台積電近日宣布，已經(jīng)開(kāi)始了7nm+ EUV工藝的大規模量産，這(zhè)是該公司乃至整個半導體産業首個商用EUV極紫外光刻技術的工藝。作爲EUV設備唯一提供商，市場預估荷蘭ASML公司籍此EUV設備年增長(cháng)率將(jiāng)超過(guò)66%。這(zhè)個目标是否能(néng)實現?EUV工藝在發(fā)展過(guò)程中面(miàn)臨哪些挑戰?産業化進(jìn)程中需要突破哪些瓶頸?
EUV設備讓摩爾定律再延伸三代工藝
光刻是集成(chéng)電路生産過(guò)程中最複雜、難度最大也是最爲關鍵的工藝，它對(duì)芯片的工藝制程起(qǐ)着決定性作用。193nm浸沒(méi)式光刻技術自2004年年底由台積電和IBM公司應用以來，從90nm節點一直延伸到10nm節點，經(jīng)曆了12年時間，是目前主流的光刻工藝。但是進(jìn)入7nm工藝後(hòu)，它的制約也越來越明顯，因此EUV工藝堂而皇之走上舞台。
全球EUV光刻技術的研發(fā)始于20世紀80年代，經(jīng)過(guò)近40年的發(fā)展，EUV技術從原理到零部件再到原材料等已經(jīng)足夠成(chéng)熟，并且在現階段的産業應用中體現了較明顯優勢。
研究院王珺在接受《中國(guó)電子報》記者采訪時表示，極紫外光(EUV)短于深紫外光(DUV)的波長(cháng)，這(zhè)讓EUV光刻技術的應用顯著提升了光刻機曝光分辨率，進(jìn)而帶動晶體管特征尺寸的縮減。制造企業在28nm及以下工藝的解決方案使用浸沒(méi)式和多重曝光技術。但是進(jìn)入7nm工藝，DUV的多重曝光次數增長(cháng)太多，讓制造成(chéng)本、難度、良率、交付期限均顯著惡化。在關鍵層應用EUV光刻技術，從而減少曝光次數，進(jìn)而帶來制造成(chéng)本與難度的降低，這(zhè)讓EUV光刻技術具備了足夠的生産價值。
“EUV光刻機在5nm及以下工藝具有不可替代性，在未來較長(cháng)時間内應用EUV技術都(dōu)將(jiāng)成(chéng)爲實現摩爾定律發(fā)展的重要方向(xiàng)。”王珺說。因此，從工藝技術和制造成(chéng)本綜合因素考量，EUV設備被普遍認爲是7nm以下工藝節點最佳選擇，它可以繼續往下延伸三代工藝，讓摩爾定律再至少延長(cháng)10年時間。
DRAM存儲器將(jiāng)帶動EUV光刻機增長(cháng)
在台積電、三星、英特爾繼續延續摩爾定律進(jìn)行工藝發(fā)展的帶動下，EUV光刻機的應用數量將(jiāng)持續提升。
王珺表示，從目前看，對(duì)EUV光刻技術具有明顯應用需求的芯片包括應用處理器、CPU、DRAM存儲器、基帶芯片。
半導體專家莫大康認爲，ASML公司EUV設備産量若要進(jìn)一步擴大，希望就落在存儲器廠商身上。他向(xiàng)《中國(guó)電子報》記者表示，目前看，EUV光刻機主要賣給三家公司：英特爾、三星和台積電，其中台積電訂得最多。他介紹說，存儲器主要分爲兩(liǎng)種(zhǒng)：一種(zhǒng)是DRAM，另一種(zhǒng)是3D NAND。3D NAND目前的競争主要集中在層數上，雖然也需要工藝的先進(jìn)性，但需求不那麼(me)迫切。而DRAM存儲器則不同，一方面(miàn)其産量比較大，另一方面(miàn)若做到1Z(12～14nm)以下，就可能(néng)需要用到EUV光刻機了，屆時，存儲器廠商訂的EUV設備將(jiāng)有大的爆發(fā)。“但具體時間，還(hái)要看市場需求以及廠商導入情況。目前，ASML公司EUV設備一年的出貨量隻有40多台，遠遠未達到業界預期。”
EUV還(hái)需克服諸多挑戰
現階段EUV光刻技術已經(jīng)成(chéng)熟，且進(jìn)入産業化階段，但是在光刻機的光源效率、光刻膠的靈敏度等方面(miàn)依然存在較大的進(jìn)步空間。
有關人士指出，EUV光刻機除了價格昂貴之外(超過(guò)1億美元)，最大的問題是電能(néng)消耗，電能(néng)利用率低，是傳統193nm光刻機的10倍，因爲極紫外光的波長(cháng)僅有 13.5nm，投射到晶圓表面(miàn)曝光的強度隻有光進(jìn)入EUV設備光路系統前的2%。在7nm成(chéng)本比較中，7nm的EUV生産效率在80片/小時的耗電成(chéng)本是14nm的傳統光刻生産效率在240片/小時耗電成(chéng)本的1倍，這(zhè)還(hái)不算設備購置成(chéng)本和掩膜版設計制造成(chéng)本比較。
莫大康認爲EUV工藝面(miàn)臨三大挑戰：首先是光源效率，即每小時刻多少片，按照工藝要求，要達到每小時250片，而現在EUV光源效率達不到這(zhè)個标準，因此還(hái)需進(jìn)一步提高，且技術難度相當大。其次是光刻膠，光刻膠的問題主要體現在：EUV光刻機和普通光刻機原理不同，普通光刻機采用投影進(jìn)行光刻，而EUV光刻機則利用反射光，要通過(guò)反光鏡，因此，光子和光刻膠的化學(xué)反應變得不可控，有時候會出差錯，這(zhè)也是迫切需要解決的難題。最後(hòu)是光刻機保護層的透光材料，随着光刻機精度越來越高，上面(miàn)需要一層保護層，現在的材料還(hái)不夠好(hǎo)，透光率比較差。
在以上三個挑戰中，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，采用一般光刻機生産的良率在95%，EUV光刻機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，關鍵是訂單數量，隻有訂單多了，廠商用的多了，才能(néng)吸引更多光源、材料等上下遊企業共同參與，完善EUV産業鏈的發(fā)展。
王珺表示，EUV技術的研發(fā)與應用難度極高，未來實現進(jìn)一步發(fā)展在全球範圍内將(jiāng)遵循競争優勢理論，各國(guó)和地區的供應商依靠自身優勢進(jìn)行國(guó)際化産業整合。