編者按：當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔 18-24 個(gè)月便會(huì)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(huán)繞著偉大而悲慘的光環(huán)：它似乎總在觸碰半導(dǎo)體工藝的極限，卻又在即將衰亡時(shí)因黑科技的拯救而重獲新生。

如果光刻技術(shù)要數(shù)現(xiàn)代集成電路上的第二大難題，那么絕對(duì)沒(méi)有別的因素敢稱第一。目前，193nm 液浸式光刻系統(tǒng)是最為成熟的技術(shù)，它在精確度及成本上達(dá)到了一個(gè)近乎完美的平衡，短時(shí)間內(nèi)很難被取代。不過(guò)，一種名為極紫外光刻（EUV 光刻）的技術(shù)半路殺出，成為近年來(lái)英特爾、臺(tái)積電等芯片公司追捧的新寵。有人認(rèn)為 EUV 光刻能夠拯救摩爾定律，但事實(shí)是否真的如此？本文分上下兩篇，首發(fā)于 IEEE，作者 Rachel Courtland，雷鋒網(wǎng)搗泥、何忞及奕欣編譯，未經(jīng)許可不得轉(zhuǎn)載。

EUV實(shí)地測(cè)試：在位于紐約阿爾伯尼的紐約州立大學(xué)理工學(xué)院里，這臺(tái)EUV光刻機(jī)（型號(hào)ASML NXE: 3300B）被用來(lái)刻出芯片表面的容貌。從圖中這臺(tái)設(shè)備前方的靠底部位置，可產(chǎn)生用來(lái)曝光晶圓表面的EUV光。機(jī)器遠(yuǎn)端連接了一條導(dǎo)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(jià)值 120 億美元的 GlobalFoundries 制造中心，成行成列地?cái)[放著高大的機(jī)器。如同倒掛的微型過(guò)山車一般，天花板上的軌道里，有裝載晶圓的運(yùn)輸設(shè)備從頭頂呼嘯而過(guò)。如果時(shí)機(jī)湊巧，你就可以見(jiàn)證運(yùn)輸設(shè)備把晶圓裝載到生產(chǎn)設(shè)備的過(guò)程。隨之，產(chǎn)品就將迎來(lái)三個(gè)月的生產(chǎn)周期，設(shè)備會(huì)把盤子大小的裸硅晶圓加工成可用在智能手機(jī)、電腦和服務(wù)器里面的芯片。是的，如果在公歷新年開(kāi)始制作一個(gè)微處理器，可能要等到春天才能完成。

ASML

機(jī)器內(nèi)部：EUV 的產(chǎn)生，需要把二氧化碳脈沖激光發(fā)射到管道中，并在管道中與微型的錫液滴碰撞，進(jìn)而產(chǎn)生等離子體。

這臺(tái)位于 ASML 荷蘭費(fèi)爾德霍芬總部，經(jīng)過(guò)特殊組裝的EUV光刻機(jī)，是該公司最新的產(chǎn)品之一

光刻是工廠的心跳

在這種先進(jìn)制造過(guò)程中，一塊晶圓要經(jīng)歷至少 60 次這樣的錘煉：表面被覆上光敏材料，隨后進(jìn)入一個(gè)密閉光照的光刻機(jī)。在其中，經(jīng)過(guò)一道名為“光蝕刻”的工藝，激光會(huì)打在預(yù)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(chǎn)生超級(jí)精密的線路，以便制成精密半導(dǎo)體和導(dǎo)線電路，成為最先進(jìn)的處理器的內(nèi)部構(gòu)造。

幾乎沒(méi)什么特點(diǎn)能把這些光刻機(jī)從其他無(wú)數(shù)自動(dòng)設(shè)備的海洋中區(qū)別出開(kāi)來(lái)，也不會(huì)有什么紅色的標(biāo)識(shí)牌閃亮著標(biāo)明“此處為重要工序”。但 Fab 8 的總經(jīng)理 Tom Caulfield 解釋道，光刻“是工廠的心跳”。

