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ASML NXE EUV扫描仪：3300B在纽约州立大学理工学院的实验室中打印出芯片

即使您穿上防护服并进入Fab 8车间，其规模也难以评估。纽约州奥尔巴尼森林（Albany Forest）的GlobalFoundries价值120亿美元，其中有很多排高大的“工具”机器占据了大部分。带有硅衬底的小车沿着天花板上方的导轨在天花板下涌动，就像过山车上的小小车一样。如果幸运的话，那么当您站在工具旁边时，这些手推车中的一个会下降到该工具上，并将基材推进到工艺流程的下一步，这需要三个月的时间。在这段时间里，一块像盘子一样大小的硅盘变成了适用于智能手机，PC和服务器的芯片。没错：如果您在新年的第一天开始制造微处理器，那么它将在春季开始之前准备就绪。

在制造过程中，用光敏物质对基材进行60多次涂层，然后将其爬入与光线隔离的称为“扫描仪”的盒子中。内部，在光刻过程中，激光穿过带有模板的表面，并将其缩小版本投射到基板上，从而创建在现代处理器内部创建微型晶体管和电路所需的微型特征。

在自动化的海洋中，很少有人将这些光刻机与许多其他工具区分开。上面没有闪烁的题字的大招牌：“这是关键步骤！”但是，根据Fab 8首席执行官汤姆·考菲尔德（Tom Caulfield）的说法，光刻技术“是整个工厂的脉搏。”

这些扫描仪处于摩尔定律的最前沿，这是晶体管密度的周期性倍增，这决定了45年来惊人的技术进步。数十年来，不断的突破（其中许多与光刻技术有关）使芯片制造商能够不断减少芯片数量，安抚研发周期的数量，并经济地将更多的晶体管封装到芯片中。这些发展使我们从1970年代具有数千个晶体管的芯片发展到今天的数十亿个。

但是，为了追求进步，GlobalFoundries和其他制造商将无法依靠过去的光刻技术突破。他们正在准备一项新的突破，这可能是最困难的突破之一。

在整个存在过程中，半导体光刻都是使用电磁辐射（或多或少像光）进行的。但是在新技术中，辐射是完全不同的。它被称为极紫外辐射（EUV）-但是，与现代扫描仪中使用的紫外光不同，EUV不能在空气中传播，也不能用镜头或普通镜子聚焦。

这也很难得到：首先，激光束击中了一小束锡的快速流。扫描仪使用的波长为13.5 nm的光，比今天的常规技术少10倍以上，希望最终可以通过单次打印来节省，而现在需要多次打印。

EUVL扫描仪。代替镜片，而是使用一组镜子。

但是，创建足够明亮且可靠的EUV系统，从工厂的角度来看，一年365天每天几乎每天24小时在工厂工作，这是非常困难的。 EUV多年来一直持怀疑态度，而且很多时候都没有达到预期。

但是现在，它实际上正在改变整个行业。由荷兰ASML Holding公司生产的光源的亮度已接近商业用途。 ASML提供EUV扫描仪，这些扫描仪将在2018年为大规模生产先进的微处理器和内存做好准备。先进的芯片制造商正在努力将这些机器集成到其产品线中。

赌注很高。摩尔定律面临严重的困难，没人知道去年收入3,300亿美元的半导体行业在未来5到10年的表现如何，或者摩尔定律结束后的情况如何。收入的减少可能是不可避免的。但是，例如，如果追求法律允许避免利润下降15％，则意味着该行业保留的利润是整个美国游戏行业收入的两倍。

技术的细节取决于几个因素。实现改进的主要方法之一是缩短所用光的波长。几十年来，光刻师一直在这样做，将他们的机器从可见光谱的蓝色部分转移到较短的紫外线中。

左边是使用多谱点技术时193 nm的现代技术，右边是EUV技术的承诺。显微照片中的线的最小宽度为24 nm。

在1980年代后期，半导体行业开始从水银灯转向激光，将波长从365 nm减小到248 nm。一些研究人员已经计划进入X射线区域更大的飞跃。 1986年在日本NTT工作的木下博夫（Hiroo Kinoshita）宣布了他使用11 nm辐射的想法的结果。 AT＆T贝尔实验室和劳伦斯·利弗莫尔州立实验室的其他人也独立研究了这项技术。 1989年，一些研究人员在一次会议上见面并分享了他们的知识。在随后的几年中，行业和政府机构对该研究进行了投资。

ASML与几个合作伙伴于1990年代后期开始研究EUVL。然后，在ASML总部所在地的荷兰城市Veldhoven成长的Anton van Dijsseldonk [Anton van Dijsseldonk]成为了从事该项目的公司的第一位员工。他回忆说：“他们预言了摩尔定律的终结。”半导体行业正在寻找不停止工厂工作许可增加的方法。芯片制造商还试图改善分层效果，即能够将基材重复放置在扫描仪中，并在正确的位置正确印刷一组新的掩模。 van Dijsseldonk说：“当时人们正在寻找替代品，而EUV是一种奇特的[技术]。”

