臺積電近日宣布，已經開始了7nm+ EUV工藝的大規模量產，這是該公司乃至整個半導體產業首個商用EUV極紫外光刻技術的工藝。作為EUV設備唯一提供商，市場預估荷蘭ASML公司籍此EUV設備年增長率將超過66%。這個目標是否能實現?EUV工藝在發展過程中面臨哪些挑戰?產業化進程中需要突破哪些瓶頸?
EUV設備讓摩爾定律再延伸三代工藝
光刻是集成電路生產過程中最復雜、難度最大也是最為關鍵的工藝，它對芯片的工藝制程起著決定性作用。193nm浸沒式光刻技術自2004年年底由臺積電和IBM公司應用以來，從90nm節點一直延伸到10nm節點，經歷了12年時間，是目前主流的光刻工藝。但是進入7nm工藝后，它的制約也越來越明顯，因此EUV工藝堂而皇之走上舞臺。
全球EUV光刻技術的研發始于20世紀80年代，經過近40年的發展，EUV技術從原理到零部件再到原材料等已經足夠成熟，并且在現階段的產業應用中體現了較明顯優勢。
研究院王珺在接受《中國電子報》記者采訪時表示，極紫外光(EUV)短于深紫外光(DUV)的波長，這讓EUV光刻技術的應用顯著提升了光刻機曝光分辨率，進而帶動晶體管特征尺寸的縮減。制造企業在28nm及以下工藝的解決方案使用浸沒式和多重曝光技術。但是進入7nm工藝，DUV的多重曝光次數增長太多，讓制造成本、難度、良率、交付期限均顯著惡化。在關鍵層應用EUV光刻技術，從而減少曝光次數，進而帶來制造成本與難度的降低，這讓EUV光刻技術具備了足夠的生產價值。
“EUV光刻機在5nm及以下工藝具有不可替代性，在未來較長時間內應用EUV技術都將成為實現摩爾定律發展的重要方向。”王珺說。因此，從工藝技術和制造成本綜合因素考量，EUV設備被普遍認為是7nm以下工藝節點最佳選擇，它可以繼續往下延伸三代工藝，讓摩爾定律再至少延長10年時間。
DRAM存儲器將帶動EUV光刻機增長
在臺積電、三星、英特爾繼續延續摩爾定律進行工藝發展的帶動下，EUV光刻機的應用數量將持續提升。
王珺表示，從目前看，對EUV光刻技術具有明顯應用需求的芯片包括應用處理器、CPU、DRAM存儲器、基帶芯片。
半導體專家莫大康認為，ASML公司EUV設備產量若要進一步擴大，希望就落在存儲器廠商身上。他向《中國電子報》記者表示，目前看，EUV光刻機主要賣給三家公司：英特爾、三星和臺積電，其中臺積電訂得最多。他介紹說，存儲器主要分為兩種：一種是DRAM，另一種是3D NAND。3D NAND目前的競爭主要集中在層數上，雖然也需要工藝的先進性，但需求不那么迫切。而DRAM存儲器則不同，一方面其產量比較大，另一方面若做到1Z(12～14nm)以下，就可能需要用到EUV光刻機了，屆時，存儲器廠商訂的EUV設備將有大的爆發。“但具體時間，還要看市場需求以及廠商導入情況。目前，ASML公司EUV設備一年的出貨量只有40多臺，遠遠未達到業界預期。”
EUV還需克服諸多挑戰
現階段EUV光刻技術已經成熟，且進入產業化階段，但是在光刻機的光源效率、光刻膠的靈敏度等方面依然存在較大的進步空間。
有關人士指出，EUV光刻機除了價格昂貴之外(超過1億美元)，最大的問題是電能消耗，電能利用率低，是傳統193nm光刻機的10倍，因為極紫外光的波長僅有 13.5nm，投射到晶圓表面曝光的強度只有光進入EUV設備光路系統前的2%。在7nm成本比較中，7nm的EUV生產效率在80片/小時的耗電成本是14nm的傳統光刻生產效率在240片/小時耗電成本的1倍，這還不算設備購置成本和掩膜版設計制造成本比較。
莫大康認為EUV工藝面臨三大挑戰：首先是光源效率，即每小時刻多少片，按照工藝要求，要達到每小時250片，而現在EUV光源效率達不到這個標準，因此還需進一步提高，且技術難度相當大。其次是光刻膠，光刻膠的問題主要體現在：EUV光刻機和普通光刻機原理不同，普通光刻機采用投影進行光刻，而EUV光刻機則利用反射光，要通過反光鏡，因此，光子和光刻膠的化學反應變得不可控，有時候會出差錯，這也是迫切需要解決的難題。最后是光刻機保護層的透光材料，隨著光刻機精度越來越高，上面需要一層保護層，現在的材料還不夠好，透光率比較差。
在以上三個挑戰中，光源效率是最主要的。此外，EUV光刻工藝的良率也是阻礙其發展的“絆腳石”。目前，采用一般光刻機生產的良率在95%，EUV光刻機的良率則比它低不少，在70%~80%之間。莫大康表示，解決上述問題，關鍵是訂單數量，只有訂單多了，廠商用的多了，才能吸引更多光源、材料等上下游企業共同參與，完善EUV產業鏈的發展。
王珺表示，EUV技術的研發與應用難度極高，未來實現進一步發展在全球范圍內將遵循競爭優勢理論，各國和地區的供應商依靠自身優勢進行國際化產業整合。
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