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| 本文作者： 奕欣 | 2016-11-14 16:56 |
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。
在上篇，雷锋网主要介绍了光刻制造技术的发展历程，在接下来的文章里，雷锋网将为大家继续介绍 EUV 技术拯救摩尔定律的探索。
如今，ASML 的EUV 机器里的镜面由 40 对交叠的硅片和其上覆盖的钼层组成，每一层只有几纳米厚。 Zeiss 公司是这些镜面的制造商，他们将这些非球面表面加工地非常精确。但是 van Dijsseldonk 说：“如果一切都做的非常完美，那么可以得到一个反射率 70%的镜面。这个反射率代表着，光源通过该系统中的每一对镜面时都会减半。光刻机在把 EUV 光线从光源照射到掩模板上的时候，很容易就会用到好几个镜面；而掩模板本身也是一个镜面，经过它光线才会照到晶圆上。所以，一个EUV 光束在经过长途跋涉后，只有不到 2%的光线能保留下来。
到达晶圆的光线越少，晶圆在光刻机中停留曝光的时间就要越长。然而在工厂里，时间就是金钱。为了使EUV 能实现商业化投产，这个技术需要与已有的光刻技术比拼成本高低。所以，为了弥补镜面反射过程中的损耗，射线光源必须非常强。这一点在实践中也被证明，对于工程师来说是一个极大的挑战。
在研究早期，EUV 研究者们使用了他们能想到的所有东西来生成 X 射线，包括激光器和粒子加速器。但是其中最有效且经济的得到足够亮度的方法，需要用到等离子体。使用正确的材料和足够强的激光器或电流，就可以将电子从其附着的原子中分离出来。由此产生的等离子体在从超热滴状态冷却到之前的稳定状态过程中，就会产生 EUV 辐射。
等离子光源在反复使用过程中，需在中心焦点达到 250 瓦特的功率，这个中心焦点也是 EUV 光进出光刻机的位置。这种强度的光可以使机器每小时处理约 125 个晶片，其批量处理的效率仅有现今使用的高级 193nm 技术的一半。
但是多年以来，这种技术的进展一直很缓慢，光照亮度的提升始终未能达到人们的预期。直到 2011 年，也就是 ASML 公司将它的第一台光刻机样机交付给两个客户后的第五年，总部在圣迭戈的世界领先的光源制造商 Cymer 才成功地制作出一个能持续提供 11 瓦特功率的光源。ASML 的EUV 产品市场负责人 Hans Meiling 说：“我们可能低估了它的难度。”最后为了加速发展，ASML 公司在 2013 年用 31 亿欧元收购了 Cymer。
为了制作 EUV 光，Cymer 使用了一种叫做“激光等离子体”的方法，这种方法是在一个真空腔体中，用源自金属切割技术的放大器，产生强大的二氧化碳激光，通过腔体，照射一束每秒被发射出5万滴的超纯锡液滴。当激光脉冲照射到锡液滴时，液滴会被加热成等离子体并产生EUV射线。接着，一个反射镜收集器将该过程产生的光线反射到光刻机中。因为这种方法在产生 EUV 光时也产生了锡碎片，所以还要持续为反射镜收集器喷射氢气，以保证它不会被一层锡所覆盖。
于2013年加入 ASML 公司 EUV 光源项目的成员 Alberto Pirati 承认说：“我第一次听到这种做法时，觉得他们一定是疯了。”但是，一点一点地，这个团队似乎慢慢实现了这个看起来不可能的想法。其中一个最大的突破来自于 Cymer 在被收购之前实践的一项技术。他们发现，如果在主激光器开启前先发射一次预脉冲激光，就能把锡液滴铺平，为主激光器创造更大的接触面积，从而生成更多的等离子体。这个改变使得激光到 EUV 的转化率从刚够 1%提高至 5%。今年上半年，因为预脉冲的方法和其他一些改进，ASML 公司报道说，他们在实验室中光源已经达到了 200瓦特的功率。另一个光源制造商 Gigaphoton 也声称有巨大进步。我们期待已久的250瓦特功率的目标看起来并不遥远了。但是 EUV 技术是否能够投入生产的真正考验，出现在 ASML 芯片厂客户的实验室、加工厂和报表上。
