台积电/三星/GF纷纷冲刺7nm，但EUV光刻工艺仍是配角！根据该公司的路线图

在芯片代工领域，如果说台积电、英特尔、三星属于第一梯队，那么格罗方德（GlobalFoundries）可能只能算是在第二梯队。而为了能够加速追赶第一梯队的厂商，2016年9月，格罗方德就宣布将跳过10nm制程，直接往7nm发展。并且宣布投资20亿美元以上，升级位于纽约州的Fab 8工厂，作为下一世代的7nm先进制程的基地。

格罗方德 Fab 8 工厂

格罗方德Fab 8工厂是美国规模最大的半导体晶圆厂之一，座落于纽约州Malta的Luther Forest科技园区，面积233英亩(acres)。目前Fab 8是格罗方德全球最先进工艺的据点。

眼下台积电和三星都在积极争夺7nm工艺的进程。去年，台积电就曾宣布将在2018年量产7nm，而且一年后再投产EUV极紫外光刻技术加持的新版7nm。与此同时，三星也宣布将在

2018年实现7nm

量产，而且三星还在积极推进6nm工艺（7nm的改进版）。

对此，很早就宣布跳过10nm直接冲刺7nm的格罗方德，目前也在不遗余力的推进7nm工艺。

根据该公司的路线图，7nm Leading Performance制程（7LP）会是格罗方德冲刺下一个极限的重心，最终有望在大规模半导体产品制造上使用极紫外光刻技术（EUV）。

EUV技术原理

目前主流的光刻技术还是193nm液浸式光刻，虽然被广泛应用，但是它的问题在于，随着光波长的变小，光会被用来聚光的玻璃透镜吸收，结果是光到达不了硅片，也就无法在晶圆上生成任何图案，这也正是EUV光刻技术将取代它的原因。在EUV光刻技术中，玻璃透镜将被反射镜取代以用于聚光。

EUV光刻技术早期有波长10～100nm和波长1～25nm的软X光两种，两者的主要区别是成像方式，而非波长范围。前者以缩小投影方式为主，后者以接触／接近式为主。目前的EUV技术使用的是激光等离子源产生的约13.5nm的紫外波长，这种光源工作在真空环境下以产生极紫外射线，然后又光学聚焦形成光束。光束经由用于扫描图形的反射掩膜版反射。

EUV的基本工作原理：激光对准氙气喷嘴。当激光击中氙气时，会使氙气变热并产生等离子体；一旦产生等离子体，电子便开始逃逸，从而发出波长为13.5nm的光；接着这种光进入聚光器，然后后者将光汇聚并照到掩膜上；通过在反射镜的一些部分施加而其它部分不施加吸收体，在反射镜上形成芯片一个平面的图案的光学表示，这样就产生了掩膜；掩膜上的图案被反射到四到六个曲面反射镜上，从而将图像微缩，并将图像聚投到硅晶圆上；每个反射镜使光线稍微弯曲以形成晶圆上的图像，这就像照相机中的透镜将光弯曲以在胶片上形成图像一样。

EUV技术仍困难重重

EUV整个工艺必须在真空中进行，因为这些光波长太短，甚至空气都会将它们吸收。此外，EUV使用涂有多层钼和硅的凹面和凸面镜——这种涂层可以反射将近70%的波长为13.5nm的极紫外线光，其它30%被反射镜吸收。如果没有涂层，光在到达晶圆之前几乎就会被完全吸收。镜面必须近乎完美，即使涂层中的小缺陷也会破坏光学形状并扭曲电路图案，从而导致芯片功能出现问题。