但是从一开始，ASML的研究人员就坚信他们可以使这项技术付诸实践-对于制造商而言，这将是最有利可图的方法。不到10年后，该公司已经决定构建演示扫描仪，其他研究人员可以使用该扫描仪来测试该技术。

但是，在工程师试图使用X射线辐射透过面罩发光的途中，物理学开始了。在13.5 nm处，光被许多材料吸收。范·迪瑟尔登克（van Dijsseldonk）说，甚至空气都“完全黑了”并吸收了所有辐射。因此，他和他的同事几乎立即意识到扫描仪只能在真空中工作，并且每种基材都应该通过气闸进出。

还存在辐射偏转的问题。 EUV被玻璃吸收，因此有必要放弃镜片而使用镜子。而且不是简单的-碰到的第一个抛光表面不会具有必要的反射率。他们必须使用布拉格反射镜 -多层反射镜，可以将多次反射收集到足够坚固的状态。

扫描仪已准备好装运给客户。这辆车被分解成九部分。

如今，EUV机中的反射镜由40对交替的硅和钼组成，每层的厚度只有几纳米。开发反光镜的公司蔡司（Zeiss）可以高精度地制造它们。但是最后，正如范·迪瑟尔登克（van Dijsseldonk）所说，“如果您能很好地应对这一任务，那么您将得到一面反射率达70％的镜子。”这意味着每对系统镜将辐射衰减一半。扫描仪可能还需要十二面镜子，以将来自光源的光重定向到本身也是镜子的掩模，然后再重定向到基板。从初始光通过路径后，只能保留2％。

入射的光越少，基板在扫描仪中停留的时间就越长。在工厂，时间=金钱。对于商业用途，该技术必须在成本上与现有的光刻方法竞争。反射损耗必须通过光源的高亮度来补偿。而且事实证明这很难做到。

以前，研究人员想出了所有可以发射X射线的东西，包括激光和粒子加速器。但是，最终选择的方法以最经济的方式获得足够的亮度成为可能，该方法涉及等离子体的使用。如果将所需的材料暴露在足够强大的激光或电流下，则可以将电子与原子分离。产生的等离子体将发射EUV，并且加热的物质将冷却。

当使用等离子，来自光源的光进入扫描仪时，其功率为250瓦。该光量将使机器每小时处理约125个基板。该数量处于批量生产所需数量的水平，并且与以193 nm运行的现代机器相比不到一半。

但是在此之前的许多年里，进展缓慢，光亮度的增加还没有达到预期的水平。到2011年，即ASML的第一台测试扫描仪问世五年之后，领先的光源开发人员之一Cymer就能够创建持续输出11瓦功率的光源。 “我们低估了与此任务相关的挑战，” ASML的市场经理Hans Meiling说。结果，ASML在2013年以31亿欧元收购了Cymer。

激光用于创建EUV Cymer源。每秒有50,000滴超纯锡的微滴冲入真空室，并且每一个都被二氧化碳激光照亮，该二氧化碳激光已经通过了几个最初设计用于金属切割的放大器。当激光脉冲遇到液滴时，它将加热到等离子体状态并发射EUV。收集镜反射光并将其发送到扫描仪。为了使锡的残留物不会堆积在镜子上，它会不断被氢气吹扫。

“当我第一次听说它时，我认为它有点疯狂。” 2013年加入EUV研发工作的Alberto Pirati承认。但是团队一点一点地实现了几乎不可能的事情。突破之一是由于Cymer在收购之前开发的技术。他们发现，如果在主激光器前面施加预备脉冲，则锡的每一滴都被压扁成圆盘，因此与主激光器脉冲相互作用的表面积增加了。这项技术将血浆到EUV的转化率从1％提高到5％。由于她和其他优化措施，该公司在年初开始宣布实现200瓦的功率。另一个光源开发商Gigaphoton也报告了巨大的进步。期待已久的250瓦电源即将来临。为了对技术进行大规模生产准备的真实测试，它们将在ASML的客户实验室中进行。

毫无疑问，EUV机器具有出色的功能。在半导体会议上，您一定会找到演示文稿，其中包含用EUV制成的掩模的显微照片，并将其与通过现有方法获得的模糊掩模进行比较。

问题是EUV在大规模生产中将扮演什么角色，以及何时。切换到它的成本令人沮丧。 ASML的一个新单元的价格超过1亿欧元，是193 nm扫描仪价格的两倍。它可以与公共汽车的大小相媲美，并且需要747的几次飞行才能交付。它可以消耗约1.5 MW的能量，这比193 nm的机器要多得多。

锡滴的演变。第一个脉冲变平，第二个脉冲变为等离子体。

但是，简单地比较规格并不能反映出整个生产成本。当今的193 nm光刻系统可以生产尺寸仅为该波长几分之一的芯片。这要归功于两个突破。首先是浸没式光刻，它将水放在硅基板和投影光学器件之间。第二个是多图案，将创建图层的过程分为几个步骤。例如，要创建几个紧密间隔的孔，可以先通过扫描仪驱动基板，该扫描仪创建一半的孔，然后第二次以稍有偏移的方式生成后一半。由于基片的位置是高精度确定的，因此工程师可以单次创建无法创建的属性。并且使用的步骤越多，细节越小。但是，每个步骤都会使生产过程复杂化并增加生产成本。