没有人质疑 EUV 机器能实现的高精度。如果你参加一个半导体行业大会，你很可能会看到一些展示，将 EUV 技术制作的清晰微小线路，和目前传统技术做出的模糊线路进行比较。
但是现在的问题是，EUV 在主流商业芯片的批量生产中会扮演怎样的角色？它什么时候才会真正登场？当然，采用 EUV 技术的成本高得吓人。发言人 Niclas Mika 表示，最新 EUV 机器的价格超过 1 亿欧元，是现有常规 193nm 光刻机价格的二倍多，并且机器的高度与宽度相当于一辆纽约的巴士，需要用多台 747飞机运输。客户评估书中标明，使用该机器进行大批量生产时会消耗 1.5 兆瓦的电力，远超现有的 193nm机器。
（组图）ASML
液滴的进化：为了生成 EUV 光，熔融的锡液滴被激光脉冲击中后，变得扁平；之后被激光二次击中，变成可以辐射 EUV 射线的等离子体。
但是，一个简单的规格比较并不能显示出全部的生产成本。现今高级的 193nm 光刻技术可以生产的芯片，工艺可以达到波长的一小点。
这个技术的形成离不开两个主要的突破。第一个突破是浸液式光刻，即是将水放在晶圆和镜头之间。第二个突破是多重成像，即是将一层成像的过程分解成两步或多步。比如，要制作一组距离非常靠近的洞，一个晶片需要在光刻机中处理一次，加工成品的一半，接着再重复一次，少许错位后，加工另一半。因为晶圆的定位可以做到很高精度，所以工程师们可以完成比之前一步成像下间距更小的成像。从原理上说，成像步数越多，成像越精密。但是每增加一步，就会使芯片制造成本变得更加高昂，程序更加复杂。
GlobalFoundries 在制作 14nm 级别芯片的时候，使用的是 Fab8 里面最先进的三重蚀刻法。也就是说，针对某些关键的芯片内层，芯片要经受光刻机和其他设备的两次额外蚀刻。据该公司在阿尔伯尼纽约州立大学理工学院，负责评估多重光刻技术的 George Gomba 以及其他 IBM 的同事透露，他们正计划在下一代 7nm 产品上，使用四重光刻法。
截至目前，GlobalFoundries 计划在 2018 年推出 7nm 芯片的时候暂不使用EUV，但是在该项技术成熟的时候，依旧保留其应用到生产的可能性。对于 Gomba 和他的同事而言，EUV技术是否使用的关键点，就是它能否和多重光刻在成本上打个平手。这个问题很难回答，因为实际的成本取决于太多因素，比如EUV光源亮度可以到达何种程度、EUV 光刻系统正常运行时间（机器实际可工作时间比）有多少。
Mark Montgomery/ ASML
锡动力：为了生成EUV，ASML 的光源需要用脉冲激光，照射快速射出的锡液滴流。这个过程始于加工车间的地下，在里面可以生成两组激光脉冲。每个锡液滴先被一束预脉冲照射，变平；然后再由主脉冲照射，被加热后生成等离子体。装置里有一面收集反射镜，负责将生成的射线导入到光刻机中。
在 EUV上面烧钱的不只是 GlobalFoundries 和 IBM 两家。2012 年，英特尔、三星和台积电（TSMC）为 ASML 的下一代光蚀刻技术募集了 13.8 亿欧元的研发经费，同一项合约中，ASML也用无投票权的股份换取了 38.5 亿欧元。ASML 的 Meiling 估计，公司里大约有 4000 名专注 EUV 项目的员工，这还不算其他半导体公司和自身有 EUV 项目的研究机构里的人数。
对 EUV 技术下了如此大手笔，不仅是因为技术本身的难度，更是因为半导体厂商愈发坚信，在不久的将来，他们很可能会因为没有 EUV 技术而止步不前。如果你去问台积电负责 EUV 光蚀刻开发的 Anthony Yen，EUV 对于摩尔定律的重要性时，他一定会非常肯定地强调：“肯定重要。百分之一百重要。非常非常重要。”台积电希望自家的 5nm 工艺芯片产线能在五年后使用上EUV技术。
