2018年，芯片制造領(lǐng)域?qū)?/p>
啟用期待已久的新技術(shù)
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有人對(duì)我說：“晶圓廠就像一座冰山。”我分不清是誰在說話，因?yàn)樗腥藦念^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(gè)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(dá)10米的地下廠房，管道和電線從上方的各種半導(dǎo)體制造工具中蜿蜒而下，連接到化學(xué)品自動(dòng)處理機(jī)、水質(zhì)分析儀、功率調(diào)節(jié)器以及千瓦級(jí)的激光器上。而這個(gè)激光器，正是我們此行參觀的主要目的。
單臺(tái)激光設(shè)備的占地面積大約在80平方米，其中激光系統(tǒng)占據(jù)了15～20平方米。組裝一臺(tái)這樣的設(shè)備需要6周時(shí)間，過程的復(fù)雜程度令人嘆服。大約在組裝過程的中期，構(gòu)成這臺(tái)設(shè)備的冰山一角就顯現(xiàn)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(gè)穿著兔子套裝式潔凈服的技術(shù)人員，穿梭在這個(gè)龐然大物周圍，按照編制好的程序仔細(xì)地進(jìn)行各種探查和連接工作。
這個(gè)吸引眼球的巨型設(shè)備就是極紫外（EUV）光刻工具。10多年來，半導(dǎo)體制造業(yè)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(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)永遠(yuǎn)無法到來。不過這一時(shí)刻最終還是來臨了，并且來得正是時(shí)候。
三星電子是第一個(gè)宣布將使用EUV工具為客戶生產(chǎn)芯片的公司，并表示將在2018年下半年實(shí)現(xiàn)。而其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手格芯、臺(tái)灣積體電路制造公司（以下簡(jiǎn)稱臺(tái)積電）和英特爾顯然也計(jì)劃在未來的一兩個(gè)季度內(nèi)運(yùn)用這一技術(shù)。
英特爾公司不愿透露其路線圖，據(jù)該公司的一位發(fā)言人透露：“一旦技術(shù)的實(shí)際成本達(dá)標(biāo)，我們就會(huì)將EUV技術(shù)投入到實(shí)際生產(chǎn)之中。”而超大規(guī)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(shè)備比其他公司都多。
格芯、三星和臺(tái)積電的步調(diào)與我們?cè)絹碓浇咏宜坪醵甲裱瑯拥挠螒蛞?guī)則。這3家公司都引入了EUV技術(shù)，用在7納米制造工藝（即所謂的7納米節(jié)點(diǎn)）的第二次迭代中。對(duì)于7納米制造工藝，他們?nèi)詫⒃陂L(zhǎng)達(dá)一年的時(shí)間里利用“前EUV技術(shù)”。
很顯然，做這樣的打算是因?yàn)橥瑫r(shí)進(jìn)行兩個(gè)大的變動(dòng)會(huì)比較難以處理。格芯公司的首席技術(shù)官加里?帕頓（GaryPatton）認(rèn)為，即便不使用EUV技術(shù)，這種7納米制造工藝也稱得上是“極限運(yùn)動(dòng)”。格芯和臺(tái)積電都聲稱，如果進(jìn)展順利，他們的工廠能讓該工具的運(yùn)行時(shí)間達(dá)到80%甚至更高，事實(shí)上，EUV會(huì)使7納米工藝變得更簡(jiǎn)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(shù)是晶圓廠的核心。”格芯公司第8晶圓廠的高級(jí)副總裁兼總經(jīng)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(jìn)裝有130億晶體管的微處理器中——硅晶片需要經(jīng)過許多次的加工處理才能完成這一轉(zhuǎn)變。其中的許多步驟都是在光刻工具內(nèi)部進(jìn)行的。
當(dāng)今最先進(jìn)的技術(shù)是193納米浸沒式光刻。顧名思義，這種工藝是用波長(zhǎng)為193納米的光線照射一個(gè)印有圖案的表面，這個(gè)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(xué)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(zhǎng)的特征。而193納米的長(zhǎng)度比現(xiàn)代芯片所需的圖案尺寸大很多。因此，需要利用一些光學(xué)上的技巧和變通方法來彌補(bǔ)這一差異。其中最昂貴的方法，是用三四個(gè)不同的光掩模在芯片上產(chǎn)生單個(gè)圖案。即使對(duì)現(xiàn)在最復(fù)雜的處理器而言，這也意味著晶圓可能需要反復(fù)通過光刻工具達(dá)80次之多。
之所以使用EUV光刻技術(shù)，是因?yàn)樗褂玫氖?3.5納米波長(zhǎng)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(gè)光刻步驟變成一個(gè)。對(duì)于其7納米EUV工藝，格芯將用5個(gè)步驟取代原有的15個(gè)步驟。臺(tái)積電的光刻設(shè)備和掩模技術(shù)總監(jiān)約翰?林（JohnLin）表示，他們公司也在計(jì)劃進(jìn)行類似減少步驟的工作。
EUV技術(shù)會(huì)讓7納米制程變得更快速、更便宜，同時(shí)對(duì)于比7納米節(jié)點(diǎn)更先進(jìn)的制程來說也是至關(guān)重要的。帕頓說：“如果5納米制造工藝不使用EUV技術(shù)，那么將會(huì)有超過100個(gè)（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(shí)候，事實(shí)也確實(shí)是這樣。但這是一段長(zhǎng)達(dá)幾十年的漫長(zhǎng)旅程，時(shí)常會(huì)有一些專家宣稱EUV技術(shù)已經(jīng)死了。即使時(shí)至今日，一些觀察家仍然覺得在生產(chǎn)中應(yīng)用EUV技術(shù)有點(diǎn)難以置信。
