EUV技术差距甚远 芯片厂商陷入两难

长久以来看好可作为芯片制造业的下一大步── 超紫外光(EUV)光刻技术事实上还未能准备好成为主流技术。这意味着急于利用EUV制造技术的全球芯片制造商们正面临着一个可怕的前景──他们必须使用较以往更复杂且昂贵的技术来扩展现有的光学光刻工具，如双重曝光等。更糟的是，EUV技术的差距对于半导体制造供应链的根本经济基础构成了威胁。
EUV技术最初是在2005年时针对生产用途所开发的，后来一直被期待用于22nm芯片制造，英特尔公司也已于去年率先启动这项技术。现在，英特尔计划扩展光学光刻技术至14nm节点，而从2015年下半年开始的10nm节点将转换至以EUV技术作为其主流生产方式。此外，三星公司也计划最快可在2013年导入EUV技术量产制造。

但芯片制造商希望能在他们计划进行量产制造前，能够让EUV技术预先做好准备，那么他们将可先行建立芯片设计规则以及调整其制程。而今，一连串的挑战依然存在，包括开发更好的掩膜检测、维修工具以及感光度更佳的光刻胶。

截至目前为止，推动EUV量产的最大障碍是EUV工具上的晶圆吞吐量，仍远低于可实现EUV制造所需的标准。造成吞吐量受限的原因则是由于缺乏能够提供所需功率与可靠性的EUV光源。

“我认为EUV光源显然无法在未来几年内准备好所需的功率与可靠性，”凸版印刷(Toppan Photomask)公司技术长Franklin Kalk表示，“随着第一款生产工具计划迟至2012年晚期推出，生产整合需在那之后才能进行，想要在2013年量产EUV技术预计是难以达到的目标。”

KLA-Tencor公司副总裁兼总经理Brian Haas在去年9月举行的一场业界会议中表示，在周遭不断充斥着对于吞吐量的质疑，过去将EUV技术视为次世代光刻主导技术的看法已经改变了。其它一度被认为是利基型的技术，如纳米压印光刻技术，最终可能在某些设备应用上扮演着更主流的角色。

光刻设备供应商ASML公司已经售出6套EUV预生产工具给芯片厂商了。根据ASML公司首席科学家Bill Arnold表示，其中三套系统现正被用于曝光晶圆，其他系统则分别在装机至出货给客户的不同阶段中。ASML坦承该工具的吞吐量大约每小时产出不到10片晶圆。一些观察家则认为该工具每小时产出约仅在1-5片晶圆之间。

已经有许多制造商尝试过了，但至今都未能开发出具有足够功率与可靠性的EUV光源，以使EUV光刻技术达到充份的吞吐量。ASML表示至少有三家公司可望解决这项挑战，包括Ushio、GigaPhoton以及ASML的长期供应商Cymer。

ASML公司表示，日前有两家光源供应商分别展示其不同等级的光源技术，应该有助于提高EUV扫描器的吞吐量到每小时约15片晶圆。这也将使设备公司得以开始擘划发展蓝图──在2012夏季以前提升EUV吞吐量至可实现商用化标准。

芯片制造商希望EUV光刻最终能达到每小时100片以上晶圆的吞吐量，但目前看来似乎还不太可能。一些观察家预测大约每小时60-80片晶圆的吞吐量就足以使在EUV技术的投资更具有吸引力，但Haas说：“现实情况是我们可能也达不到这一目标。”

ASML公司已加紧监督其供应商的EUV技术光源开发工作，甚至指派最优秀的工程师长驻于供应商处，Arnold表示。尽管每小时处理60片晶圆的目标仍是一大挑战，但ASML声称今年就能达到这个目标。

一些观察家们仍然相信ASML公司将督促其供应商开发出一款合适的光源，而使EUV技术得以在2015年投入量产。但对此抱持怀疑态度者──甚至包括一些EUV技术的大力支持者们均质疑是否还要再为此付出更多的脑力与苦力？光源开发人员们是否正与实体定律进行一场毫无胜算的战役？

“许多的经济规模实际上取决于扫瞄器能否达到一定的吞吐量阈值，而这就是我们付出许多心血之处，”Arnold表示。“如果这是一个只要付出大量心力就能解决的问题，我们终将解决这个问题。”

然而，如果短期内无法克服吞吐量的问题，芯片制造商们将别无选择，只能再进一步寻求扩展193 nm ArF光刻技术的替代方法。ArF光刻技术一直是过去十年来的主流途径。

但这样做的代价不菲。制程工程师们已利用一些技术进行22nm节点的芯片制造，这些技术包括光学邻近校正(OPC)、相位移掩膜(PSM)，以及最近的浸入式光刻技术、光源掩膜优化和双重曝光等。使用一组掩膜花费可能就高达2百万美元以上，是芯片设计实现量产时的最高成本之一。

英特尔公司已下注于这项技术了。该公司希望在10nm节点的关键层利用EUV技术作为其主要的光刻技术，但另一方面也研究如何扩展ArF光刻技术至10nm的方法，根据英特尔公司研究员Vivek Singh表示。

但英特尔必须很快地作出决定，究竟要不要为10nm制程建立两套设计规则──一套用于EUV，另一套则用于ArF？或是只选用其中一种？Singh补充道，“这就跟钱有关了。”

英特尔的另一位研究人员Mark Bohr最近告诉我们，英特尔公司在扩展193nm浸入式光刻至10nm节点上已经得到令人振奋的结果了，但他并未透露进一步的细节。

欧洲微电子研究中心(IMEC)一直是研究EUV光刻技术的旗舰中心，去年7月宣布开始采用ASML试产工具曝光EUV晶圆。但IME也进行其它应急措施；CEO Luc Van den Hove最近表示，IMEC将采用ASML最新的193nm浸入式光刻工具来处理光学光刻开发作业；一旦面临EUV无法用于14nm节点的情况下，这将可作为一项备用计划。

但在14nm及更先进制程，采用光学浸入式光刻技术的双重图形方法无法提供足够的解析度来写入光罩特色；有时还必须使用到三倍、四倍或什至五倍图形。

但以往只需要使用一个光罩的关键层，现在却得使用多达五个光罩──这将会为任何设计增加相当大的成本。但至于费用贵到什程度会成为问题，现在也还不清楚，因为EUV本身就不便宜。一些设备市场分析师指出，生产EUV工具的花费可能高达1亿美元以上。

根据KLA的Haas表示，EUV技术的开发困境可能是'噩梦'一场，挑战着业界供应链的根本经济学。Haas警告，如果EUV光刻工具的吞吐量无法达到每小时超过30片晶圆，记忆体芯片制造商仍可能以该技术实现量产，但一般代工厂、逻辑芯片供应商以及其他厂商将被迫采用替代方案。这种分歧将迫使KLA及其他工具供应商以较销售预期更少的产量来摊销EUV光罩侦测工具及其它设备的开发成本，最终导致成本更高，而使潜在买主因天价而怯步或撤销购买计划。[!--empirenews.page--]

Haas认为，ASML公司最终将解决光源问题，并让EUV工具达到可进行商用生产的吞吐量。

“我很乐观，而且我们也应该要乐观面对。因为我们都靠这项技术了。EUV光刻技术在经济上势在必行。”

到了2015年时，我们就会知道是采取这种或哪一种方式了。


图说：业界开发EUV光刻技术工具时间表