如果把這些光刻機(jī)當(dāng)作是摩爾定律的前沿陣地，人們就會(huì)更容易意識(shí)到，在五十多年中，不斷把集成電路的半導(dǎo)體密度翻倍，代表了多么驚人的工藝進(jìn)步。數(shù)十年來(lái)，包含光蝕刻在內(nèi)的一系列持續(xù)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(fā)周期并相對(duì)經(jīng)濟(jì)地把更多晶體管放到芯片里。這些進(jìn)步使得我們可以從上世紀(jì)七十年代，芯片有幾千個(gè)晶體管的情況，發(fā)展到如今的幾十億個(gè)。

但為了行業(yè)持續(xù)的良性發(fā)展，GlobalFoundries 和其他芯片界領(lǐng)軍公司卻不能只依賴以往的高端光蝕刻技術(shù)。為此，他們正冥思苦想，意圖進(jìn)行一次重大的也是最具挑戰(zhàn)性的轉(zhuǎn)變。

從行業(yè)創(chuàng)立之初，半導(dǎo)體光蝕刻就是通過(guò)電磁波輻射，即光照，來(lái)實(shí)現(xiàn)的。但半導(dǎo)體企業(yè)現(xiàn)在看重的技術(shù)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(gè)名字所迷惑。與當(dāng)前的光刻機(jī)不同，EUV 無(wú)法在空氣中傳播，也不能通過(guò)透鏡或者傳統(tǒng)鏡面聚焦。

EUV 的產(chǎn)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(tài)錫液滴流。此舉是為了讓制造出的光刻機(jī)能使用 13.5nm 波長(zhǎng)的光（這種波長(zhǎng)是當(dāng)前最先進(jìn)機(jī)器所用波長(zhǎng)的十分之一），進(jìn)而光刻機(jī)可一次完成以往需要多次曝光的蝕刻，從而為半導(dǎo)體公司節(jié)省成本。

ASML

光刻機(jī)內(nèi)部：為了實(shí)現(xiàn) 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(jī)的光源位置（右下方）傳輸?shù)焦庋谀０迳?。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(dǎo)軌（左側(cè)，未出現(xiàn)在圖中），負(fù)責(zé)晶圓在光刻機(jī)的運(yùn)入和運(yùn)出。掩模板有自身獨(dú)立的出入口。

但是，創(chuàng)造一個(gè)亮度和可靠性足夠，且能在工廠每天 24 小時(shí)、全年不間斷運(yùn)行的 EUV 系統(tǒng)是一個(gè)著名的工程難題。多年來(lái)，EUV 技術(shù)遇到了很多質(zhì)疑和無(wú)數(shù)次的失敗，但是如今，它離實(shí)現(xiàn)只有一步之遙了。

EUV 光刻技術(shù)

現(xiàn)在，科技的發(fā)展的確到了一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。荷蘭的光刻工具制造商 ASML Holding 生產(chǎn)的 EUV 光源即將開(kāi)始商業(yè)化投產(chǎn)。作為技術(shù)領(lǐng)航人的 ASML 公司，目前已經(jīng)開(kāi)始發(fā)貨 EUV 光源，預(yù)計(jì)在 2018 年可實(shí)現(xiàn)最新的微處理器和存儲(chǔ)器的批量生產(chǎn)。世界最先進(jìn)的芯片制造商正在籌備將這些機(jī)器應(yīng)用到自己的生產(chǎn)線中。

這樣做的風(fēng)險(xiǎn)很高。摩爾定律正在面臨巨大挑戰(zhàn)，沒(méi)有人能確定去年總產(chǎn)值為 3300 億美元的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)將如何引導(dǎo) 5 年或是 10 年內(nèi)的發(fā)展，也無(wú)人知曉“后摩爾定律”時(shí)代的半導(dǎo)體行業(yè)未來(lái)會(huì)是什么樣子，利潤(rùn)的下降也可能是無(wú)法避免的。但是如果摩爾定律能有效地避免半導(dǎo)體行業(yè)營(yíng)業(yè)額下降，即使只有 15%，它的現(xiàn)金流仍然是整個(gè)美國(guó)游戲產(chǎn)業(yè)營(yíng)業(yè)額的兩倍。