VLSI的哈奇森認(rèn)為，人們不應(yīng)該對(duì)EUV技術(shù)長(zhǎng)久以來的一再拖延感到詫異。他說：“核心技術(shù)需要的時(shí)間會(huì)超過所有人的預(yù)期。”他表示，盡管光刻技術(shù)在發(fā)展過程中使用了各種各樣的光源，但自20世紀(jì)80年代以來，該技術(shù)的基礎(chǔ)并未發(fā)生任何改變。
縱觀EUV的大部分發(fā)展歷程，主要問題都是光源，考慮到光源的復(fù)雜性，這并不令人驚訝。在機(jī)器一端的真空室內(nèi)，熔融錫的微小液滴被兩個(gè)激光束依次擊中，并在射流中被發(fā)射出去。第一束擊中液滴的激光非常精準(zhǔn)，把液滴壓平成為一個(gè)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(tài)的小球，與EUV光源一同發(fā)光。
光源研發(fā)人員們多年來一直無法提供所需的光源強(qiáng)度，他們一直承諾太多卻又無法實(shí)現(xiàn)。而目前對(duì)于光源問題的擔(dān)憂已經(jīng)基本上消除了。能夠輸出205瓦能量的光源已經(jīng)找到，并且阿斯麥公司已在實(shí)驗(yàn)室中制造出了250瓦的光源。臺(tái)積電的約翰?林說：“我們有信心，阿斯麥公司在2018年能夠?qū)?shí)用的光源強(qiáng)度提到250瓦。”
雖然大部分的光在通過機(jī)器時(shí)會(huì)因多次反射而被損耗，但即使對(duì)5納米節(jié)點(diǎn)來說，這一功率也已經(jīng)可以滿足要求。但對(duì)于3納米來說，分析師認(rèn)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(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)，包括增加驅(qū)動(dòng)激光器的功率、提高激光能量轉(zhuǎn)換成EUV光的效率以及增強(qiáng)穩(wěn)定性和控制的精準(zhǔn)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(guān)驅(qū)動(dòng)激光器和其他設(shè)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(yīng)，以滿足2018年安裝的兩臺(tái)新EUV工具。
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盡管如今電源方面的挑戰(zhàn)已經(jīng)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(yùn)行。實(shí)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(shù)十個(gè)納米層反射光線，而不是透射光線。實(shí)際上，它們還有很多不完善的地方，很難發(fā)現(xiàn)也很難避免。此外，通常用于保護(hù)光刻掩模免受灰塵侵害的透明覆蓋薄膜——“保護(hù)膜”——也尚不能用于EUV。
保護(hù)膜是非常重要的，因?yàn)榧词乖贓UV機(jī)器（處于頂級(jí)的無塵室內(nèi)）內(nèi)部的超凈環(huán)境內(nèi)，制造過程中仍然會(huì)產(chǎn)生一些灰塵。落在光掩模上的灰塵微粒，可能會(huì)在每一個(gè)完成的芯片上形成足以毀掉整個(gè)裝置的陰影，使相當(dāng)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(huì)覆蓋一層透明的保護(hù)膜。這層保護(hù)膜相當(dāng)于掩模的安全眼鏡，但如今這些保護(hù)膜對(duì)EUV是不透明的。
要想適用于EUV，保護(hù)膜必須有超薄的膜衣，讓其透明，但又必須有足夠的強(qiáng)度承受來自光掩模正常掃描運(yùn)動(dòng)的機(jī)械沖擊，以及伴隨高能EUV輻射產(chǎn)生的熱沖擊。
即便現(xiàn)在沒有足夠好的保護(hù)膜，芯片制造商們認(rèn)為冒著風(fēng)險(xiǎn)使用裸露光掩模也是值得一試的，因?yàn)檫^程中只有幾個(gè)EUV步驟。而一旦芯片制造商開始依靠EUV進(jìn)行更多步驟的操作，那么這個(gè)方案就無法再繼續(xù)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(jīng)測(cè)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(hù)膜的設(shè)計(jì)必須改進(jìn)，我不認(rèn)為它是一個(gè)攪局者。”
一個(gè)更為嚴(yán)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(fù)的點(diǎn)。但是，這種被稱為光化圖案掩模檢測(cè)的技術(shù)仍在研制中（盡管三星稱其已經(jīng)開發(fā)了內(nèi)部解決方案）。現(xiàn)在芯片制造商采用的只是一些權(quán)宜之計(jì)。一種是使用依賴193納米光源的現(xiàn)有工具。但在7納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)上，使用如此巨大的波長(zhǎng)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(huì)錯(cuò)過一些東西。電子束檢測(cè)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(cè)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(gè)帶有圖案的硅晶片，然后檢查晶片本身，但這是一個(gè)費(fèi)時(shí)且價(jià)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(jìn)。電子束技術(shù)公司D2S的首席執(zhí)行官、光掩模圖案繪制技術(shù)專家藤本真雄（AkiFujimura）說：“采用EUV技術(shù)的人正在定義它的用途，因此這些并不會(huì)妨礙我們的工作。”
技術(shù)專家預(yù)計(jì)，聰明的工程師們將會(huì)很快解決EUV光刻現(xiàn)存的這些問題。事實(shí)上，不同的芯片制造商或許能夠清晰地進(jìn)行自我定位，前提是他們找到勝任這項(xiàng)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。”