摩尔定律的续命药：EUV光刻技术到底是什么？

半个多世纪以来，半导体行业按照摩尔定律不断发展，驱动了一系列的科技创新、社会改革以及生产效率的提高。随着器件尺寸越来越逼近物理极限，摩尔定律对新一代工艺节点研发是否依然奏效是现在全行业都在关注的问题。

事实上，人们对摩尔定律信仰本质上是对人类创造力的信仰，表达了人们对性能更高、尺寸更小、容量更大及成本更低技术的渴望。

三星和台积电16/14nm-5nm节点性能和功耗增长幅度


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光刻是摩尔定律的前沿阵地

在半导体产业中，由于不同种类芯片的晶体结构和工作模式存在差异，工艺发展进程也不尽相同。例如：在NAND Flash领域，随着尺寸缩小到十几纳米（15nm，16nm），单个存储单元内电子的串扰问题使得进一步缩小变得非常困难且不经济，存储架构开始向3D转换；在DRAM领域，全球三大DRAM原厂均停滞在18nm-15nm之间，仍没有突破10nm物理极限；在逻辑芯片制造领域，以台积电和三星为代表，已经引入EUV技术，有消息称台积电5nm工艺样品已经给客户送样。

使用正性光刻胶光刻工艺流程简图

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但在所有半导体产品制造中，都需要通过光刻技术将电路图形转移到单晶表面或介质层上，光刻技术的不断突破推动着集成电路密度、性能不断翻倍，成本也愈加优化。近年来，随着工艺节点的不断缩小，光刻技术主要经历了紫外光刻技术（UV）、深紫外光刻技术（DUV）和极紫外光刻技术（EUV）。

1980s以来，光刻技术采用的光波长变化

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在EUV技术中，采用的光波长仅为13.5nm，因此能够将图案分辨率降低到10nm以下，这是目前主流的DUV技术无法达到的。目前，除了台积电和三星在先进制程领域引入EUV技术以外，有消息传DRAM三大原厂三星、美光和SK海力士也有计划将EUV导入DRAM制程中。

EUV技术优势及难点

在光刻技术中，提升分辨率的途径主要有三个：1、增加光学系统数值孔径；2、减小曝光光源波长；3、优化系统。EUV相较UV和DUV拥有更短的波长，在光刻精密图案方面自然更具优势，能够减少工艺步骤，提升良率。

虽然EUV制程能够进一步减小芯片尺寸，提升器件性能，但是其前期巨大的资本和人力投入也让大部分厂商望而却步。

简要概括EUV技术难点如下：

光源：由于光子落在光刻胶的速度也会影响图案形成，因此光源的功率需要足够高；
光学系统：由于EUV技术必须使用反射光学系统，光线反射率需要达到一定要求，系统中所用的反射镜需要由100多层硅和钼的交替层组成，且要有极高的平整度要求；
光刻机腔体高真空：为避免杂质对光刻效果影响，腔体内部需要达到高度真空状态；。
光刻掩模板：由于自然界中很多物质对13nm的光都有吸收作用，如果掩模板上有污染物就会严重影响光刻效果，因此各厂商需要分别研制掩模版保护膜，在不影响其光学性能的情况下保护掩模板。

EUV光学系统简图

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当然，EUV技术能够有效延长摩尔定律寿命，但是要想进一步释放下一代计算机潜能仍需找到颠覆性的材料和器件。科学家们当然早就意识到了这点，IBM公司早在2015年就表示，微电子工业走到7纳米技术节点时将不得不放弃使用硅作为支撑材料，非硅基电子技术将会兴起，并宣布碳基材料或将成为下一代芯片支撑材料。此外，以碳化硅为代表的第三代半导体也备受关注，也有机会替代硅成为主流半导体材料。

虽然新型材料仍在研发阶段，仍有很多困难需要攻克，相信在半导体产业的积极推动下，性能更强的新一代半导体材料将不久面世。