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| 本文作者： 奕欣 | 2016-11-09 15:33 |
編者按：當價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數目，約每隔 18-24 個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。戈登·摩爾所提出的摩爾定律，一直環繞著偉大而悲慘的光環：它似乎總在觸碰半導體工藝的極限，卻又在即將衰亡時因黑科技的拯救而重獲新生。
如果光刻技術要數現代集成電路上的第二大難題，那么絕對沒有別的因素敢稱第一。目前，193nm 液浸式光刻系統是最為成熟的技術，它在精確度及成本上達到了一個近乎完美的平衡，短時間內很難被取代。不過，一種名為極紫外光刻（EUV 光刻）的技術半路殺出，成為近年來英特爾、臺積電等芯片公司追捧的新寵。有人認為 EUV 光刻能夠拯救摩爾定律，但事實是否真的如此？本文分上下兩篇，首發于 IEEE，作者 Rachel Courtland，雷鋒網搗泥、何忞及奕欣編譯，未經許可不得轉載。
EUV實地測試：在位于紐約阿爾伯尼的紐約州立大學理工學院里，這臺EUV光刻機（型號ASML NXE: 3300B）被用來刻出芯片表面的容貌。從圖中這臺設備前方的靠底部位置，可產生用來曝光晶圓表面的EUV光。機器遠端連接了一條導軌，可以給晶圓在曝光前覆上涂層，并處理曝光后的工作。
即使你穿了兔子套裝一樣的超凈服并置身 Fab 8 其中，你還是很難想象它有多大。位于紐約阿爾伯尼北部山林中，價值 120 億美元的 GlobalFoundries 制造中心，成行成列地擺放著高大的機器。如同倒掛的微型過山車一般，天花板上的軌道里，有裝載晶圓的運輸設備從頭頂呼嘯而過。如果時機湊巧，你就可以見證運輸設備把晶圓裝載到生產設備的過程。隨之，產品就將迎來三個月的生產周期，設備會把盤子大小的裸硅晶圓加工成可用在智能手機、電腦和服務器里面的芯片。是的，如果在公歷新年開始制作一個微處理器，可能要等到春天才能完成。
ASML
機器內部：EUV 的產生，需要把二氧化碳脈沖激光發射到管道中，并在管道中與微型的錫液滴碰撞，進而產生等離子體。
這臺位于 ASML 荷蘭費爾德霍芬總部，經過特殊組裝的EUV光刻機，是該公司最新的產品之一
在這種先進制造過程中，一塊晶圓要經歷至少 60 次這樣的錘煉：表面被覆上光敏材料，隨后進入一個密閉光照的光刻機。在其中，經過一道名為“光蝕刻”的工藝，激光會打在預制刻有線路的平板上，隨后在晶圓表面投射出被縮小的線路。由此可以產生超級精密的線路，以便制成精密半導體和導線電路，成為最先進的處理器的內部構造。
幾乎沒什么特點能把這些光刻機從其他無數自動設備的海洋中區別出開來，也不會有什么紅色的標識牌閃亮著標明“此處為重要工序”。但 Fab 8 的總經理 Tom Caulfield 解釋道，光刻“是工廠的心跳”。
如果把這些光刻機當作是摩爾定律的前沿陣地，人們就會更容易意識到，在五十多年中，不斷把集成電路的半導體密度翻倍，代表了多么驚人的工藝進步。數十年來，包含光蝕刻在內的一系列持續而顯著的突破，使得芯片廠商可以不停地縮小芯片工藝、維持研發周期并相對經濟地把更多晶體管放到芯片里。這些進步使得我們可以從上世紀七十年代，芯片有幾千個晶體管的情況，發展到如今的幾十億個。
但為了行業持續的良性發展，GlobalFoundries 和其他芯片界領軍公司卻不能只依賴以往的高端光蝕刻技術。為此，他們正冥思苦想，意圖進行一次重大的也是最具挑戰性的轉變。
從行業創立之初，半導體光蝕刻就是通過電磁波輻射，即光照，來實現的。但半導體企業現在看重的技術里，輻射變成了另外一種東西。它的名字叫極紫外光（EUV），但不要被這個名字所迷惑。與當前的光刻機不同，EUV 無法在空氣中傳播，也不能通過透鏡或者傳統鏡面聚焦。
EUV 的產生也很是困難。首要的一步，是將激光照向一束快速射出的熔融態錫液滴流。此舉是為了讓制造出的光刻機能使用 13.5nm 波長的光（這種波長是當前最先進機器所用波長的十分之一），進而光刻機可一次完成以往需要多次曝光的蝕刻，從而為半導體公司節省成本。
ASML
