深度 | 半导体巨头押注的 EUV 光刻，真能拯救摩尔定律吗？（上）

   

编者按：当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔 18-24 个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。戈登·摩尔所提出的摩尔定律，一直环绕着伟大而悲惨的光环：它似乎总在触碰半导体工艺的极限，却又在即将衰亡时因黑科技的拯救而重获新生。

如果光刻技术要数现代集成电路上的第二大难题，那么绝对没有别的因素敢称第一。目前，193nm 液浸式光刻系统是最为成熟的技术，它在精确度及成本上达到了一个近乎完美的平衡，短时间内很难被取代。不过，一种名为极紫外光刻（EUV 光刻）的技术半路杀出，成为近年来英特尔、台积电等芯片公司追捧的新宠。有人认为 EUV 光刻能够拯救摩尔定律，但事实是否真的如此？本文分上下两篇，首发于 IEEE，作者 Rachel Courtland，雷锋网捣泥、何忞及奕欣编译，未经许可不得转载。

EUV实地测试：在位于纽约阿尔伯尼的纽约州立大学理工学院里，这台EUV光刻机（型号ASML NXE: 3300B）被用来刻出芯片表面的容貌。从图中这台设备前方的靠底部位置，可产生用来曝光晶圆表面的EUV光。机器远端连接了一条导轨，可以给晶圆在曝光前覆上涂层，并处理曝光后的工作。

即使你穿了兔子套装一样的超净服并置身 Fab 8 其中，你还是很难想象它有多大。位于纽约阿尔伯尼北部山林中，价值 120 亿美元的 GlobalFoundries 制造中心，成行成列地摆放着高大的机器。如同倒挂的微型过山车一般，天花板上的轨道里，有装载晶圆的运输设备从头顶呼啸而过。如果时机凑巧，你就可以见证运输设备把晶圆装载到生产设备的过程。随之，产品就将迎来三个月的生产周期，设备会把盘子大小的裸硅晶圆加工成可用在智能手机、电脑和服务器里面的芯片。是的，如果在公历新年开始制作一个微处理器，可能要等到春天才能完成。

机器内部：EUV 的产生，需要把二氧化碳脉冲激光发射到管道中，并在管道中与微型的锡液滴碰撞，进而产生等离子体。

这台位于 ASML 荷兰费尔德霍芬总部，经过特殊组装的EUV光刻机，是该公司最新的产品之一

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光刻是工厂的心跳

在这种先进制造过程中，一块晶圆要经历至少 60 次这样的锤炼：表面被覆上光敏材料，随后进入一个密闭光照的光刻机。在其中，经过一道名为“光蚀刻”的工艺，激光会打在预制刻有线路的平板上，随后在晶圆表面投射出被缩小的线路。由此可以产生超级精密的线路，以便制成精密半导体和导线电路，成为最先进的处理器的内部构造。

几乎没什么特点能把这些光刻机从其他无数自动设备的海洋中区别出开来，也不会有什么红色的标识牌闪亮着标明“此处为重要工序”。但 Fab 8 的总经理 Tom Caulfield 解释道，光刻“是工厂的心跳”。

如果把这些光刻机当作是摩尔定律的前沿阵地，人们就会更容易意识到，在五十多年中，不断把集成电路的半导体密度翻倍，代表了多么惊人的工艺进步。数十年来，包含光蚀刻在内的一系列持续而显著的突破，使得芯片厂商可以不停地缩小芯片工艺、维持研发周期并相对经济地把更多晶体管放到芯片里。这些进步使得我们可以从上世纪七十年代，芯片有几千个晶体管的情况，发展到如今的几十亿个。

但为了行业持续的良性发展，GlobalFoundries 和其他芯片界领军公司却不能只依赖以往的高端光蚀刻技术。为此，他们正冥思苦想，意图进行一次重大的也是最具挑战性的转变。

从行业创立之初，半导体光蚀刻就是通过电磁波辐射，即光照，来实现的。但半导体企业现在看重的技术里，辐射变成了另外一种东西。它的名字叫极紫外光（EUV），但不要被这个名字所迷惑。与当前的光刻机不同，EUV 无法在空气中传播，也不能通过透镜或者传统镜面聚焦。

EUV 的产生也很是困难。首要的一步，是将激光照向一束快速射出的熔融态锡液滴流。此举是为了让制造出的光刻机能使用 13.5nm 波长的光（这种波长是当前最先进机器所用波长的十分之一），进而光刻机可一次完成以往需要多次曝光的蚀刻，从而为半导体公司节省成本。