现在，GlobalFoundries使用三重图案制造14nm芯片，并且最先进的芯片是在Fab 8中创建的。这意味着，对于特别重要的层，该芯片必须通过扫描仪以及创建该层的所有其他工具进行两次额外的扫描。该公司预计将切换到具有7 nm细节的四重图案-技术评估项目经理George Gomba说。

到目前为止，GlobalFoundries预计到2018年将在不使用EUV的情况下将其应用于7 nm技术，但是当后者准备就绪时，它不会拒绝它。关键问题是EUV的成本至少等于倍增。答案很难回答，因为答案取决于几个未知因素，包括EUV光源的亮度以及基于EUV的整个技术的连续运行的可能性。

光源示意图

但是，不仅GlobalFoundries和IBM也在投资EUV。 2012年，英特尔，三星和台湾制造商台湾积体电路制造有限公司。（TSMC）在ASML进行的新一代光刻研究中总共投资了13.8亿欧元（与此同时，该公司通过股票筹集了3.85欧元）。 Meiling表示，该公司拥有约4,000名员工，其中不包括为主要芯片制造商工作的研究人员和独立从事该技术的研究机构。

所有这些投资之所以发生，不仅是因为EUV技术复杂，而且还因为制造商了解到，没有它，他们将无法继续前进。台积电（TSMC）负责EUV光刻技术开发的Anthony Yen直接谈到EUV对于摩尔的实施至关重要：“这是100％至关重要的。非常非常重要。”台积电的专家将于2020年开始使用EUV，届时该公司将开始使用5 nm技术生产芯片。

仍然存在技术困难。最重要的是掩模的保护，即将在基板上印刷的模板表面。这再次提出了反射率的问题。

在使用193 nm技术的机器中，掩模被称为pelicula [pelicula（Spanish）-film]的薄膜保护，该薄膜以包装方式从薄膜上拉短一段距离。使用当前的技术，落在模具上的肉眼看不见的斑点会毁坏数百个晶体管。但是，如果它落在防护膜上，它将失去焦点并且不会妨碍在基材上形成图案。

但是这些防护膜对13.5 nm的光不透明。 ASML希望构建无胶片扫描仪，但是制造商对这种方法的缺点感到停滞。日元说：“如果有一个颗粒落在掩模上，那么所有的基板都会被损坏。通常，您可以保持零输出。”几个月的工作和成千上万的美元被浪费了。

因此，ASML正在研究制造可以承受EUV辐射的防护膜的问题。而且必须透明，这更加困难。由于EUV遮罩不是透明的而是反射性的，因此光线必须两次穿过防护膜-向内和向外。

潜在客户希望克服的其他困难。例如，必须找到制造没有缺陷的掩模的能力，以及检查掩模中是否没有缺陷的能力。或光致抗蚀剂-覆盖基材的光敏层，从模板复制图案。

现代的化学增强电阻器是由分子的聚合物链制成的，这些聚合物链会增加入射光子的作用。但是，正如EUV Resist初创公司Inpria的首席执行官Andrew Grenville解释的那样，这些材料不能很好地吸收EUV。而且，随着光放大反应穿透材料，捕获的图像略微模糊。为了产生清晰的轮廓，“需要更小，更稳定的组件，”格伦维尔说。 Inpria正在研究一种小的氧化锡成分的抗蚀剂，该抗蚀剂的EUV吸收能力提高了五倍，并且无需放大即可产生图案。

工程师会设法暂时或永久地遵守摩尔定律吗？光刻专家克里斯·麦克（Chris Mack）怀疑所有拼图碎片能否在2018年之前组装好。计划下一代芯片的生产需要几年时间。他说，誓言在未来几年内使用EUV技术是非常冒险的。

马克（Mack）是著名的EUV怀疑论者，他曾经在其Lotus Elise跑车上使技术失败，但他承认充满希望。制造商试图保持对小型化和生产成本的控制。成功产生芯片之间的间隔延长了，并且芯片的尺寸没有像以前那样积极地减小。这些问题可以为EUV技术开辟道路，他说：“摩尔定律的这种放缓确实有可能给EUV足够的时间。”

在价值增加抑制摩尔定律之前有足够的时间。麦克说，EUV可以达到可用于生产的状态，从而降低成本。但他说，到那时，下一代芯片的总成本可能已经过高，而计算速度的提高可能不足以吸引制造商。麦克说，旧芯片的生产被推迟了更长的时间：“我认为市场将分为许多从事非常不同领域的公司。”

正如过去发生的那样，摩尔定律的命运不仅取决于小规模印刷的能力，还取决于物理学家和工程师将在多大程度上改善最终的晶体管和电路。当人类最伟大的技术冠军竞赛结束时，即使是基于锡滴的大量等离子闪烁序列也不会发光。但这也可以点亮我们的未来之路。

领先的芯片制造商关注深紫外光刻

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