光刻機內部：為了實現 EUV 光刻，工程師們只能讓透鏡靠邊邊了。一系列反射鏡可以把 EUV 輻射從光刻機的光源位置（右下方）傳輸到光掩模板上。掩模板上帶有需要蝕刻的線路，并可將 EUV 傳遞到晶圓上。附加的導軌（左側，未出現在圖中），負責晶圓在光刻機的運入和運出。掩模板有自身獨立的出入口。
但是，創造一個亮度和可靠性足夠，且能在工廠每天 24 小時、全年不間斷運行的 EUV 系統是一個著名的工程難題。多年來，EUV 技術遇到了很多質疑和無數次的失敗，但是如今，它離實現只有一步之遙了。
現在，科技的發展的確到了一個轉折點。荷蘭的光刻工具制造商 ASML Holding 生產的 EUV 光源即將開始商業化投產。作為技術領航人的 ASML 公司，目前已經開始發貨 EUV 光源，預計在 2018 年可實現最新的微處理器和存儲器的批量生產。世界最先進的芯片制造商正在籌備將這些機器應用到自己的生產線中。
這樣做的風險很高。摩爾定律正在面臨巨大挑戰，沒有人能確定去年總產值為 3300 億美元的半導體產業將如何引導 5 年或是 10 年內的發展，也無人知曉“后摩爾定律”時代的半導體行業未來會是什么樣子，利潤的下降也可能是無法避免的。但是如果摩爾定律能有效地避免半導體行業營業額下降，即使只有 15%，它的現金流仍然是整個美國游戲產業營業額的兩倍。
光蝕刻系統制造的精細程度取決于很多因素。但是實現跨越性進步的有效方法是降低使用光源的波長。幾十年來，光刻機廠商們就是這么做的：他們將晶圓曝光工具從人眼可見的藍光端開始逐漸減小波長，直到光譜上的紫外線端。
圖中是 ASML 公司產品上的曲線和折角。EUV 與現在使用的 193nm 光源的多重成像技術（左）相比，保證了產品有更加尖銳的形狀（右）。圖中線的最小寬度為 24nm。
80年代后期，半導體行業開始用激光代替汞燈作為光源，將波長從365nm 降低到 248nm。但是一些研究者們已經開始計劃一個更大的進步——向X射線范圍挺近。當時就職于日本電信公司 NTT的 Hiroo Kinoshita 在 1986 年發表了使用 11nm 射線的結果。另外還有 AT&T 公司的貝爾實驗室和 Lawrence Livermore 國家實驗室也分別實踐了這種技術。1989 年，一些相關研究學者在光蝕刻學術會上碰面并交換了研究思想。再后來，相關的研究開始得到國家和行業內的贊助。
90年代后期，ASML 公司和其他一些合作伙伴開始研究后來廣為人知的技術——EUV 光刻技術。也是這個時候，在 ASML 公司荷蘭總部 Veldhoven 小鎮長大的 Anton van Dijsseldonk ，成為了公司開展該項目的第一個全職雇員。van Dijsseldonk 回憶道：“摩爾定律的終點已經被大家所預見到了。半導體行業一直都在尋找方法來保持技術革新和進步。芯片制造商們也在努力改進套刻技術——將晶片從光刻機中加工取出后再放入其中，并在原來的位置精準地印刷出下一層圖像。那時的人們都在尋找不同的方法，而 EUV 就是里面較為不同的一個。”
但是從一開始，ASML 公司 EUV 項目的研究者們就堅信這個技術可以實現，并且這個技術會成為芯片制造商們最劃算的選擇。不到十年的時間，ASML 公司決定做出一個 EUV 光刻機樣機，使其他研究者們可以測試這種方法。
但是，EUV 技術是非常困難的。在使用波長近乎為X光的射線去蝕刻時，物理學知識并不能為工程師幫上多少忙。對于公司最終選擇的 13.5nm 波長射線，這種光可以輕易地被很多材料吸收。van Dijsseldonk 補充道：“即使我們呼吸的空氣也是完全的黑色，因為它也吸收了最后一點射線。”所以他和他的團隊很早就意識到，EUV 光刻機只能在真空下運行，晶圓通過一個氣閘進出光刻機。
之后接踵而來的就是讓射線彎曲的問題。EUV 也能被玻璃吸收，所以在機器中改變其走向，需要使用反射鏡來代替透鏡，而且還不能是普通的反射鏡。普通打磨鏡面的反射率還不夠，所以他們必須使用布拉格反射器（Bragg reflector，一種多層鏡面，可以將很多小的反射集中成一個單一而強大的反射）。
在下篇，雷鋒網會繼續會大家介紹 EUV 技術，以及芯片制造商們對該技術的關注。
via IEEE
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