EUV设备让摩尔定律再延伸三代工艺 但需克服诸多挑战

台积电近日宣布，已经开始了7nm+ EUV工艺的大规模量产，这是该公司乃至整个半导体产业首个商用EUV极紫外光刻技术的工艺。作为EUV设备唯一提供商，市场预估荷兰ASML公司籍此EUV设备年增长率将超过66%。这个目标是否能实现？EUV工艺在发展过程中面临哪些挑战？产业化进程中需要突破哪些瓶颈？

EUV设备让摩尔定律再延伸三代工艺

光刻是集成电路生产过程中最复杂、难度最大也是最为关键的工艺，它对芯片的工艺制程起着决定性作用。193nm浸没式光刻技术自2004年年底由台积电和IBM公司应用以来，从90nm节点一直延伸到10nm节点，经历了12年时间，是目前主流的光刻工艺。但是进入7nm工艺后，它的制约也越来越明显，因此EUV工艺堂而皇之走上舞台。

全球EUV光刻技术的研发始于20世纪80年代，经过近40年的发展，EUV技术从原理到零部件再到原材料等已经足够成熟，并且在现阶段的产业应用中体现了较明显优势。

研究院王珺在接受《中国电子报》记者采访时表示，极紫外光（EUV）短于深紫外光（DUV）的波长，这让EUV光刻技术的应用显著提升了光刻机曝光分辨率，进而带动晶体管特征尺寸的缩减。制造企业在28nm及以下工艺的解决方案使用浸没式和多重曝光技术。但是进入7nm工艺，DUV的多重曝光次数增长太多，让制造成本、难度、良率、交付期限均显著恶化。在关键层应用EUV光刻技术，从而减少曝光次数，进而带来制造成本与难度的降低，这让EUV光刻技术具备了足够的生产价值。

“EUV光刻机在5nm及以下工艺具有不可替代性，在未来较长时间内应用EUV技术都将成为实现摩尔定律发展的重要方向。”王珺说。因此，从工艺技术和制造成本综合因素考量，EUV设备被普遍认为是7nm以下工艺节点最佳选择，它可以继续往下延伸三代工艺，让摩尔定律再至少延长10年时间。

DRAM存储器将带动EUV光刻机增长

在台积电、三星、英特尔继续延续摩尔定律进行工艺发展的带动下，EUV光刻机的应用数量将持续提升。

王珺表示，从目前看，对EUV光刻技术具有明显应用需求的芯片包括应用处理器、CPU、DRAM存储器、基带芯片。

半导体专家莫大康认为，ASML公司EUV设备产量若要进一步扩大，希望就落在存储器厂商身上。他向《中国电子报》记者表示，目前看，EUV光刻机主要卖给三家公司：英特尔、三星和台积电，其中台积电订得最多。他介绍说，存储器主要分为两种：一种是DRAM，另一种是3D NAND。3D NAND目前的竞争主要集中在层数上，虽然也需要工艺的先进性，但需求不那么迫切。而DRAM存储器则不同，一方面其产量比较大，另一方面若做到1Z（12～14nm）以下，就可能需要用到EUV光刻机了，届时，存储器厂商订的EUV设备将有大的爆发。“但具体时间，还要看市场需求以及厂商导入情况。目前，ASML公司EUV设备一年的出货量只有40多台，远远未达到业界预期。”

EUV还需克服诸多挑战

现阶段EUV光刻技术已经成熟，且进入产业化阶段，但是在光刻机的光源效率、光刻胶的灵敏度等方面依然存在较大的进步空间。

有关人士指出，EUV光刻机除了价格昂贵之外（超过1亿美元），最大的问题是电能消耗，电能利用率低，是传统193nm光刻机的10倍，因为极紫外光的波长仅有 13.5nm，投射到晶圆表面曝光的强度只有光进入EUV设备光路系统前的2%。在7nm成本比较中，7nm的EUV生产效率在80片/小时的耗电成本是14nm的传统光刻生产效率在240片/小时耗电成本的1倍，这还不算设备购置成本和掩膜版设计制造成本比较。

莫大康认为EUV工艺面临三大挑战：首先是光源效率，即每小时刻多少片，按照工艺要求，要达到每小时250片，而现在EUV光源效率达不到这个标准，因此还需进一步提高，且技术难度相当大。其次是光刻胶，光刻胶的问题主要体现在：EUV光刻机和普通光刻机原理不同，普通光刻机采用投影进行光刻，而EUV光刻机则利用反射光，要通过反光镜，因此，光子和光刻胶的化学反应变得不可控，有时候会出差错，这也是迫切需要解决的难题。最后是光刻机保护层的透光材料，随着光刻机精度越来越高，上面需要一层保护层，现在的材料还不够好，透光率比较差。

在以上三个挑战中，光源效率是最主要的。此外，EUV光刻工艺的良率也是阻碍其发展的“绊脚石”。目前，采用一般光刻机生产的良率在95%，EUV光刻机的良率则比它低不少，在70%~80%之间。莫大康表示，解决上述问题，关键是订单数量，只有订单多了，厂商用的多了，才能吸引更多光源、材料等上下游企业共同参与，完善EUV产业链的发展。

王珺表示，EUV技术的研发与应用难度极高，未来实现进一步发展在全球范围内将遵循竞争优势理论，各国和地区的供应商依靠自身优势进行国际化产业整合。