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极紫外光刻终于做好准备,即将进入晶圆厂
2018-04-16 16:35
原创  Ieee Spectrum

极紫外光刻a.jpg

有人对我说:“晶圆厂就像一座冰山。”我分不清是谁在说话,因为所有人从头到脚都裹在洁净服里。参观位于纽约州马耳他的格芯公司第8晶圆厂无疑让这个比喻更加形象。我们刚刚走出第8晶圆厂的“子工厂”,那是垂直高度达10米的地下厂房,管道和电线从上方的各种半导体制造工具中蜿蜒而下,连接到化学品自动处理机、水质分析仪、功率调节器以及千瓦级的激光器上。而这个激光器,正是我们此行参观的主要目的。

单台激光设备的占地面积大约在80平方米,其中激光系统占据了15~20平方米。组装一台这样的设备需要6周时间,过程的复杂程度令人叹服。大约在组装过程的中期,构成这台设备的冰山一角就显现出来,它由闪亮的金属管、不透明的真空室和电线组成,和一间房子差不多大小。6个穿着兔子套装式洁净服的技术人员,穿梭在这个庞然大物周围,按照编制好的程序仔细地进行各种探查和连接工作。

这个吸引眼球的巨型设备就是极紫外(EUV)光刻工具。10多年来,半导体制造业一方面一直希望EUV能够挽救摩尔定律,另一方面却绝望地认为这项技术永远无法到来。不过这一时刻最终还是来临了,并且来得正是时候。

三星电子是第一个宣布将使用EUV工具为客户生产芯片的公司,并表示将在2018年下半年实现。而其竞争对手格芯、台湾积体电路制造公司(以下简称台积电)和英特尔显然也计划在未来的一两个季度内运用这一技术。

英特尔公司不愿透露其路线图,据该公司的一位发言人透露:“一旦技术的实际成本达标,我们就会将EUV技术投入到实际生产之中。”而超大规模集成电路(VLSI)研究中心的分析员G•丹•哈奇森(G. Dan Hutcheson)指出,英特尔公司购买的EUV设备比其他公司都多。

格芯、三星和台积电的步调与我们越来越接近,而且似乎都遵循着同样的游戏规则。这3家公司都引入了EUV技术,用在7纳米制造工艺(即所谓的7纳米节点)的第二次迭代中。对于7纳米制造工艺,他们仍将在长达一年的时间里利用“前EUV技术”。

很显然,做这样的打算是因为同时进行两个大的变动会比较难以处理。格芯公司的首席技术官加里•帕顿(Gary Patton)认为,即便不使用EUV技术,这种7纳米制造工艺也称得上是“极限运动”。格芯和台积电都声称,如果进展顺利,他们的工厂能让该工具的运行时间达到80%甚至更高,事实上,EUV会使7纳米工艺变得更简单,也更便宜。如果你想明白这是为什么,就必须先了解如何制造芯片。

“光刻技术是晶圆厂的核心。”格芯公司第8晶圆厂的高级副总裁兼总经理托马斯•考尔菲德(Thomas Caulfield)说。从光滑的空白硅片,变成有着彩虹般色泽的盘片,直到被塞进装有130亿晶体管的微处理器中——硅晶片需要经过许多次的加工处理才能完成这一转变。其中的许多步骤都是在光刻工具内部进行的。

当今最先进的技术是193纳米浸没式光刻。顾名思义,这种工艺是用波长为193纳米的光线照射一个印有图案的表面,这个表面被称为光掩模。该工艺通过水,将图案投射到硅晶片上,随后图案被光敏化学品固定,并蚀刻到硅晶片上。这一工艺的问题在于,光不能直接定义小于其波长的特征。而193纳米的长度比现代芯片所需的图案尺寸大很多。因此,需要利用一些光学上的技巧和变通方法来弥补这一差异。其中最昂贵的方法,是用三四个不同的光掩模在芯片上产生单个图案。即使对现在最复杂的处理器而言,这也意味着晶圆可能需要反复通过光刻工具达80次之多。

之所以使用EUV光刻技术,是因为它使用的是13.5纳米波长的EUV,这与要印制的最终特征的尺寸非常接近。有了它,制造商可以将三四个光刻步骤变成一个。对于其7纳米EUV工艺,格芯将用5个步骤取代原有的15个步骤。台积电的光刻设备和掩模技术总监约翰•林(John Lin)表示,他们公司也在计划进行类似减少步骤的工作。

EUV技术会让7纳米制程变得更快速、更便宜,同时对于比7纳米节点更先进的制程来说也是至关重要的。帕顿说:“如果5纳米制造工艺不使用EUV技术,那么将会有超过100个(光刻步骤),那就太疯狂了。”

听帕顿的话,EUV光刻似乎来得正是时候,事实也确实是这样。但这是一段长达几十年的漫长旅程,时常会有一些专家宣称EUV技术已经死了。即使时至今日,一些观察家仍然觉得在生产中应用EUV技术有点难以置信。

