“给摩尔定律续命 EUV光刻暂难当大任”

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近年来，在半导体领域，极紫外光刻( extreme ultra-violet，以下简称为euv光刻)已成为众多企业关注的光刻技术之一。

日前，台湾积体电路制造株式会社宣布，使用了7纳米euv工艺。 今年，三星企业正式推出了7纳米euv芯片exynos 9825。 据悉，该芯片将晶体管性能提高20%至30%，功耗减少30%至50%。

备受瞩目的原因之一是有传言称，euv光刻有望成为摩尔定律的“救星”。

半个多世纪来，半导体领域按照摩尔定律迅速发展，从而推动了一系列科技创新。 随着芯片尺寸接近物理极限，摩尔定律在未来是否仍能发挥作用成为当前所有领域关注的问题。

那么，这项技术会成为摩尔定律“续命”吗？ 到达最好的应用程序节点了吗？ 对比这些问题，科技日报记者采访了业内专家。

将电路图和电子元件“刻”在“底片”上

在认知euv光刻之前，先认知光刻技术吧。

“其实，光刻技术和照相技术一样，照片“打印”镜头中的画，光刻“刻”电路图和电子元件。 ”北京理工大学材料学院副研究员常帅在接受科技日报记者采访时介绍说，在光刻技术中，一般以涂有感光性胶的硅片为“底片”，电路图案经过光刻机在“底片”上投影缩微胶片。 为了制作芯片，重复这个过程几十次。

“光刻技术的首要作用是制作芯片上的布线和色带。 ”从事半导体领域多年的北京理工大学材料学院博士生孟令海告诉科技日报记者，利用光刻机发出的光，用带图案的掩模曝光涂有抗蚀剂的薄片，抗蚀剂一看到光就会发生化学反应，掩模上的图案被印刷在薄片上，从而显现出线路和功能区域

常帅表示，在芯片加工过程中，光刻是其中的重要步骤之一，被认为是集成电路制造中最重要的步骤，决定着制造工艺的先进程度。

根据摩尔定律，芯片能容纳的部件数量每18个月翻一倍，芯片性能每18个月翻一倍，价格下降了一半。

“光刻技术‘雕刻’的精细度直接决定着器件、电路等在芯片上所占的体积。 因此，光刻是决定芯片是否按照摩尔定律持续快速发展的关键技术，如果没有光刻技术的进步，芯片制造工艺就无法从微米进入深亚微米进入纳米时代。 ”。 常帅说。

孟令海告诉记者，随着芯片制造工艺从微米级迅速发展到纳米级，光刻机所用光波的波长也从近紫外( nuv )区间的436纳米、365纳米到深紫外( duv )区间的248纳米。

euv光源的波长是主流光源的1/14

euv光刻使用的光波是波长13.5纳米的极紫外光。 与目前主流光刻机使用的193纳米光源相比，euv光源的波长约为1/14，可以“刻”在硅片上。

“业内形容的是euv光刻的细致性。 例如，就像从地球发出的手电筒的光一样，能够准确地照射月球的硬币。 ”。 孟令海说。

为了满足摩尔定律的要求，技术人员不断研究和开发新的芯片制造技术，缩小线宽，增大芯片容量。 “线宽是芯片上最小布线的宽度，是衡量芯片制造工艺先进性的重要指标之一。 ”常帅说。

“现在，芯片制造商大多采用波长193纳米的光刻技术，能够“描绘”出“底片”上的精细图案。 但实际上，193纳米光刻目前已经达到技术极限，只能支持80纳米的线宽工艺，无法在芯片上实现更小的线宽。 ”。 要说帅气，就是因为光源更细，euv光刻技术可以满足22纳米以下线宽的集成电路的生产要求。

“euv现在可以说是最接近实际生产的深亚微米光刻技术。 如果使用这种光刻技术，就可以在芯片上实现10纳米以内的线宽”。 孟令海说。

摩尔定律除了性能外，另一个要求是价格的下降。 因此，“救星”还必须承担省钱的重任。 euv光刻技术正好能满足这个要求。

常帅介绍说，光刻机在工作中必须频繁曝光。 也就是说，通过向硅晶片照射光，使没有被掩模遮挡的部分的光致抗蚀剂发生化学反应，从而将石英掩模上的电路图显影到硅晶片上，之后可以进行蚀刻、脱胶等一系列的工序。

“目前，主流制造商生产一枚芯片，可能需要4次、甚至多次曝光。 使用euv光刻技术，一次曝光就足够了，可以大幅降低生产制造价格。 ”。 孟令海表示，换言之，euv光刻技术不仅可以提高写入清晰度，还可以使芯片价格更便宜，满足摩尔定律的价格要求。

不仅如此，euv光刻技术之所以受到各大集成电路制造商的关注，是因为一直以来光刻技术的发展，能够使现有的制造工艺继续下去。

让摩尔定律至少延续十年

既然euv光刻技术的利益很多，那么为了摩尔定律“续命”的重任，可以放心被托付。

但是，事实并非如此。

常帅和孟令海介绍说，目前euv光刻技术进展比较缓慢。 另外，极紫外光刻光学系统的设计和制造也极其繁多，遗留着许多未处理的技术课题。

孟令海的解体表明，euv光刻技术目前首要面临三大挑战。

“首先，光源效率，也就是每小时能“刻”多少张，根据批量生产工艺的要求，光刻效率每小时必须达到250张，但目前euv光刻效率还难以满足这个要求。 这是因为需要进一步提高，但很难实现。 其次，光刻胶、euv光刻机的技术原理与通常的光刻机不同，通常的光刻机使用投影进行光刻，但euv光刻机需要利用反射光利用反射镜。 这将无法控制光子和光刻胶的化学反应，有时会发生错误。 最后是光刻机保护层的透光性材料，为了提高光刻机的写入精度，需要在其上追加保护层，但现有保护层的材料质量差，透光性差。 ”。 孟令海说。

另外，常帅分析认为，euv光刻工艺的成品率也是阻碍euv光刻快速发展的“绊脚石”。 目前，使用普通光刻机制造的芯片良品率约为95%，而euv光刻机的良品率仅为70%至80%。

“增加市场订单数量是处理这些问题的关键。 只有订单多了，厂家多了使用，越来越多的光源、材料等上下游公司才能共同参与研发，完成euv光刻产业链。 ”。 常帅说。

即使在技术上满足要求，收益没有足够的吸引力，也不容易赋予制造公司应用新技术的动力。 现在，使用euv光刻技术的生产价格似乎非常高。

资料显示，最新的euv光刻机价格超过1亿欧元，是普通193纳米光刻机价格的两倍以上。 另外，由于功率极高，euv光刻设备在生产时消耗的电量也远远超过了以往的同类设备。

那么，目前，euv光刻技术为了摩尔定律的延续，能起到它们的作用吗？

孟令海表示，在光刻线宽5纳米以下的生产工艺中，euv光刻技术不可替代，在未来很长一段时间内，euv光刻技术有可能成为摩尔定律持续快速发展的重要力量。 “这是因为，如果处理工艺技术和制造价格等课题，euv光刻设备是7纳米以下工艺的主要选择，可以使摩尔定律持续至少10年。 ”。 孟令海说。 (记者张蘂)

来源：人民视窗网