光蝕刻系統(tǒng)制造的精細(xì)程度取決于很多因素。但是實(shí)現(xiàn)跨越性進(jìn)步的有效方法是降低使用光源的波長(zhǎng)。幾十年來(lái)，光刻機(jī)廠商們就是這么做的：他們將晶圓曝光工具從人眼可見(jiàn)的藍(lán)光端開(kāi)始逐漸減小波長(zhǎng)，直到光譜上的紫外線端。

圖中是 ASML 公司產(chǎn)品上的曲線和折角。EUV 與現(xiàn)在使用的 193nm 光源的多重成像技術(shù)（左）相比，保證了產(chǎn)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(dǎo)體行業(yè)開(kāi)始用激光代替汞燈作為光源，將波長(zhǎng)從365nm 降低到 248nm。但是一些研究者們已經(jīng)開(kāi)始計(jì)劃一個(gè)更大的進(jìn)步——向X射線范圍挺近。當(dāng)時(shí)就職于日本電信公司 NTT的 Hiroo Kinoshita 在 1986 年發(fā)表了使用 11nm 射線的結(jié)果。另外還有 AT&T 公司的貝爾實(shí)驗(yàn)室和 Lawrence Livermore 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室也分別實(shí)踐了這種技術(shù)。1989 年，一些相關(guān)研究學(xué)者在光蝕刻學(xué)術(shù)會(huì)上碰面并交換了研究思想。再后來(lái)，相關(guān)的研究開(kāi)始得到國(guó)家和行業(yè)內(nèi)的贊助。

90年代后期，ASML 公司和其他一些合作伙伴開(kāi)始研究后來(lái)廣為人知的技術(shù)——EUV 光刻技術(shù)。也是這個(gè)時(shí)候，在 ASML 公司荷蘭總部 Veldhoven 小鎮(zhèn)長(zhǎng)大的 Anton van Dijsseldonk ，成為了公司開(kāi)展該項(xiàng)目的第一個(gè)全職雇員。van Dijsseldonk 回憶道：“摩爾定律的終點(diǎn)已經(jīng)被大家所預(yù)見(jiàn)到了。半導(dǎo)體行業(yè)一直都在尋找方法來(lái)保持技術(shù)革新和進(jìn)步。芯片制造商們也在努力改進(jìn)套刻技術(shù)——將晶片從光刻機(jī)中加工取出后再放入其中，并在原來(lái)的位置精準(zhǔn)地印刷出下一層圖像。那時(shí)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(gè)。”

但是從一開(kāi)始，ASML 公司 EUV 項(xiàng)目的研究者們就堅(jiān)信這個(gè)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)，并且這個(gè)技術(shù)會(huì)成為芯片制造商們最劃算的選擇。不到十年的時(shí)間，ASML 公司決定做出一個(gè) EUV 光刻機(jī)樣機(jī)，使其他研究者們可以測(cè)試這種方法。

但是，EUV 技術(shù)是非常困難的。在使用波長(zhǎng)近乎為X光的射線去蝕刻時(shí)，物理學(xué)知識(shí)并不能為工程師幫上多少忙。對(duì)于公司最終選擇的 13.5nm 波長(zhǎng)射線，這種光可以輕易地被很多材料吸收。van Dijsseldonk 補(bǔ)充道：“即使我們呼吸的空氣也是完全的黑色，因?yàn)樗参樟俗詈笠稽c(diǎn)射線。”所以他和他的團(tuán)隊(duì)很早就意識(shí)到，EUV 光刻機(jī)只能在真空下運(yùn)行，晶圓通過(guò)一個(gè)氣閘進(jìn)出光刻機(jī)。

之后接踵而來(lái)的就是讓射線彎曲的問(wèn)題。EUV 也能被玻璃吸收，所以在機(jī)器中改變其走向，需要使用反射鏡來(lái)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(gè)單一而強(qiáng)大的反射）。

在下篇，雷鋒網(wǎng)會(huì)繼續(xù)會(huì)大家介紹 EUV 技術(shù)，以及芯片制造商們對(duì)該技術(shù)的關(guān)注。

via IEEE

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