為無法聚焦而不能在晶圓上形成圖案。
不過 193nm 的護膜并不是為 13.5nm 的光所設計的；因為在這種波段下透明度不夠高，EUV 很快就會損壞護膜。ASML 原計劃制造不帶護膜的光刻機，但是芯片廠商還是擔憂可能帶來的問題。“如果一粒灰塵落到了掩模版上”，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，取決于生產的晶圓數量，可能損失掉價值幾萬甚至幾十萬美元的芯片。
于是，ASML 便開始了持續的研究，意圖制造出能夠抵抗 EUV 破壞的護膜。這種護膜的透光度必須盡可能地高，這樣光源在到達掩模版的時候就可以幾乎不發生損耗。這種情況下難度幾乎翻了一倍：因為 EUV 的掩模版反射系數比透射系數要高，所以光必須穿過護膜兩次：一次進入，一次反射出。
在潛在客戶接納 EUV 技術之前，這項技術還有一些其他的挑戰需要解決。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。
現在使用的光刻膠，即化學放大光刻膠，由分子鏈聚合而成，可以增強入射光子的效果。但是 EUV 光刻膠創業公司 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在材料內部散射，光刻膠形成的圖像會有輕微模糊。為了能實現比當前技術更精細的線路圖案，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。
這些技術還來得及讓摩爾定律永久或者短期地存續下去嗎？光蝕刻專家 Chris Mack 對于這些技術在 2018 年能被半導體廠商采用，深表懷疑。新一代芯片的生產計劃往往提前好幾年就會開始。他評論到，在短短幾年內就承諾能用上 EUV，“風險太高”。
Mack 是著名的 EUV 技術批判者，還曾用他的蓮花跑車同這項技術打賭。不過他也承認 EUV 技術還有“一丁點希望”。半導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。這些困難可能會給 EUV 一個機會，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。”
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 當然可能會走到它被廣泛接受而且能降低生產成本的那一天。但他也說，到了那個時候，下一代的先進芯片的制造成本可能過高，而所帶來的性能優勢不夠明顯，以致于半導體廠商不會選擇這種技術。Mack 還表示，現在已經出現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務。”
如同過去一樣，摩爾定律的命運不僅取決于芯片工藝的尺寸，也取決于物理學家和工程師，對生產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出的亮光，也不能明示，世間最偉大的技術蟬聯取勝會到何時終止。但它可能會為前路照亮一點光。
via IEEE
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