摘要: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。

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。

台积电/三星/GF纷纷冲刺7nm,但EUV光刻工艺仍是配角!-芯智讯

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。

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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。

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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。

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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。

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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