晶元代工巨頭「哭」訴：EUV光刻，你這麼皮，這樣真的好的嗎？

經歷了又是一年的「沉澱」，華為海思麒麟980晶元終於有了最新消息，據多家科技媒體最新報道，華為計劃將在今年第二季度推出其第二款搭載升級版本NPU的人工智慧晶元，並且採用台積電最新量產的7nm製程工藝。總體看來不難預測，麒麟980無論是性能和功耗上相比麒麟970將提升一個等級·。不過，對於麒麟980 台積電最新7nm製程工藝的採用，著實讓筆者感到有一絲詫異。畢竟最新高通旗艦晶元驍龍845採用的還是三星10nm工藝。

作為如今晶元代工的三大巨頭之一，台積電可以說應該是最早投入量產7nm製程工藝的晶元代工廠商，據媒體報道，台積電計劃今年6月份量產7nm，可以推測，麒麟980很有可能是台積電7nm工藝的第一個嘗鮮者。快速「兌現」的先進工藝繼續吸引著科技巨頭蘋果一直為其買單，蘋果A系處理器幾乎已落地生根在台積電生產線上，同時多年經營的品牌效應不斷吸引著其它晶元廠商客戶，特別目前炒的加密電子貨幣市場，推動這挖礦晶元需求量的劇增，據稱中國專用採礦ASIC供應商Bitmain（比特大陸）強勁的12nm晶元訂單已經從3月份開始推動台積電的銷售業績，據業內分析人士稱，樂觀估計2018年的台積電全年收入將同比增長10%以上。

而在代工領域一直被壓一頭的三星，一直不甘於落後，為了保住高通這個大客戶，能在台積電口中搶奪蘋果訂單，三星在7nm工藝上一直跟台積電較著勁，近日據韓國媒體報道，三星已經提前將近半年的時間研製成功7nm，雖說相比台積電早在去年就已一小規模量產相比，晚了一段時間，但這次三星直接在7nm工藝上直接應用了EUV（極紫外光刻）技術，相比台積電依然沿用傳統成熟模式的7nm，在技術工藝上先進了不少。

早在去年三星就從光刻巨頭ASML（阿斯麥）一口氣買了10台EUV設備，要知道ASML去年一年的產能不過才12台而已，其他廠商買不到設備，必然會影響研發EUV技術的進度，當然，這裡其他廠商包括台積電、英特爾、格芯（格羅方德）這樣的晶元代工競爭對手。不過，據相關媒體報道，應蘋果的要求，台積電已經小批量試產EUV光刻技術的晶圓，為其7nm製程改進版本，目前在導入EUV的晶圓輸出率已經大幅提升，下半年可望建立試產線，預計年底進行試產、明年正式量產，進度上已接近或超前三星，三星搶奪蘋果訂單的機會目前看起來並不大。那麼，令晶元代工巨頭們競相追捧的EUV光刻技術到底是什麼技術？又先進在哪裡呢？

EUV光刻說白了相比傳統光刻技術的長波光源。所需要的是波長更短，波長範圍僅為10-14nm的極紫外光作為光源，能提供高分辨的蝕刻工藝是其最大的優勢。不過這種光源獲取難度係數很高。其實，「EUV光刻」早已不是什麼新的技術名詞，早在20世紀80年代就一開始研發。最早希望在半周期為70nm的節點（對應邏輯器件130nm節點）就能用上EUV光刻機。可是，這一技術一直達不到晶圓廠量產光刻所需要的技術指標和產能要求。一拖再拖，直到2016年，EUV光刻機仍然沒能投入量產。晶圓廠不得不使用193nm浸沒式光刻機，依靠雙重光刻的辦法來實現32nm存儲器件、20nm和14nm邏輯器件的生產。

為什麼EUV光刻技術這麼難以實現呢？其實這是有原因的。

首先是光源問題。考慮到光源的複雜性，這並不令人驚訝。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，並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，以此產生波長為13.5nm的極紫外光。我們知道光線經過多次的折射而發生能量損耗，沒有足夠強度的光源在經過光掩模之後，到達晶圓表面的光強就達不到蝕刻的要求，這已是困擾光源研發人員們多年來的一個問題。

不過，目前對於光源的擔憂已經基本消除了，為了滿足晶圓蝕刻的要求，提高EUV光源的光強度，無非就兩種方法增大驅動激光器的功率和提高激光能量轉換成EUV光的效率，阿斯麥公司已在實驗室中製造出了250瓦的光源。這轉化為每小時125瓦的吞吐量（wph）達到了規模量產的工作效率需求。

其次是光掩模。光掩模就是給定IC設計的主模板。光掩模膜開發之後，將掩模放置在光刻工具中。該工具通過在掩模上投射光，形成光的圖形打在晶片表面光化學物質（光刻膠），以此蝕刻出晶圓所需要的圖形。

