台積電/三星/GF紛紛衝刺7nm，但EUV光刻工藝仍是配角！

在晶片代工領域，如果說台積電、英特爾、三星屬於第一梯隊，那麼格羅方德（GlobalFoundries）可能只能算是在第二梯隊。

而為了能夠加速追趕第一梯隊的廠商，2016年9月，格羅方德就宣布將跳過10nm製程，直接往7nm發展。

並且宣布投資20億美元以上，升級位於紐約州的Fab 8工廠，作為下一世代的7nm先進位程的基地。

格羅方德 Fab 8 工廠

格羅方德Fab 8工廠是美國規模最大的半導體晶圓廠之一，座落於紐約州Malta的Luther Forest科技園區，面積233英畝(acres)。

目前Fab 8是格羅方德全球最先進工藝的據點。

眼下台積電和三星都在積極爭奪7nm工藝的進程。

去年，台積電就曾宣布將在2018年量產7nm，而且一年後再投產EUV極紫外光刻技術加持的新版7nm。

與此同時，三星也宣布將在2018年實現7nm量產，而且三星還在積極推進6nm工藝（7nm的改進版）。

對此，很早就宣布跳過10nm直接衝刺7nm的格羅方德，目前也在不遺餘力的推進7nm工藝。

根據該公司的路線圖，7nm Leading Performance製程（7LP）會是格羅方德衝刺下一個極限的重心，最終有望在大規模半導體產品製造上使用極紫外光刻技術（EUV）。

EUV技術原理

目前主流的光刻技術還是193nm液浸式光刻，雖然被廣泛應用，但是它的問題在於，隨著光波長的變小，光會被用來聚光的玻璃透鏡吸收，結果是光到達不了矽片，也就無法在晶圓上生成任何圖案，這也正是EUV光刻技術將取代它的原因。

在EUV光刻技術中，玻璃透鏡將被反射鏡取代以用於聚光。

EUV光刻技術早期有波長10～100nm和波長1～25nm的軟X光兩種，兩者的主要區別是成像方式，而非波長範圍。

前者以縮小投影方式為主，後者以接觸／接近式為主。

目前的EUV技術使用的是雷射等離子源產生的約13.5nm的紫外波長，這種光源工作在真空環境下以產生極紫外射線，然後又光學聚焦形成光束。

光束經由用於掃描圖形的反射掩膜版反射。

EUV的基本工作原理：雷射對準氙氣噴嘴。

當雷射擊中氙氣時，會使氙氣變熱並產生等離子體；一旦產生等離子體，電子便開始逃逸，從而發出波長為13.5nm的光；接著這種光進入聚光器，然後後者將光匯聚並照到掩膜上；通過在反射鏡的一些部分施加而其它部分不施加吸收體，在反射鏡上形成晶片一個平面的圖案的光學表示，這樣就產生了掩膜；掩膜上的圖案被反射到四到六個曲面反射鏡上，從而將圖像微縮，並將圖像聚投到矽晶圓上；每個反射鏡使光線稍微彎曲以形成晶圓上的圖像，這就像照相機中的透鏡將光彎曲以在膠片上形成圖像一樣。

