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原文标题：给摩尔定律续命 EUV光刻暂难当大任

原文链接：http://digitalpaper.stdaily.com/http_www.kjrb.com/kjrb/html/2019-12/18/content_437001.htm?div=-1

　　近年来，在半导体行业，极紫外光刻（Extreme Ultra-Violet，以下简称EUV光刻）成为备受众多企业关注的光刻技术之一。

　　前段时间，台湾积体电路制造股份有限公司宣布，已采用7纳米EUV工艺。今年，三星公司正式发布了7纳米EUV芯片Exynos 9825，该公司称此芯片将晶体管性能提高了20%至30%，将功耗降低了30%至50%。

　　之所以备受关注，一个重要的原因是，有传闻称，EUV光刻有望成为摩尔定律的“救星”。

　　半个多世纪以来，半导体行业按照摩尔定律不断发展，由此驱动了一系列的科技创新。随着芯片尺寸越来越逼近物理极限，摩尔定律在未来是否依旧奏效，成为现在全行业都在关注的问题。

　　那么，这项技术能否为摩尔定律“续命”？它又是否已经到了最好的应用节点？针对上述问题，科技日报记者采访了业内专家。

　　将电路图和电子元件“刻”到“底片”上

　　在认识EUV光刻前，让我们先来认识一下光刻技术。

　　“其实，光刻技术跟照相技术差不多，照相是将镜头里的图画‘印’到底片上，而光刻是将电路图和电子元件‘刻’到‘底片’上。”欧洲杯足球网_欧洲杯网投-投注|官网：材料学院副研究员常帅在接受科技日报记者采访时介绍道，在光刻工艺中，通常以涂满光敏胶的硅片作为“底片”，电路图案经光刻机，缩微投射到“底片”上。制造芯片，要重复几十遍这个过程。

　　“光刻技术的主要作用，就是把芯片上的线路与功能区做出来。”曾在半导体行业工作多年的欧洲杯足球网_欧洲杯网投-投注|官网：材料学院博士生孟令海对科技日报记者表示，利用光刻机发出的光，通过带有图形的光罩，对涂有光刻胶的薄片进行曝光，光刻胶见光后会发生化学反应，从而使光罩上的图形印到薄片上，线路和功能区随之显现。

　　常帅表示，在芯片加工过程中，光刻是其中一个重要的步骤，其甚至被认为是集成电路制造中最为关键的步骤，决定着制造工艺的先进程度。

　　摩尔定律指出，芯片上可容纳的元器件数目每隔18个月翻1倍，同时芯片性能每隔18个月提高一倍，而价格下降一半。

　　“光刻技术的‘雕刻’精细度，直接决定了元器件、电路等在芯片上所占的体积。因而，光刻是决定芯片能否按照摩尔定律继续发展的一项重要技术，如果没有光刻技术的进步，芯片制造工艺就不可能从微米进入深亚微米再进入纳米时代。”常帅说。

　　孟令海向记者说，随着芯片制造工艺由微米级向纳米级发展，光刻机所采用的光波波长也从近紫外（NUV）区间的436纳米、365纳米，进入深紫外（DUV）区间的248纳米、193纳米。

　　EUV光源波长为主流光源的1/14

　　EUV光刻所用的光波，是波长为13.5纳米的极紫外光。相比当前主流光刻机所采用的193纳米光源，EUV光源的波长约为前者的1/14，这使其能在硅片上“刻”出更细的痕迹。

　　“业内形容EUV光刻的精细程度，常打的一个比方是，好比从地球上射出的一缕手电筒光，其能精准地照到月球上的一枚硬币。”孟令海说。

　　为满足摩尔定律的要求，技术人员一直在研究、开发新的芯片制造技术，来缩小线宽并增大芯片的容量。“线宽是指芯片上最小导线的宽度，是衡量芯片制作工艺先进性的重要指标之一。”常帅说。