光刻机内部：为了实现 EUV 光刻，工程师们只能让透镜靠边边了。一系列反射镜可以把 EUV 辐射从光刻机的光源位置（右下方）传输到光掩模板上。掩模板上带有需要蚀刻的线路，并可将 EUV 传递到晶圆上。附加的导轨（左侧，未出现在图中），负责晶圆在光刻机的运入和运出。掩模板有自身独立的出入口。

但是，创造一个亮度和可靠性足够，且能在工厂每天 24 小时、全年不间断运行的 EUV 系统是一个著名的工程难题。多年来，EUV 技术遇到了很多质疑和无数次的失败，但是如今，它离实现只有一步之遥了。

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EUV 光刻技术

现在，科技的发展的确到了一个转折点。荷兰的光刻工具制造商 ASML Holding 生产的 EUV 光源即将开始商业化投产。作为技术领航人的 ASML 公司，目前已经开始发货 EUV 光源，预计在 2018 年可实现最新的微处理器和存储器的批量生产。世界最先进的芯片制造商正在筹备将这些机器应用到自己的生产线中。

这样做的风险很高。摩尔定律正在面临巨大挑战，没有人能确定去年总产值为 3300 亿美元的半导体产业将如何引导 5 年或是 10 年内的发展，也无人知晓“后摩尔定律”时代的半导体行业未来会是什么样子，利润的下降也可能是无法避免的。但是如果摩尔定律能有效地避免半导体行业营业额下降，即使只有 15%，它的现金流仍然是整个美国游戏产业营业额的两倍。

光蚀刻系统制造的精细程度取决于很多因素。但是实现跨越性进步的有效方法是降低使用光源的波长。几十年来，光刻机厂商们就是这么做的：他们将晶圆曝光工具从人眼可见的蓝光端开始逐渐减小波长，直到光谱上的紫外线端。

图中是 ASML 公司产品上的曲线和折角。EUV 与现在使用的 193nm 光源的多重成像技术（左）相比，保证了产品有更加尖锐的形状（右）。图中线的最小宽度为 24nm。

80年代后期，半导体行业开始用激光代替汞灯作为光源，将波长从365nm 降低到 248nm。但是一些研究者们已经开始计划一个更大的进步——向X射线范围挺近。当时就职于日本电信公司 NTT的 Hiroo Kinoshita 在 1986 年发表了使用 11nm 射线的结果。另外还有 AT&T 公司的贝尔实验室和 Lawrence Livermore 国家实验室也分别实践了这种技术。1989 年，一些相关研究学者在光蚀刻学术会上碰面并交换了研究思想。再后来，相关的研究开始得到国家和行业内的赞助。

90年代后期，ASML 公司和其他一些合作伙伴开始研究后来广为人知的技术——EUV 光刻技术。也是这个时候，在 ASML 公司荷兰总部 Veldhoven 小镇长大的 Anton van Dijsseldonk ，成为了公司开展该项目的第一个全职雇员。van Dijsseldonk 回忆道：“摩尔定律的终点已经被大家所预见到了。半导体行业一直都在寻找方法来保持技术革新和进步。芯片制造商们也在努力改进套刻技术——将晶片从光刻机中加工取出后再放入其中，并在原来的位置精准地印刷出下一层图像。那时的人们都在寻找不同的方法，而 EUV 就是里面较为不同的一个。”

但是从一开始，ASML 公司 EUV 项目的研究者们就坚信这个技术可以实现，并且这个技术会成为芯片制造商们最划算的选择。不到十年的时间，ASML 公司决定做出一个 EUV 光刻机样机，使其他研究者们可以测试这种方法。

但是，EUV 技术是非常困难的。在使用波长近乎为X光的射线去蚀刻时，物理学知识并不能为工程师帮上多少忙。对于公司最终选择的 13.5nm 波长射线，这种光可以轻易地被很多材料吸收。van Dijsseldonk 补充道：“即使我们呼吸的空气也是完全的黑色，因为它也吸收了最后一点射线。”所以他和他的团队很早就意识到，EUV 光刻机只能在真空下运行，晶圆通过一个气闸进出光刻机。

之后接踵而来的就是让射线弯曲的问题。EUV 也能被玻璃吸收，所以在机器中改变其走向，需要使用反射镜来代替透镜，而且还不能是普通的反射镜。普通打磨镜面的反射率还不够，所以他们必须使用布拉格反射器（Bragg reflector，一种多层镜面，可以将很多小的反射集中成一个单一而强大的反射）。

在下篇，雷锋网会继续会大家介绍 EUV 技术，以及芯片制造商们对该技术的关注。

via IEEE