EUV技術仍困難重重

EUV整個工藝必須在真空中進行，因為這些光波長太短，甚至空氣都會將它們吸收。

此外，EUV使用塗有多層鉬和矽的凹面和凸面鏡——這種塗層可以反射將近70%的波長為13.5nm的極紫外線光，其它30%被反射鏡吸收。

如果沒有塗層，光在到達晶圓之前幾乎就會被完全吸收。

鏡面必須近乎完美，即使塗層中的小缺陷也會破壞光學形狀並扭曲電路圖案，從而導致晶片功能出現問題。

儘管半導體行業暢想 EUV 技術很多年，但實際應用中的挑戰讓業界不得一次次推遲它的部署。

ASML 極紫外光刻機

當前市面上僅有ASML一家公司能夠提供EUV設備，因此其這項技術的命運取決於ASML能否克服跨紫外線和 X 射線界限時所帶來的干擾。

與當前193-mm 沉浸式光刻工具所使用的氬-氟化物準分子雷射不同，極紫外掃描必須藉助一種全新的方法，才能在矽片上運用下一代工藝所需的電磁能量。

據悉，格羅方德將對工廠內部進行重新分配，通過雷射脈衝，將融化的錫液滴轉化為高能等離子，產生的光波長僅為13.5nm。

傳統工藝使用玻璃製成的折射透鏡，但它對光性能的影響很大。

EUV設備必須引導這種寶貴的能量來源，讓它通過反射鏡、順利地抵達晶圓片上 —— 而這需要在硬真空環境下實現。

即便如此，EUV的光效率還是相當低的。

就算光源功率有250W，最終到達晶圓片表面上的也只有2%左右。

遺憾的是，直到去年年底，ASML還沒能越過250W的里程碑。

在此前的晶片製造商會議上，GlobalFoundries研究副總裁George Gomba就表示，唯一有能力做250瓦EUV光刻機的ASML提供的現款產品NXE-3400系列仍不能滿足標準，他們建議供應商好好檢查EUV光罩系統，以及改進光刻膠。

會上，三星/台積電的研究人員也透露，在NXE-3400下光刻有兩個棘手問題，或蝕刻掉的區域不足造成短路，或時刻掉的區域過量，導致撕裂。

EUV 在大規模生產中所面臨的一些挑戰

回歸到技術本身，EUV工藝的另一大挑戰，就是尋找合適的薄膜。

這種透明的保護層，可防止生產過程中的碎片沉浸到掩具上，但當前仍是一項棘手的挑戰。

即便在清潔的條件下，仍需給晶圓片罩上保護殼、以及保證EUV設備本身的真空環境。

因為微小的碎片粒子仍可在EUV網狀物上停留，若缺乏薄膜保護、碎片可能會殘留在成品晶片上。

與其它EUV雷射一樣，薄膜會吸收掉部分光能，減少了最終抵達晶圓上的光量。

當前的EUV薄膜材料，可將大約 78%的能量從掃描儀傳送到晶片上。

但在格羅方德來看來，在大規模生產之前，其需要至少突破88%的傳輸效率。

另外還有一個重要的問題在於，EUV目前的光刻速度還太慢，必須要多台作業，但是EUV光刻機的成本實在是太高。

ASML已出貨的最高端的EUV光刻機NXE 3400B單價超1億歐，媲美一架F35戰鬥機。

更為要命的是，ASML的產能有限，有錢也不一定能買的到。

即便是英特爾、台積電、三星都對ASML進行了資助，併入股成為了其股東，三家也是搶的頭破血流。

更何況格羅方德還不是ASML的股東。

格羅方德的 EUV 戰略

不過，格羅方德首席技術官Tom Caulfield對EUV的前景仍保持樂觀。

他表示，目前EUV技術不會影響到 7nm晶片的生產，因為對一座每日不得停歇的工廠來說，在技術成熟之前，他們是不會貿然介入。

Tom Caulfield表示短期內，EUV 不會但當晶片製造的主角。

在格羅方德的7nm 工藝中，EUV 只會用到兩個地方 —— 晶片的觸點（contacts）和通路（vias）。

此前，不少業內人士也表示，目前的EUV基本上是配合多重曝光在7nm的Poly層用到，而到5nm的時候應該才會大量採用，因為進入到5nm節點時，成熟的EUV的成本效應才會更加顯著。

今年年初，台積電5納米12寸晶圓工廠正式動工，總投資7000億元新台幣，第1期廠房預計2019年風險試產，2020年正式量產。

上個月底，三星宣布投資60億美元在韓國華城（Hwaseong）興建新的半導體工廠，用於擴充7nm EUV的產能。

該工廠已經破土動工，2019年下半年竣工，2020年之前投產。

顯然，從台積電和三星的動作也不難看出，EUV技術要想成為晶片製造的主角或許還要等到2020年左右。

編輯：芯智訊-浪客劍

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