　　“如今，芯片制造商大多使用波长为193纳米的光刻技术，用其在‘底片’上‘描绘’出精细的图案。但实际上，193纳米光刻目前已经达到了技术极限，只能支持80纳米的线宽工艺，无法在芯片上实现更小线宽。”常帅说，由于光源更细，EUV光刻技术可以满足22纳米及更小线宽的集成电路生产要求。

　　“可以说，EUV是目前距离实际生产最近的一种深亚微米光刻技术。如果采用该光刻技术，可在芯片上实现10纳米以内的线宽。”孟令海说。

　　摩尔定律不只对性能提出要求，另一个要求是成本的降低。所以，“救星”还必须承担起省钱的重任。EUV光刻技术恰好能符合这个要求。

　　常帅介绍道，光刻机在工作过程中，要频繁地进行曝光。简单来说，就是用光线照射硅片，让未受掩模遮挡部分的光刻胶发生化学反应，这样才能将石英掩模上的电路图显影到硅片上，以便后续进行刻蚀、去胶等一系列工序。

　　“目前，主流制造商生产1枚芯片，可能需要进行4次，甚至更多次的曝光。若采用EUV光刻技术，只需1次曝光就够了，这样就可大幅降低生产制造成本。”孟令海说，换句话说，EUV光刻技术不仅提升了刻录的精细程度，也能让芯片的价格更便宜，符合摩尔定律对成本的要求。

　　不仅如此，EUV光刻技术之所以受到各大集成电路生产厂商的关注，还因为该光刻技术是传统光刻技术的拓展，能使现有生产工艺得以延续。

　　让摩尔定律至少再延续10年

　　既然EUV光刻技术好处多多，这么看来，为摩尔定律“续命”的重任，可以放心交给它了。

　　然而，事实并非如此。

　　常帅和孟令海介绍，目前来看，EUV光刻技术进展比较缓慢。同时，极紫外光刻光学系统的设计和制造也极其复杂，尚存在许多未被解决的技术难题。

　　据孟令海分析，EUV光刻技术目前主要面临三大挑战。

　　“首先是光源效率，即每小时能‘刻’多少片，按照量产工艺要求，光刻效率要达到每小时250片，而现在EUV光刻效率尚难达到这一要求，因此还需进一步提高，但实现难度相当大。其次是光刻胶，EUV光刻机和普通光刻机的技术原理不同，普通光刻机采用投影进行光刻，而EUV光刻机则是利用反射光，需要借助反光镜，这使得光子和光刻胶的化学反应变得不可控，有时会出现差错。最后是光刻机保护层的透光材料，要提高光刻机的刻录精度，就需要在其上面增加一个保护层，但现有保护层材料质量欠佳、透光性比较差。”孟令海说。

　　此外，据常帅分析，EUV光刻工艺的良品率也是阻碍EUV光刻发展的“绊脚石”。目前，采用一般光刻机生产的芯片，其良品率约为95%，而EUV光刻机的良品率仅为70%至80%。

　　“要想解决这些问题，关键是要提升市场订单数量，只有订单多了，厂商用得多了，才能吸引更多光源、材料等上下游企业共同参与研发，进而完善EUV光刻产业链。”常帅说。

　　即使在技术上达到要求，收益缺乏足够的吸引力，也很难让制造企业产生应用新技术的动力。目前看来，采用EUV光刻技术的生产成本十分高昂。

　　资料显示，最新的EUV光刻机价格或超过1亿欧元，是常规193纳米光刻机价格的2倍多。此外，由于功率极高，EUV光刻设备在生产时消耗的电量也远超现有同类机器。

　　那么，目前来看，EUV光刻技术能为摩尔定律的延续，起到哪些作用呢？

　　孟令海表示，在光刻线条宽度为5纳米及以下生产工艺中，EUV光刻技术具有不可替代性，在未来较长一段时间内，EUV光刻技术都可能成为延续摩尔定律发展的重要力量。“因此，如果解决了工艺技术和制造成本等难题，EUV光刻设备将是7纳米以下工艺的最佳选择，它可让摩尔定律至少再延续10年时间。”孟令海说。