半導體細微化（Scaling）是目前半導體行業(yè)最熱門的話題之一。隨著DRAM等的芯片元器件在內(nèi)的大部分電子元器件和存儲單元趨于超小型化，對于高度集成技術的需求也逐漸提高，超小型芯片將可以儲存并快速處理天文數(shù)字般的數(shù)據(jù)量。
如今，半導體細微化（Scaling）最為核心的是新一代曝光技術——極紫外光刻（Extreme Ultra Violet，簡稱EUV）技術?，F(xiàn)在，SK海力士正致力于實現(xiàn)新一代DRAM的量產(chǎn)化，并已在韓國利川正式開工新建一座尖端的儲存類半導體工廠“M16”。這座全新工廠將為EUV光刻工藝開設單獨廠間。
“摩爾定律（Moore’s Law）已經(jīng)終結(jié)” 半導體細微化技術陷入瓶頸
半導體細微化已進入10納米時代，之前的“多重成像（Multi Patterning）”技術已不再奏效。因為，在10納米級芯片制程中，之前的氟化氬曝光技術（Argon Fluoride, 簡稱ArF ）已經(jīng)陷入瓶頸。迄今為止，半導體行業(yè)一直遵循每隔24個月芯片集成度翻一番的“摩爾定律”。然而，如今隨著光刻工藝難度越來越高，曾經(jīng)輝煌沿用的摩爾定律也終將被淘汰。
光刻工藝是用激光在晶圓上繪制超微電路的半導體制造流程之一，其電路圖案轉(zhuǎn)移到晶圓的過程與傳統(tǒng)相片的制作過程類似，故“光刻工藝”的英文有“Photo”一詞?！肮饪谭ǎ≒hotolithography）”是一種圖案轉(zhuǎn)移及復印技術，通過把光照射在包含電路圖形信息并預制成金屬圖案的掩膜版（Mask）或原裝玻璃板上，從而實現(xiàn)將出現(xiàn)的影子復制轉(zhuǎn)移到晶圓上。這種在晶圓上形成預設計的圖案為半導體制造的關鍵工藝。在此過程中，電路圖案的細微程度是半導體技術競爭力的決定性因素。
“細微化（Scaling）”，即縮小半導體電路晶體管器件電門的長度的，一直被視作業(yè)界最為重要的課題。晶體管電門就如同一座連接源級和漏級的橋梁，是調(diào)節(jié)電流的閥門。因此，電門長度越短，從源極流向漏極的電子數(shù)量也就越大，電路運行速度也相應越快。
近年以來，半導體曝光設備進展迅速，均使用帶有高數(shù)值孔徑（numerical aperture，簡稱NA）的較大透鏡或短波光源。但當柵極長度縮小到30納米以下后，現(xiàn)有的液體浸沒式氟化氬曝光設備（ArF）將會達到極限。到18納米的DRAM芯片采用的是多重成像技術，但這會造成工序增加、生產(chǎn)率下降、材料費上升的問題，從而導致成本上升。當處理工序數(shù)量多達500-600道時，可見該技術已走到了盡頭。解決這一問題的唯一辦法取決于短波光，利用更加“纖細的筆觸”精細地繪制電路。
EUV成為救星
為了順應10納米時代對工藝的要求，半導體行業(yè)孕育了全新半導體曝光技術——EUV。EUV設備由荷蘭ASML公司獨家生產(chǎn)，每臺設備約為0.81-1.22億美元。EUV的光波長為13.5納米，大大小于之前的氟化氬（ArF）激光波長（193納米），可在不多重成像的情況下繪制更加細微的半導體電路。而且這項技術還能簡化成像工藝流程，因此目前被視為唯一的突破口。除此之外，EUV相較于目前的四重構圖（Quadruple Patterning Technique，簡稱QPT）等多重成像技術，大幅度縮短了制造時間。
然而，在DRAM芯片采用EUV技術是一項難度極高的工藝，這往往需要最高端的技術支持。也正因如此，業(yè)界正在密切關注首批基于EUV技術的DRAM量產(chǎn)投入產(chǎn)出效率。據(jù)預測，到2020年，EUV技術將部分適用于1Y納米級以下的DRAM芯片中。
關鍵在于攻克EUV工藝的技術難關
攻克EUV工藝的技術難關對于行業(yè)未來至關重要。EUV具有被包括氣體在內(nèi)的大部分物質(zhì)吸收的特性。為此，開發(fā)與整個曝光工藝流程相關的新技術，包括全新的掩膜版（Mask）、光阻（Photoresist）和光學系統(tǒng)等，成為了一項必不可少的前提條件。此外，我們還需要開發(fā)無缺陷的掩膜版和新的掩膜版檢測設備。
擴大每小時晶圓產(chǎn)量（wafer per hour，簡稱WPH）也是業(yè)界內(nèi)一大重要挑戰(zhàn)。ASML公司的每小時晶圓產(chǎn)量于2018年達到125張目標，并計劃將在2020年達到155張。而在光源功率方面，根據(jù)DRAM廠商的測試結(jié)果顯示，該公司已達到250瓦。同時，一些半導體廠商從ASML公司引進EUV設備后已經(jīng)投入開發(fā)相關工藝，正處于各項設備的開發(fā)和測試階段。業(yè)界則在積極研發(fā)下一代曝光技術—高數(shù)值孔徑工藝，這項技術或?qū)?shù)值孔徑從目前開發(fā)中的0.33NA增加到0.55NA。
一名半導體業(yè)內(nèi)人士透露：“EUV曝光技術要想投入量產(chǎn)，我們在保證有曝光機內(nèi)部硬件、光源、光阻（Photoresist）、掩膜版膜（Pellicle）的制造技術的同時，還必須要有零缺陷的EUV掩膜版制作技術”。他還強調(diào)：“業(yè)界正在研究各種檢測EUV掩膜版內(nèi)部缺陷的技術，為了改善檢測器的分辨率，我們對于更短的光源波長和更高的數(shù)值孔徑的要求也至關重要?！?/p>