2018年，芯片制造領域將
啟用期待已久的新技術
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有人對我說：“晶圓廠就像一座冰山。”我分不清是誰在說話，因為所有人從頭到腳都裹在潔凈服里。參觀位于紐約州馬耳他的格芯公司第8晶圓廠無疑讓這個比喻更加形象。我們剛剛走出第8晶圓廠的“子工廠”，那是垂直高度達10米的地下廠房，管道和電線從上方的各種半導體制造工具中蜿蜒而下，連接到化學品自動處理機、水質分析儀、功率調節器以及千瓦級的激光器上。而這個激光器，正是我們此行參觀的主要目的。
單臺激光設備的占地面積大約在80平方米，其中激光系統占據了15～20平方米。組裝一臺這樣的設備需要6周時間，過程的復雜程度令人嘆服。大約在組裝過程的中期，構成這臺設備的冰山一角就顯現出來，它由閃亮的金屬管、不透明的真空室和電線組成，和一間房子差不多大小。6個穿著兔子套裝式潔凈服的技術人員，穿梭在這個龐然大物周圍，按照編制好的程序仔細地進行各種探查和連接工作。
這個吸引眼球的巨型設備就是極紫外（EUV）光刻工具。10多年來，半導體制造業一方面一直希望EUV能夠挽救摩爾定律，另一方面卻絕望地認為這項技術永遠無法到來。不過這一時刻最終還是來臨了，并且來得正是時候。
三星電子是第一個宣布將使用EUV工具為客戶生產芯片的公司，并表示將在2018年下半年實現。而其競爭對手格芯、臺灣積體電路制造公司（以下簡稱臺積電）和英特爾顯然也計劃在未來的一兩個季度內運用這一技術。
英特爾公司不愿透露其路線圖，據該公司的一位發言人透露：“一旦技術的實際成本達標，我們就會將EUV技術投入到實際生產之中。”而超大規模集成電路（VLSI）研究中心的分析員G?丹?哈奇森（G.Dan Hutcheson）指出，英特爾公司購買的EUV設備比其他公司都多。
格芯、三星和臺積電的步調與我們越來越接近，而且似乎都遵循著同樣的游戲規則。這3家公司都引入了EUV技術，用在7納米制造工藝（即所謂的7納米節點）的第二次迭代中。對于7納米制造工藝，他們仍將在長達一年的時間里利用“前EUV技術”。
很顯然，做這樣的打算是因為同時進行兩個大的變動會比較難以處理。格芯公司的首席技術官加里?帕頓（GaryPatton）認為，即便不使用EUV技術，這種7納米制造工藝也稱得上是“極限運動”。格芯和臺積電都聲稱，如果進展順利，他們的工廠能讓該工具的運行時間達到80%甚至更高，事實上，EUV會使7納米工藝變得更簡單，也更便宜。如果你想明白這是為什么，就必須先了解如何制造芯片。
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“光刻技術是晶圓廠的核心。”格芯公司第8晶圓廠的高級副總裁兼總經理托馬斯?考爾菲德（ThomasCaulfield）說。從光滑的空白硅片，變成有著彩虹般色澤的盤片，直到被塞進裝有130億晶體管的微處理器中——硅晶片需要經過許多次的加工處理才能完成這一轉變。其中的許多步驟都是在光刻工具內部進行的。
當今最先進的技術是193納米浸沒式光刻。顧名思義，這種工藝是用波長為193納米的光線照射一個印有圖案的表面，這個表面被稱為光掩模。該工藝通過水，將圖案投射到硅晶片上，隨后圖案被光敏化學品固定，并蝕刻到硅晶片上。這一工藝的問題在于，光不能直接定義小于其波長的特征。而193納米的長度比現代芯片所需的圖案尺寸大很多。因此，需要利用一些光學上的技巧和變通方法來彌補這一差異。其中最昂貴的方法，是用三四個不同的光掩模在芯片上產生單個圖案。即使對現在最復雜的處理器而言，這也意味著晶圓可能需要反復通過光刻工具達80次之多。
之所以使用EUV光刻技術，是因為它使用的是13.5納米波長的EUV，這與要印制的最終特征的尺寸非常接近。有了它，制造商可以將三四個光刻步驟變成一個。對于其7納米EUV工藝，格芯將用5個步驟取代原有的15個步驟。臺積電的光刻設備和掩模技術總監約翰?林（JohnLin）表示，他們公司也在計劃進行類似減少步驟的工作。
EUV技術會讓7納米制程變得更快速、更便宜，同時對于比7納米節點更先進的制程來說也是至關重要的。帕頓說：“如果5納米制造工藝不使用EUV技術，那么將會有超過100個（光刻步驟），那就太瘋狂了。”
聽帕頓的話，EUV光刻似乎來得正是時候，事實也確實是這樣。但這是一段長達幾十年的漫長旅程，時常會有一些專家宣稱EUV技術已經死了。即使時至今日，一些觀察家仍然覺得在生產中應用EUV技術有點難以置信。