VLSI的哈奇森认为,人们不应该对EUV技术长久以来的一再拖延感到诧异。他说:“核心技术需要的时间会超过所有人的预期。”他表示,尽管光刻技术在发展过程中使用了各种各样的光源,但自20世纪80年代以来,该技术的基础并未发生任何改变。

纵观EUV的大部分发展历程,主要问题都是光源,考虑到光源的复杂性,这并不令人惊讶。在机器一端的真空室内,熔融锡的微小液滴被两个激光束依次击中,并在射流中被发射出去。第一束击中液滴的激光非常精准,把液滴压平成为一个雾状的圆盘;而第二束激光的能量非常巨大,把液滴变成等离子态的小球,与EUV光源一同发光。

光源研发人员们多年来一直无法提供所需的光源强度,他们一直承诺太多却又无法实现。而目前对于光源问题的担忧已经基本上消除了。能够输出205瓦能量的光源已经找到,并且阿斯麦公司已在实验室中制造出了250瓦的光源。台积电的约翰•林说:“我们有信心,阿斯麦公司在2018年能够将实用的光源强度提到250瓦。”

虽然大部分的光在通过机器时会因多次反射而被损耗,但即使对5纳米节点来说,这一功率也已经可以满足要求。但对于3纳米来说,分析师认为,芯片制造商将需要500瓦的功率,1纳米则可能要增加到1000瓦。前者可通过几种手段相结合的方式来实现,包括增加驱动激光器的功率、提高激光能量转换成EUV光的效率以及增强稳定性和控制的精准度;而后者所需的则是无比巨大的能量。我在格芯公司看到,约1兆瓦的EUV工具及其相关驱动激光器和其他设备,最终只能向硅晶圆提供几十瓦的光功率。考尔菲德告诉我,他们不得不为第8晶圆厂增加10%的电力供应,以满足2018年安装的两台新EUV工具。

尽管如今电源方面的挑战已经在很大程度上被攻克了,但这并不意味着EUV光刻可以完美运行。实际上,光掩模还存在着一些问题。这些EUV掩模与用于193纳米光刻的掩模完全不同,EUV掩模利用由不同材料组成的数十个纳米层反射光线,而不是透射光线。实际上,它们还有很多不完善的地方,很难发现也很难避免。此外,通常用于保护光刻掩模免受灰尘侵害的透明覆盖薄膜——“保护膜”——也尚不能用于EUV。

保护膜是非常重要的,因为即使在EUV机器(处于顶级的无尘室内)内部的超净环境内,制造过程中仍然会产生一些灰尘。落在光掩模上的灰尘微粒,可能会在每一个完成的芯片上形成足以毁掉整个装置的阴影,使相当昂贵的掩模变得分文不值。

这就是为什么在今天的光刻工具中,光掩模会覆盖一层透明的保护膜。这层保护膜相当于掩模的安全眼镜,但如今这些保护膜对EUV是不透明的。

要想适用于EUV,保护膜必须有超薄的膜衣,让其透明,但又必须有足够的强度承受来自光掩模正常扫描运动的机械冲击,以及伴随高能EUV辐射产生的热冲击。

即便现在没有足够好的保护膜,芯片制造商们认为冒着风险使用裸露光掩模也是值得一试的,因为过程中只有几个EUV步骤。而一旦芯片制造商开始依靠EUV进行更多步骤的操作,那么这个方案就无法再继续使用了,不过其他解决方案仍在研制中。例如,阿斯麦公司已经测试了采用250瓦EUV光源的仪器。EUV顾问维韦克•巴克西(Vivek Bakshi)说:“保护膜的设计必须改进,我不认为它是一个搅局者。”

一个更为严重的问题是,目前仍然没有检查光掩模缺陷的好方法。理想情况下,你能够使用EUV光来扫描需要修复的点。但是,这种被称为光化图案掩模检测的技术仍在研制中(尽管三星称其已经开发了内部解决方案)。现在芯片制造商采用的只是一些权宜之计。一种是使用依赖193纳米光源的现有工具。但在7纳米技术节点上,使用如此巨大的波长就像用胳膊肘来读盲文一样:这种方法虽然能用,但你可能会错过一些东西。电子束检测工具虽然有足够的分辨率,但速度很慢。阿斯麦公司最近推出了其首款电子束检测工具。

芯片制造商也可以使用所谓的“刻印检查”方法。也就是说,他们将光掩模固定在EUV光刻工具上,生成一个带有图案的硅晶片,然后检查晶片本身,但这是一个费时且价格高昂的过程,他们并不十分喜欢。

尽管如此,芯片制造商仍在向前迈进。电子束技术公司D2S的首席执行官、光掩模图案绘制技术专家藤本真雄(Aki Fujimura)说:“采用EUV技术的人正在定义它的用途,因此这些并不会妨碍我们的工作。”

技术专家预计,聪明的工程师们将会很快解决EUV光刻现存的这些问题。事实上,不同的芯片制造商或许能够清晰地进行自我定位,前提是他们找到胜任这项工作的工程师,视工程师的水平而定。帕顿说:“我们把这些钱都花在工具上,但是如果没有合适的人,我们就无法做到这一切。”

作者:Samuel K. Moore

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