科技日报记者 张 蕴
最近几年来，在半导体行业，极紫外光刻（Extreme Ultra-Violet，以下简称EUV光刻）成为备受浩繁企业存眷的光刻手艺之一。
前段时候，台湾积体电路制造股分有限公司颁布发表，已采取7纳米EUV工艺。本年，三星公司正式发布了7纳米EUV芯片Exynos 9825，该公司称此芯片将晶体管机能进步了20%至30%，将功耗下降了30%至50%。
之所以备受存眷，一个主要的缘由是，有传说风闻称，EUV光刻有看成为摩尔定律的“救星”。
半个多世纪以来，半导体行业依照摩尔定律不竭成长，由此驱动了一系列的科技立异。跟着芯片尺寸愈来愈迫近物理极限，摩尔定律在将来是不是照旧见效，成为此刻全行业都在存眷的题目。
那末，这项手艺可否为摩尔定律“续命”？它又是不是已到了最好的利用节点？针对上述题目，科技日报记者采访了业内专家。
将电路图和电子元件“刻”到“底片”上
在熟悉EUV光刻前，让我们先来熟悉一下光刻手艺。
“实在，光刻手艺跟拍照手艺差未几，拍照是将镜头里的丹青‘印’到底片上，而光刻是将电路图和电子元件‘刻’到‘底片’上。”北京理工年夜学材料学院副研究员常帅在接管科技日报记者采访时先容道，在光刻工艺中，凡是以涂满光敏胶的硅片作为“底片”，电路图案经光刻机，缩微投射到“底片”上。制造芯片，要反复几十遍这个进程。
“光刻手艺的首要感化，就是把芯片上的线路与功能区做出来。”曾在半导体行业工作多年的北京理工年夜学材料学院博士生孟令海对科技日报记者暗示，操纵光刻机发出的光，经由过程带有图形的光罩，对涂有光刻胶的薄片进行暴光，光刻胶见光后会产生化学反映，从而使光罩上的图形印到薄片上，线路和功能区随之闪现。
常帅暗示，在芯片加工进程中，光刻是此中一个主要的步调，其乃至被以为是集成电路制造中最为关头的步调，决议着制造工艺的进步前辈水平。
摩尔定律指出，芯片上可容纳的元器件数量每隔18个月翻1倍，同时芯片机能每隔18个月进步一倍，而价钱降落一半。
“光刻手艺的‘雕镂’邃密度，直接决议了元器件、电路等在芯片上所占的体积。因此，光刻是决议芯片可否依照摩尔定律继续成长的一项主要手艺，若是没有光刻手艺的前进，芯片制造工艺就不成能从微米进进深亚微米再进进纳米时期。”常帅说。
孟令海向记者说，跟着芯片制造工艺由微米级向纳米级成长，光刻机所采取的光波波长也从近紫外（NUV）区间的436纳米、365纳米，进进深紫外（DUV）区间的248纳米、193纳米。
EUV光源波长为主流光源的1/14
EUV光刻所用的光波，是波长为13.5纳米的极紫外光。比拟当前主流光刻机所采取的193纳米光源，EUV光源的波长约为前者的1/14，这使其能在硅片上“刻”出更细的陈迹。
“业内形容EUV光刻的邃密水平，常打的一个例如是，比如从地球上射出的一缕手电筒光，其能精准地照到月球上的一枚硬币。”孟令海说。
为知足摩尔定律的要求，手艺职员一向在研究、开辟新的芯片制造手艺，来缩小线宽并增年夜芯片的容量。“线宽是指芯片上最小导线的宽度，是权衡芯片建造工艺进步前辈性的主要指标之一。”常帅说。
“现在，芯片制造商年夜多利用波长为193纳米的光刻手艺，用其在‘底片’上‘描画’出邃密的图案。但现实上，193纳米光刻今朝已到达了手艺极限，只能撑持80纳米的线宽工艺，没法在芯片上实现更小线宽。”常帅说，因为光源更细，EUV光刻手艺可以知足22纳米及更小线宽的集成电路出产要求。
