半導(dǎo)體細(xì)微化（Scaling）是目前半導(dǎo)體行業(yè)最熱門(mén)的話題之一。隨著DRAM等的芯片元器件在內(nèi)的大部分電子元器件和存儲(chǔ)單元趨于超小型化，對(duì)于高度集成技術(shù)的需求也逐漸提高，超小型芯片將可以儲(chǔ)存并快速處理天文數(shù)字般的數(shù)據(jù)量。

如今，半導(dǎo)體細(xì)微化（Scaling）最為核心的是新一代曝光技術(shù)——極紫外光刻（Extreme Ultra Violet，簡(jiǎn)稱EUV）技術(shù)。現(xiàn)在，SK海力士正致力于實(shí)現(xiàn)新一代DRAM的量產(chǎn)化，并已在韓國(guó)利川正式開(kāi)工新建一座尖端的儲(chǔ)存類半導(dǎo)體工廠“M16”。這座全新工廠將為EUV光刻工藝開(kāi)設(shè)單獨(dú)廠間。

“摩爾定律（Moore’s Law）已經(jīng)終結(jié)” 半導(dǎo)體細(xì)微化技術(shù)陷入瓶頸

半導(dǎo)體細(xì)微化已進(jìn)入10納米時(shí)代，之前的“多重成像（Multi Patterning）”技術(shù)已不再奏效。因?yàn)?，?0納米級(jí)芯片制程中，之前的氟化氬曝光技術(shù)（Argon Fluoride, 簡(jiǎn)稱ArF ）已經(jīng)陷入瓶頸。迄今為止，半導(dǎo)體行業(yè)一直遵循每隔24個(gè)月芯片集成度翻一番的“摩爾定律”。然而，如今隨著光刻工藝難度越來(lái)越高，曾經(jīng)輝煌沿用的摩爾定律也終將被淘汰。

光刻工藝是用激光在晶圓上繪制超微電路的半導(dǎo)體制造流程之一，其電路圖案轉(zhuǎn)移到晶圓的過(guò)程與傳統(tǒng)相片的制作過(guò)程類似，故“光刻工藝”的英文有“Photo”一詞。“光刻法（Photolithography）”是一種圖案轉(zhuǎn)移及復(fù)印技術(shù)，通過(guò)把光照射在包含電路圖形信息并預(yù)制成金屬圖案的掩膜版（Mask）或原裝玻璃板上，從而實(shí)現(xiàn)將出現(xiàn)的影子復(fù)制轉(zhuǎn)移到晶圓上。這種在晶圓上形成預(yù)設(shè)計(jì)的圖案為半導(dǎo)體制造的關(guān)鍵工藝。在此過(guò)程中，電路圖案的細(xì)微程度是半導(dǎo)體技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力的決定性因素。

“細(xì)微化（Scaling）”，即縮小半導(dǎo)體電路晶體管器件電門(mén)的長(zhǎng)度的，一直被視作業(yè)界最為重要的課題。晶體管電門(mén)就如同一座連接源級(jí)和漏級(jí)的橋梁，是調(diào)節(jié)電流的閥門(mén)。因此，電門(mén)長(zhǎng)度越短，從源極流向漏極的電子數(shù)量也就越大，電路運(yùn)行速度也相應(yīng)越快。

近年以來(lái)，半導(dǎo)體曝光設(shè)備進(jìn)展迅速，均使用帶有高數(shù)值孔徑（numerical aperture，簡(jiǎn)稱NA）的較大透鏡或短波光源。但當(dāng)柵極長(zhǎng)度縮小到30納米以下后，現(xiàn)有的液體浸沒(méi)式氟化氬曝光設(shè)備（ArF）將會(huì)達(dá)到極限。到18納米的DRAM芯片采用的是多重成像技術(shù)，但這會(huì)造成工序增加、生產(chǎn)率下降、材料費(fèi)上升的問(wèn)題，從而導(dǎo)致成本上升。當(dāng)處理工序數(shù)量多達(dá)500-600道時(shí)，可見(jiàn)該技術(shù)已走到了盡頭。解決這一問(wèn)題的唯一辦法取決于短波光，利用更加“纖細(xì)的筆觸”精細(xì)地繪制電路。

