EUV設(shè)備讓摩爾定律再延伸三代工藝 但需克服諸多挑戰(zhàn)

臺(tái)積電近日宣布，已經(jīng)開始了7nm+ EUV工藝的大規(guī)模量產(chǎn)，這是該公司乃至整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)首個(gè)商用EUV極紫外光刻技術(shù)的工藝。作為EUV設(shè)備唯一提供商，市場預(yù)估荷蘭ASML公司籍此EUV設(shè)備年增長率將超過66%。這個(gè)目標(biāo)是否能實(shí)現(xiàn)？EUV工藝在發(fā)展過程中面臨哪些挑戰(zhàn)？產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中需要突破哪些瓶頸？

EUV設(shè)備讓摩爾定律再延伸三代工藝

光刻是集成電路生產(chǎn)過程中最復(fù)雜、難度最大也是最為關(guān)鍵的工藝，它對(duì)芯片的工藝制程起著決定性作用。193nm浸沒式光刻技術(shù)自2004年年底由臺(tái)積電和IBM公司應(yīng)用以來，從90nm節(jié)點(diǎn)一直延伸到10nm節(jié)點(diǎn)，經(jīng)歷了12年時(shí)間，是目前主流的光刻工藝。但是進(jìn)入7nm工藝后，它的制約也越來越明顯，因此EUV工藝堂而皇之走上舞臺(tái)。

全球EUV光刻技術(shù)的研發(fā)始于20世紀(jì)80年代，經(jīng)過近40年的發(fā)展，EUV技術(shù)從原理到零部件再到原材料等已經(jīng)足夠成熟，并且在現(xiàn)階段的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中體現(xiàn)了較明顯優(yōu)勢。

研究院王珺在接受《中國電子報(bào)》記者采訪時(shí)表示，極紫外光（EUV）短于深紫外光（DUV）的波長，這讓EUV光刻技術(shù)的應(yīng)用顯著提升了光刻機(jī)曝光分辨率，進(jìn)而帶動(dòng)晶體管特征尺寸的縮減。制造企業(yè)在28nm及以下工藝的解決方案使用浸沒式和多重曝光技術(shù)。但是進(jìn)入7nm工藝，DUV的多重曝光次數(shù)增長太多，讓制造成本、難度、良率、交付期限均顯著惡化。在關(guān)鍵層應(yīng)用EUV光刻技術(shù)，從而減少曝光次數(shù)，進(jìn)而帶來制造成本與難度的降低，這讓EUV光刻技術(shù)具備了足夠的生產(chǎn)價(jià)值。

“EUV光刻機(jī)在5nm及以下工藝具有不可替代性，在未來較長時(shí)間內(nèi)應(yīng)用EUV技術(shù)都將成為實(shí)現(xiàn)摩爾定律發(fā)展的重要方向?！蓖醅B說。因此，從工藝技術(shù)和制造成本綜合因素考量，EUV設(shè)備被普遍認(rèn)為是7nm以下工藝節(jié)點(diǎn)最佳選擇，它可以繼續(xù)往下延伸三代工藝，讓摩爾定律再至少延長10年時(shí)間。

DRAM存儲(chǔ)器將帶動(dòng)EUV光刻機(jī)增長

在臺(tái)積電、三星、英特爾繼續(xù)延續(xù)摩爾定律進(jìn)行工藝發(fā)展的帶動(dòng)下，EUV光刻機(jī)的應(yīng)用數(shù)量將持續(xù)提升。

王珺表示，從目前看，對(duì)EUV光刻技術(shù)具有明顯應(yīng)用需求的芯片包括應(yīng)用處理器、CPU、DRAM存儲(chǔ)器、基帶芯片。

半導(dǎo)體專家莫大康認(rèn)為，ASML公司EUV設(shè)備產(chǎn)量若要進(jìn)一步擴(kuò)大，希望就落在存儲(chǔ)器廠商身上。他向《中國電子報(bào)》記者表示，目前看，EUV光刻機(jī)主要賣給三家公司：英特爾、三星和臺(tái)積電，其中臺(tái)積電訂得最多。他介紹說，存儲(chǔ)器主要分為兩種：一種是DRAM，另一種是3D NAND。3D NAND目前的競爭主要集中在層數(shù)上，雖然也需要工藝的先進(jìn)性，但需求不那么迫切。而DRAM存儲(chǔ)器則不同，一方面其產(chǎn)量比較大，另一方面若做到1Z（12～14nm）以下，就可能需要用到EUV光刻機(jī)了，屆時(shí)，存儲(chǔ)器廠商訂的EUV設(shè)備將有大的爆發(fā)?！暗唧w時(shí)間，還要看市場需求以及廠商導(dǎo)入情況。目前，ASML公司EUV設(shè)備一年的出貨量只有40多臺(tái)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到業(yè)界預(yù)期。”

EUV還需克服諸多挑戰(zhàn)

現(xiàn)階段EUV光刻技術(shù)已經(jīng)成熟，且進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段，但是在光刻機(jī)的光源效率、光刻膠的靈敏度等方面依然存在較大的進(jìn)步空間。

有關(guān)人士指出，EUV光刻機(jī)除了價(jià)格昂貴之外（超過1億美元），最大的問題是電能消耗，電能利用率低，是傳統(tǒng)193nm光刻機(jī)的10倍，因?yàn)闃O紫外光的波長僅有 13.5nm，投射到晶圓表面曝光的強(qiáng)度只有光進(jìn)入EUV設(shè)備光路系統(tǒng)前的2%。在7nm成本比較中，7nm的EUV生產(chǎn)效率在80片/小時(shí)的耗電成本是14nm的傳統(tǒng)光刻生產(chǎn)效率在240片/小時(shí)耗電成本的1倍，這還不算設(shè)備購置成本和掩膜版設(shè)計(jì)制造成本比較。

莫大康認(rèn)為EUV工藝面臨三大挑戰(zhàn)：首先是光源效率，即每小時(shí)刻多少片，按照工藝要求，要達(dá)到每小時(shí)250片，而現(xiàn)在EUV光源效率達(dá)不到這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，因此還需進(jìn)一步提高，且技術(shù)難度相當(dāng)大。其次是光刻膠，光刻膠的問題主要體現(xiàn)在：EUV光刻機(jī)和普通光刻機(jī)原理不同，普通光刻機(jī)采用投影進(jìn)行光刻，而EUV光刻機(jī)則利用反射光，要通過反光鏡，因此，光子和光刻膠的化學(xué)反應(yīng)變得不可控，有時(shí)候會(huì)出差錯(cuò)，這也是迫切需要解決的難題。最后是光刻機(jī)保護(hù)層的透光材料，隨著光刻機(jī)精度越來越高，上面需要一層保護(hù)層，現(xiàn)在的材料還不夠好，透光率比較差。

在以上三個(gè)挑戰(zhàn)中，光源效率是最主要的。此外，EUV光刻工藝的良率也是阻礙其發(fā)展的“絆腳石”。目前，采用一般光刻機(jī)生產(chǎn)的良率在95%，EUV光刻機(jī)的良率則比它低不少，在70%~80%之間。莫大康表示，解決上述問題，關(guān)鍵是訂單數(shù)量，只有訂單多了，廠商用的多了，才能吸引更多光源、材料等上下游企業(yè)共同參與，完善EUV產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。

王珺表示，EUV技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用難度極高，未來實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步發(fā)展在全球范圍內(nèi)將遵循競爭優(yōu)勢理論，各國和地區(qū)的供應(yīng)商依靠自身優(yōu)勢進(jìn)行國際化產(chǎn)業(yè)整合。