視覺中國供圖

近年來，在半導體行業，極紫外光刻（Extreme Ultra-Violet，以下簡稱EUV光刻）成為備受衆多企業關注的光刻技術之一。

前段時間，台灣積體電路制造股份有限公司宣布，已采用7納米EUV工藝。今年，三星公司正式發布了7納米EUV芯片Exynos 9825，該公司稱此芯片将晶體管性能提高了20%至30%，将功耗降低了30%至50%。

之所以備受關注，一個重要的原因是，有傳聞稱，EUV光刻有望成為摩爾定律的“救星”。

半個多世紀以來，半導體行業按照摩爾定律不斷發展，由此驅動了一系列的科技創新。随着芯片尺寸越來越逼近物理極限，摩爾定律在未來是否依舊奏效，成為現在全行業都在關注的問題。

那麼，這項技術能否為摩爾定律“續命”？它又是否已經到了最好的應用節點？針對上述問題，科技日報記者采訪了業内專家。

将電路圖和電子元件“刻”到“底片”上

在認識EUV光刻前，讓我們先來認識一下光刻技術。

“其實，光刻技術跟照相技術差不多，照相是将鏡頭裡的圖畫‘印’到底片上，而光刻是将電路圖和電子元件‘刻’到‘底片’上。”北京理工大學材料學院副研究員常帥在接受科技日報記者采訪時介紹道，在光刻工藝中，通常以塗滿光敏膠的矽片作為“底片”，電路圖案經光刻機，縮微投射到“底片”上。制造芯片，要重複幾十遍這個過程。

“光刻技術的主要作用，就是把芯片上的線路與功能區做出來。”曾在半導體行業工作多年的北京理工大學材料學院博士生孟令海對科技日報記者表示，利用光刻機發出的光，通過帶有圖形的光罩，對塗有光刻膠的薄片進行曝光，光刻膠見光後會發生化學反應，從而使光罩上的圖形印到薄片上，線路和功能區随之顯現。

常帥表示，在芯片加工過程中，光刻是其中一個重要的步驟，其甚至被認為是集成電路制造中最為關鍵的步驟，決定着制造工藝的先進程度。

摩爾定律指出，芯片上可容納的元器件數目每隔18個月翻1倍，同時芯片性能每隔18個月提高一倍，而價格下降一半。

“光刻技術的‘雕刻’精細度，直接決定了元器件、電路等在芯片上所占的體積。因而，光刻是決定芯片能否按照摩爾定律繼續發展的一項重要技術，如果沒有光刻技術的進步，芯片制造工藝就不可能從微米進入深亞微米再進入納米時代。”常帥說。

孟令海向記者說，随着芯片制造工藝由微米級向納米級發展，光刻機所采用的光波波長也從近紫外（NUV）區間的436納米、365納米，進入深紫外（DUV）區間的248納米、193納米。

EUV光源波長為主流光源的1/14

EUV光刻所用的光波，是波長為13.5納米的極紫外光。相比當前主流光刻機所采用的193納米光源，EUV光源的波長約為前者的1/14，這使其能在矽片上“刻”出更細的痕迹。

“業内形容EUV光刻的精細程度，常打的一個比方是，好比從地球上射出的一縷手電筒光，其能精準地照到月球上的一枚硬币。”孟令海說。

為滿足摩爾定律的要求，技術人員一直在研究、開發新的芯片制造技術，來縮小線寬并增大芯片的容量。“線寬是指芯片上最小導線的寬度，是衡量芯片制作工藝先進性的重要指标之一。”常帥說。

“如今，芯片制造商大多使用波長為193納米的光刻技術，用其在‘底片’上‘描繪’出精細的圖案。但實際上，193納米光刻目前已經達到了技術極限，隻能支持80納米的線寬工藝，無法在芯片上實現更小線寬。”常帥說，由于光源更細，EUV光刻技術可以滿足22納米及更小線寬的集成電路生産要求。

“可以說，EUV是目前距離實際生産最近的一種深亞微米光刻技術。如果采用該光刻技術，可在芯片上實現10納米以内的線寬。”孟令海說。

摩爾定律不隻對性能提出要求，另一個要求是成本的降低。所以，“救星”還必須承擔起省錢的重任。EUV光刻技術恰好能符合這個要求。

常帥介紹道，光刻機在工作過程中，要頻繁地進行曝光。簡單來說，就是用光線照射矽片，讓未受掩模遮擋部分的光刻膠發生化學反應，這樣才能将石英掩模上的電路圖顯影到矽片上，以便後續進行刻蝕、去膠等一系列工序。

“目前，主流制造商生産1枚芯片，可能需要進行4次，甚至更多次的曝光。若采用EUV光刻技術，隻需1次曝光就夠了，這樣就可大幅降低生産制造成本。”孟令海說，換句話說，EUV光刻技術不僅提升了刻錄的精細程度，也能讓芯片的價格更便宜，符合摩爾定律對成本的要求。

不僅如此，EUV光刻技術之所以受到各大集成電路生産廠商的關注，還因為該光刻技術是傳統光刻技術的拓展，能使現有生産工藝得以延續。

讓摩爾定律至少再延續10年

既然EUV光刻技術好處多多，這麼看來，為摩爾定律“續命”的重任，可以放心交給它了。

然而，事實并非如此。

常帥和孟令海介紹，目前來看，EUV光刻技術進展比較緩慢。同時，極紫外光刻光學系統的設計和制造也極其複雜，尚存在許多未被解決的技術難題。

據孟令海分析，EUV光刻技術目前主要面臨三大挑戰。

“首先是光源效率，即每小時能‘刻’多少片，按照量産工藝要求，光刻效率要達到每小時250片，而現在EUV光刻效率尚難達到這一要求，因此還需進一步提高，但實現難度相當大。其次是光刻膠，EUV光刻機和普通光刻機的技術原理不同，普通光刻機采用投影進行光刻，而EUV光刻機則是利用反射光，需要借助反光鏡，這使得光子和光刻膠的化學反應變得不可控，有時會出現差錯。最後是光刻機保護層的透光材料，要提高光刻機的刻錄精度，就需要在其上面增加一個保護層，但現有保護層材料質量欠佳、透光性比較差。”孟令海說。

此外，據常帥分析，EUV光刻工藝的良品率也是阻礙EUV光刻發展的“絆腳石”。目前，采用一般光刻機生産的芯片，其良品率約為95%，而EUV光刻機的良品率僅為70%至80%。

“要想解決這些問題，關鍵是要提升市場訂單數量，隻有訂單多了，廠商用得多了，才能吸引更多光源、材料等上下遊企業共同參與研發，進而完善EUV光刻産業鍊。”常帥說。

即使在技術上達到要求，收益缺乏足夠的吸引力，也很難讓制造企業産生應用新技術的動力。目前看來，采用EUV光刻技術的生産成本十分高昂。

資料顯示，最新的EUV光刻機價格或超過1億歐元，是常規193納米光刻機價格的2倍多。此外，由于功率極高，EUV光刻設備在生産時消耗的電量也遠超現有同類機器。

那麼，目前來看，EUV光刻技術能為摩爾定律的延續，起到哪些作用呢？

孟令海表示，在光刻線條寬度為5納米及以下生産工藝中，EUV光刻技術具有不可替代性，在未來較長一段時間内，EUV光刻技術都可能成為延續摩爾定律發展的重要力量。“因此，如果解決了工藝技術和制造成本等難題，EUV光刻設備将是7納米以下工藝的最佳選擇，它可讓摩爾定律至少再延續10年時間。”孟令海說。

責編：李文瑤

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