這裡主要問題是，相比傳統的光掩模，EUV光掩模缺少合適的保護膜，保護膜是非常重要的，因為即使在EUV機器（處於頂級的無塵室內）內部的超凈環境內，製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晶元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。所以現在成熟的光刻技術光掩模都有保護膜保護。然而傳統保護膜對EUV光來說是不透明的，這導致當前的成熟保護膜技藝並不適用於光刻技術的發展趨勢。

要想適用於EUV光刻需求，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衝擊，以及伴隨高能EUV輻射產生的熱衝擊。

目前ASML已研發出僅50納米厚的多晶硅型EUV防護薄膜，可以經受住EUV輻射帶來的1000攝氏度高溫，不過問題是防護薄片是脆的。在這些溫度下，有些人擔心EUV防護薄膜可能會在加工過程中惡化，造成的價格掃描儀和EUV光掩模的損壞，並且，EUV防護膜在吸收EUV光部分能量之後，自身溫度升高，而身處真空的環境，對流冷卻速度非常低，導致天然散熱速度非常緩慢，熱量就會積聚，再加上EUV保護膜需要非常的薄厚度，如果沒有足夠機械強度，在生產過程中EUV光掩模保護膜可靠度會很低。到目前為止，ASML的EUV防護薄膜已經用140V的EUV電源進行了測試。但是，防護薄膜將如何反應250瓦特源仍然不清楚。

然而，一些晶元製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。而一旦晶元製造商開始依靠EUV進行更多步驟的操作，那麼這個方案就無法再繼續使用了，畢竟低晶元成品良率和高昂成本風險不是任何一個晶元製造商期望看到的。

晶元製造巨頭英特爾直接表示：如果沒有可用EUV光掩模防護膜，將不會進入EUV生產。至於三星已經研製成功的EUV光刻技術到底是怎樣解決這個問題，就不得而知了。

最後，除了要解決以上幾個主要難題，EUV光刻面臨最大的挑戰就是EUV光刻的隨機效應，何為隨機效應，根據定義，隨機效應描述了具有光量子隨機變化的事件。它們是不可預測的，沒有穩定的模式。而光刻膠是用來製作晶圓「圖案」的光敏聚合物，它是造成隨機性效應的罪魁禍首之一。

在EUV的情況下，光子擊中光刻膠並引起光化學反應。但是對於EUV光刻膠而言，由於量子非定域效應，每個或多個反應期間可能出現新的不同的反應。因此EUV容易發生涉及隨機效應。一般來說，該行業將隨機性主要歸咎於光刻膠，但EUV的光掩膜和其他部分(EUV光子平均自由程較大)也可能會出現隨機變數。

隨機效應並不新鮮。事實上，這一現象多年來一直困擾著EUV團隊。眾所周知，隨機效應會導致光刻圖案的變化。行業一直在努力解決這個問題，但人們要麼低估了問題，要麼沒能及時解決問題，要麼兩者兼而有之。

那麼既然EUV光刻技術難題這麼多，明顯並不是很成熟的晶元製造方案，為啥大家都對此趨之如騖呢，三星、台積電，格芯紛紛要上馬EUV，EUV光刻究竟先進在哪裡呢？

說EUV光刻如何先進之前，先說一下當今光刻最先進也是最廣泛採用的技術：193nm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，也就是光掩模。該工藝通過水，將圖案投射到硅晶片上，隨後圖案被光敏化學品（也就是光刻膠）固定，並蝕刻到硅晶片上。這一工藝的問題在於，光不能直接定義小於其波長的目標特徵。而193納米的長度比現代晶元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晶元上產生單個圖案。即使對現在最複雜的處理器而言，這也意味著晶圓可能需要反覆通過光刻工具達80次之多。複雜流程工藝和高昂的材料成本讓193nm浸沒式光刻技術面對集成度日益增高的晶元製程來說已經力不從心。

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，這與要印製的最終目標特徵的尺寸非常接近。有了它，製造商可以將三四個光刻步驟變成一個。對於其7納米EUV工藝，格芯計劃將用5個步驟取代原有的15個步驟。台積電的光刻設備和掩模技術總監約翰林（JohnLin）表示，他們公司也在計划進行類似減少步驟的工作。

EUV技術會讓7納米製程變得更快速、更便宜，同時對於比7納米節點更先進的製程來說也是至關重要的。帕頓說：「如果5納米製造工藝不使用EUV技術，那麼將會有超過100個（光刻步驟），那就太瘋狂了！」

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技術已胎死腹中，然而，台積電的小批量試產，和三星EUV光刻研發成功以及格芯默默上馬EUV加速工藝開發都能看出，EUV光刻技術不僅沒死，而且正以比以往沒有的速度衝擊晶元代工行業。這個2018年或許就是EUV光刻進入晶圓產線正式量產的元年。

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