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深度 | 半导体巨头押注的 EUV 光刻,真能拯救摩尔定律吗?(下)

雷锋网
2017-02-16
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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 (公众号: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。

EUV 的商业化之路

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。

展开剩余87%

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。

巨头入局

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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