至于现在，EUV 还存在一些工程上的挑战。Yen 面对的首要问题就是保护掩模板（像模板一样的平板，上面有待印刷的图案）。如同EUV光刻机里面的其他元件一样，掩模版也是带有反射性的。于是，棘手的反射系数又成了问题。
在 193nm 的浸蚀机中，掩模版由一层被称为护膜的薄膜保护着。这层薄膜距离掩模版有一点悬空的距离，像保鲜膜一样紧绷在上方。在当前的工艺尺寸下，一个肉眼看不见的小灰尘，仍然可以影响几百个晶体管的曝光。多亏了光学技术的发展，如果有一粒灰尘落到了保护膜上，保护膜就会因为无法聚焦而不能在晶圆上形成图案。
不过 193nm 的护膜并不是为 13.5nm 的光所设计的；因为在这种波段下透明度不够高，EUV 很快就会损坏护膜。ASML 原计划制造不带护膜的光刻机，但是芯片厂商还是担忧可能带来的问题。“如果一粒灰尘落到了掩模版上”，Yen 解释道，“晶圆上面的每一块晶片都会被损坏，最终良品率可能为零。”日积月累后，取决于生产的晶圆数量，可能损失掉价值几万甚至几十万美元的芯片。
于是，ASML 便开始了持续的研究，意图制造出能够抵抗 EUV 破坏的护膜。这种护膜的透光度必须尽可能地高，这样光源在到达掩模版的时候就可以几乎不发生损耗。这种情况下难度几乎翻了一倍：因为 EUV 的掩模版反射系数比透射系数要高，所以光必须穿过护膜两次：一次进入，一次反射出。
在潜在客户接纳 EUV 技术之前，这项技术还有一些其他的挑战需要解决。其中一个就是制作无错的 EUV掩模版，并用高效的方式验证这块掩模版是完美无暇的。另一个问题是光刻胶，它是一种光敏材料，被覆在晶圆表面，接收掩模版的图案。
现在使用的光刻胶，即化学放大光刻胶，由分子链聚合而成，可以增强入射光子的效果。但是 EUV 光刻胶创业公司 Inpria 的 CEO Andrew Grenville 解释道，这些材料对 EUV 的吸收效果并不好。此外，由于入射光引起的放大反应在材料内部散射，光刻胶形成的图像会有轻微模糊。为了能实现比当前技术更精细的线路图案，Grenville说，“你必须有尺寸小得多而且更可靠的制造模块”。Inspria 正在努力研发一种新型光刻胶，它由更小的锡氧化物组成，吸收 EUV 的效果是之前的五倍，而且线路图案也不会受放大影响。
这些技术还来得及让摩尔定律永久或者短期地存续下去吗？光蚀刻专家 Chris Mack 对于这些技术在 2018 年能被半导体厂商采用，深表怀疑。新一代芯片的生产计划往往提前好几年就会开始。他评论到，在短短几年内就承诺能用上 EUV，“风险太高”。
Mack 是著名的 EUV 技术批判者，还曾用他的莲花跑车同这项技术打赌。不过他也承认 EUV 技术还有“一丁点希望”。半导体厂商在步履艰难地减小线路尺寸的同时维持成本；每一代芯片成功流片的时间拉的更长；芯片工艺尺寸的减小也不像以往那样激进。这些困难可能会给 EUV 一个机会，他说：“摩尔定律的变缓可能真的会给 EUV 足够的时间迎头赶上。”
足够的时间，也就是在摩尔定律被成本折磨到止步之前。Mack 说，EUV 当然可能会走到它被广泛接受而且能降低生产成本的那一天。但他也说，到了那个时候，下一代的先进芯片的制造成本可能过高，而所带来的性能优势不够明显，以致于半导体厂商不会选择这种技术。Mack 还表示，现在已经出现了上一代芯片制造工艺存活时间更久的情况，“我觉得我们可能看到市场的分化，许多公司在从事不同的业务。”
如同过去一样，摩尔定律的命运不仅取决于芯片工艺的尺寸，也取决于物理学家和工程师，对生产出的晶体管和电路可以改善到何种程度。即使从一束快速激射出的锡等离子体上发出的亮光，也不能明示，世间最伟大的技术蝉联取胜会到何时终止。但它可能会为前路照亮一点光。
via IEEE
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