EUV成為救星

為了順應(yīng)10納米時(shí)代對(duì)工藝的要求，半導(dǎo)體行業(yè)孕育了全新半導(dǎo)體曝光技術(shù)——EUV。EUV設(shè)備由荷蘭ASML公司獨(dú)家生產(chǎn)，每臺(tái)設(shè)備約為0.81-1.22億美元。EUV的光波長(zhǎng)為13.5納米，大大小于之前的氟化氬（ArF）激光波長(zhǎng)（193納米），可在不多重成像的情況下繪制更加細(xì)微的半導(dǎo)體電路。而且這項(xiàng)技術(shù)還能簡(jiǎn)化成像工藝流程，因此目前被視為唯一的突破口。除此之外，EUV相較于目前的四重構(gòu)圖（Quadruple Patterning Technique，簡(jiǎn)稱QPT）等多重成像技術(shù)，大幅度縮短了制造時(shí)間。

然而，在DRAM芯片采用EUV技術(shù)是一項(xiàng)難度極高的工藝，這往往需要最高端的技術(shù)支持。也正因如此，業(yè)界正在密切關(guān)注首批基于EUV技術(shù)的DRAM量產(chǎn)投入產(chǎn)出效率。據(jù)預(yù)測(cè)，到2020年，EUV技術(shù)將部分適用于1Y納米級(jí)以下的DRAM芯片中。

關(guān)鍵在于攻克EUV工藝的技術(shù)難關(guān)

攻克EUV工藝的技術(shù)難關(guān)對(duì)于行業(yè)未來(lái)至關(guān)重要。EUV具有被包括氣體在內(nèi)的大部分物質(zhì)吸收的特性。為此，開(kāi)發(fā)與整個(gè)曝光工藝流程相關(guān)的新技術(shù)，包括全新的掩膜版（Mask）、光阻（Photoresist）和光學(xué)系統(tǒng)等，成為了一項(xiàng)必不可少的前提條件。此外，我們還需要開(kāi)發(fā)無(wú)缺陷的掩膜版和新的掩膜版檢測(cè)設(shè)備。

擴(kuò)大每小時(shí)晶圓產(chǎn)量（wafer per hour，簡(jiǎn)稱WPH）也是業(yè)界內(nèi)一大重要挑戰(zhàn)。ASML公司的每小時(shí)晶圓產(chǎn)量于2018年達(dá)到125張目標(biāo)，并計(jì)劃將在2020年達(dá)到155張。而在光源功率方面，根據(jù)DRAM廠商的測(cè)試結(jié)果顯示，該公司已達(dá)到250瓦。同時(shí)，一些半導(dǎo)體廠商從ASML公司引進(jìn)EUV設(shè)備后已經(jīng)投入開(kāi)發(fā)相關(guān)工藝，正處于各項(xiàng)設(shè)備的開(kāi)發(fā)和測(cè)試階段。業(yè)界則在積極研發(fā)下一代曝光技術(shù)—高數(shù)值孔徑工藝，這項(xiàng)技術(shù)或?qū)?shù)值孔徑從目前開(kāi)發(fā)中的0.33NA增加到0.55NA。

一名半導(dǎo)體業(yè)內(nèi)人士透露：“EUV曝光技術(shù)要想投入量產(chǎn)，我們?cè)诒ＷC有曝光機(jī)內(nèi)部硬件、光源、光阻（Photoresist）、掩膜版膜（Pellicle）的制造技術(shù)的同時(shí)，還必須要有零缺陷的EUV掩膜版制作技術(shù)”。他還強(qiáng)調(diào)：“業(yè)界正在研究各種檢測(cè)EUV掩膜版內(nèi)部缺陷的技術(shù)，為了改善檢測(cè)器的分辨率，我們對(duì)于更短的光源波長(zhǎng)和更高的數(shù)值孔徑的要求也至關(guān)重要。”