“可以说，EUV是今朝间隔现实出产比来的一种深亚微米光刻手艺。若是采取该光刻手艺，可在芯片上实现10纳米之内的线宽。”孟令海说。
摩尔定律不只对机能提出要求，另外一个要求是本钱的下降。所以，“救星”还必需承当起省钱的重担。EUV光刻手艺刚好能合适这个要求。
常帅先容道，光刻机在工作进程中，要频仍地进行暴光。简单来讲，就是用光线照耀硅片，让未受掩模遮挡部门的光刻胶产生化学反映，如许才能将石英掩模上的电路图显影到硅片上，以便后续进行刻蚀、往胶等一系列工序。
“今朝，主流制造商出产1枚芯片，可能需要进行4次，乃至更屡次的暴光。若采取EUV光刻手艺，只需1次暴光就够了，如许便可年夜幅下降出产制造本钱。”孟令海说，换句话说，EUV光刻手艺不但晋升了刻录的邃密水平，也能让芯片的价钱更廉价，合适摩尔定律对本钱的要求。
不但如斯，EUV光刻手艺之所以遭到各年夜集成电路出产厂商的存眷，还由于该光刻手艺是传统光刻手艺的拓展，能使现有出产工艺得以延续。
让摩尔定律最少再延续10年
既然EUV光刻手艺益处多多，这么看来，为摩尔定律“续命”的重担，可以安心交给它了。
但是，事实并不是如斯。
常帅和孟令海先容，今朝来看，EUV光刻手艺进展比力迟缓。同时，极紫外光刻光学系统的设计和制造也极为复杂，尚存在很多未被解决的手艺困难。
据孟令海阐发，EUV光刻手艺今朝首要面对三年夜挑战。
“起首是光源效力，即每小时能‘刻’几多片，依照量产工艺要求，光刻效力要到达每小时250片，而此刻EUV光刻效力尚难到达这一要求，是以还需进一步进步，但实现难度相当年夜。其次是光刻胶，EUV光刻机和通俗光刻机的手艺道理分歧，通俗光刻机采取投影进行光刻，而EUV光刻机则是操纵反射光，需要借助反光镜，这使得光子和光刻胶的化学反映变得不成控，有时会呈现过失。最后是光刻机庇护层的透光材料，要进步光刻机的刻录精度，就需要在其上面增添一个庇护层，但现有庇护层材料质量欠佳、透光性比力差。”孟令海说。
另外，据常帅阐发，EUV光刻工艺的良品率也是阻碍EUV光刻成长的“绊脚石”。今朝，采取一般光刻机出产的芯片，其良品率约为95%，而EUV光刻机的良品率仅为70%至80%。
“要想解决这些题目，关头是要晋升市场定单数目，只有定单多了，厂商用很多了，才能吸引更多光源、材料等上下流企业配合介入研发，进而完美EUV光刻财产链。”常帅说。
即便在手艺上到达要求，收益缺少足够的吸引力，也很难让制造企业发生利用新手艺的动力。今朝看来，采取EUV光刻手艺的出产本钱十分昂扬。
资料显示，最新的EUV光刻机价钱或跨越1亿欧元，是常规193纳米光刻机价钱的2倍多。另外，因为功率极高，EUV光刻装备在出产时耗损的电量也远超现有同类机械。
那末，今朝来看，EUV光刻手艺能为摩尔定律的延续，起到哪些感化呢？
孟令海暗示，在光刻线条宽度为5纳米及以下出产工艺中，EUV光刻手艺具有不成替换性，在将来较长一段时候内，EUV光刻手艺都可能成为延续摩尔定律成长的主要气力。“是以，若是解决了工艺手艺和制造本钱等困难，EUV光刻装备将是7纳米以下工艺的最好选择，它可以让摩尔定律最少再延续10年时候。”孟令海说。
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