VLSI的哈奇森認為，人們不應該對EUV技術長久以來的一再拖延感到詫異。他說：“核心技術需要的時間會超過所有人的預期。”他表示，盡管光刻技術在發展過程中使用了各種各樣的光源，但自20世紀80年代以來，該技術的基礎并未發生任何改變。
縱觀EUV的大部分發展歷程，主要問題都是光源，考慮到光源的復雜性，這并不令人驚訝。在機器一端的真空室內，熔融錫的微小液滴被兩個激光束依次擊中，并在射流中被發射出去。第一束擊中液滴的激光非常精準，把液滴壓平成為一個霧狀的圓盤；而第二束激光的能量非常巨大，把液滴變成等離子態的小球，與EUV光源一同發光。
光源研發人員們多年來一直無法提供所需的光源強度，他們一直承諾太多卻又無法實現。而目前對于光源問題的擔憂已經基本上消除了。能夠輸出205瓦能量的光源已經找到，并且阿斯麥公司已在實驗室中制造出了250瓦的光源。臺積電的約翰?林說：“我們有信心，阿斯麥公司在2018年能夠將實用的光源強度提到250瓦。”
雖然大部分的光在通過機器時會因多次反射而被損耗，但即使對5納米節點來說，這一功率也已經可以滿足要求。但對于3納米來說，分析師認為，芯片制造商將需要500瓦的功率，1納米則可能要增加到1000瓦。前者可通過幾種手段相結合的方式來實現，包括增加驅動激光器的功率、提高激光能量轉換成EUV光的效率以及增強穩定性和控制的精準度；而后者所需的則是無比巨大的能量。我在格芯公司看到，約1兆瓦的EUV工具及其相關驅動激光器和其他設備，最終只能向硅晶圓提供幾十瓦的光功率。考爾菲德告訴我，他們不得不為第8晶圓廠增加10%的電力供應，以滿足2018年安裝的兩臺新EUV工具。
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盡管如今電源方面的挑戰已經在很大程度上被攻克了，但這并不意味著EUV光刻可以完美運行。實際上，光掩模還存在著一些問題。這些EUV掩模與用于193納米光刻的掩模完全不同，EUV掩模利用由不同材料組成的數十個納米層反射光線，而不是透射光線。實際上，它們還有很多不完善的地方，很難發現也很難避免。此外，通常用于保護光刻掩模免受灰塵侵害的透明覆蓋薄膜——“保護膜”——也尚不能用于EUV。
保護膜是非常重要的，因為即使在EUV機器（處于頂級的無塵室內）內部的超凈環境內，制造過程中仍然會產生一些灰塵。落在光掩模上的灰塵微粒，可能會在每一個完成的芯片上形成足以毀掉整個裝置的陰影，使相當昂貴的掩模變得分文不值。
這就是為什么在今天的光刻工具中，光掩模會覆蓋一層透明的保護膜。這層保護膜相當于掩模的安全眼鏡，但如今這些保護膜對EUV是不透明的。
要想適用于EUV，保護膜必須有超薄的膜衣，讓其透明，但又必須有足夠的強度承受來自光掩模正常掃描運動的機械沖擊，以及伴隨高能EUV輻射產生的熱沖擊。
即便現在沒有足夠好的保護膜，芯片制造商們認為冒著風險使用裸露光掩模也是值得一試的，因為過程中只有幾個EUV步驟。而一旦芯片制造商開始依靠EUV進行更多步驟的操作，那么這個方案就無法再繼續使用了，不過其他解決方案仍在研制中。例如，阿斯麥公司已經測試了采用250瓦EUV光源的儀器。EUV顧問維韋克?巴克西（VivekBakshi）說：“保護膜的設計必須改進，我不認為它是一個攪局者。”
一個更為嚴重的問題是，目前仍然沒有檢查光掩模缺陷的好方法。理想情況下，你能夠使用EUV光來掃描需要修復的點。但是，這種被稱為光化圖案掩模檢測的技術仍在研制中（盡管三星稱其已經開發了內部解決方案）。現在芯片制造商采用的只是一些權宜之計。一種是使用依賴193納米光源的現有工具。但在7納米技術節點上，使用如此巨大的波長就像用胳膊肘來讀盲文一樣：這種方法雖然能用，但你可能會錯過一些東西。電子束檢測工具雖然有足夠的分辨率，但速度很慢。阿斯麥公司最近推出了其首款電子束檢測工具。
芯片制造商也可以使用所謂的“刻印檢查”方法。也就是說，他們將光掩模固定在EUV光刻工具上，生成一個帶有圖案的硅晶片，然后檢查晶片本身，但這是一個費時且價格高昂的過程，他們并不十分喜歡。
盡管如此，芯片制造商仍在向前邁進。電子束技術公司D2S的首席執行官、光掩模圖案繪制技術專家藤本真雄（AkiFujimura）說：“采用EUV技術的人正在定義它的用途，因此這些并不會妨礙我們的工作。”
技術專家預計，聰明的工程師們將會很快解決EUV光刻現存的這些問題。事實上，不同的芯片制造商或許能夠清晰地進行自我定位，前提是他們找到勝任這項工作的工程師，視工程師的水平而定。帕頓說：“我們把這些錢都花在工具上，但是如果沒有合適的人，我們就無法做到這一切。”