尽管半导体行业畅想 EUV 技术很多年，但实际应用中的挑战让业界不得一次次推迟它的部署。

ASML 极紫外光刻机

当前市面上仅有ASML一家公司能够提供EUV设备，因此其这项技术的命运取决于ASML能否克服跨紫外线和 X 射线界限时所带来的干扰。

与当前193-mm 沉浸式光刻工具所使用的氩-氟化物准分子激光不同，极紫外扫描必须借助一种全新的方法，才能在硅片上运用下一代工艺所需的电磁能量。

据悉，格罗方德将对工厂内部进行重新分配，通过激光脉冲，将融化的锡液滴转化为高能等离子，产生的光波长仅为13.5nm。

传统工艺使用玻璃制成的折射透镜，但它对光性能的影响很大。EUV设备必须引导这种宝贵的能量来源，让它通过反射镜、顺利地抵达晶圆片上 —— 而这需要在硬真空环境下实现。

即便如此，EUV的光效率还是相当低的。就算光源功率有250W，最终到达晶圆片表面上的也只有2%左右。遗憾的是，直到去年年底，ASML还没能越过250W的里程碑。

在此前的芯片制造商会议上，GlobalFoundries研究副总裁George Gomba就表示，唯一有能力做250瓦EUV光刻机的ASML提供的现款产品NXE-3400系列仍不能满足标准，他们建议供应商好好检查EUV光罩系统，以及改进光刻胶。

会上，三星/台积电的研究人员也透露，在NXE-3400下光刻有两个棘手问题，或蚀刻掉的区域不足造成短路，或时刻掉的区域过量，导致撕裂。

EUV 在大规模生产中所面临的一些挑战

回归到技术本身，EUV工艺的另一大挑战，就是寻找合适的薄膜。这种透明的保护层，可防止生产过程中的碎片沉浸到掩具上，但当前仍是一项棘手的挑战。

即便在清洁的条件下，仍需给晶圆片罩上保护壳、以及保证EUV设备本身的真空环境。因为微小的碎片粒子仍可在EUV网状物上停留，若缺乏薄膜保护、碎片可能会残留在成品晶片上。

与其它EUV激光一样，薄膜会吸收掉部分光能，减少了最终抵达晶圆上的光量。当前的EUV薄膜材料，可将大约 78%的能量从扫描仪传送到晶片上。但在格罗方德来看来，在大规模生产之前，其需要至少突破88%的传输效率。

另外还有一个重要的问题在于，EUV目前的光刻速度还太慢，必须要多台作业，但是EUV光刻机的成本实在是太高。ASML已出货的最高端的EUV光刻机NXE 3400B单价超1亿欧，媲美一架F35战斗机。更为要命的是，ASML的产能有限，有钱也不一定能买的到。即便是英特尔、台积电、三星都对ASML进行了资助，并入股成为了其股东，三家也是抢的头破血流。更何况格罗方德还不是ASML的股东。

格罗方德的 EUV 战略

不过，格罗方德首席技术官Tom Caulfield对EUV的前景仍保持乐观。他表示，目前EUV技术不会影响到 7nm芯片的生产，因为对一座每日不得停歇的工厂来说，在技术成熟之前，他们是不会贸然介入。

Tom Caulfield表示短期内，EUV 不会但当芯片制造的主角。在格罗方德的7nm 工艺中，EUV 只会用到两个地方 —— 芯片的触点（contacts）和通路（vias）。

此前，不少业内人士也表示，目前的EUV基本上是配合多重曝光在7nm的Poly层用到，而到5nm的时候应该才会大量采用，因为进入到5nm节点时，成熟的EUV的成本效应才会更加显著。

今年年初，台积电5纳米12寸晶圆工厂正式动工，总投资7000亿元新台币，第1期厂房预计2019年风险试产，2020年正式量产。上个月底，三星宣布投资60亿美元在韩国华城（Hwaseong）兴建新的半导体工厂，用于扩充7nm EUV的产能。该工厂已经破土动工，2019年下半年竣工，2020年之前投产。

显然，从台积电和三星的动作也不难看出，EUV技术要想成为芯片制造的主角或许还要等到2020年左右。

编辑：芯智讯-浪客剑