延期多年，EUV光刻機終於準備好了

在日前舉辦的2017年Q4法說會上，台積電透露，其極紫外光光刻機（extreme ultraviolet lithography: ，簡稱EUV光刻機）產能已經取得了較大的進步，目前已經將其電源功率提高到160W，助力7nm和5nm製造，而250瓦EUV也已經安裝到位。

EUV光刻機的唯一供應商ASML在2017年度Semicon West半導體設備展上也表示，250瓦的EUV光源也萬事俱備。公司2017年財報中也強調，其EUV光刻機滿足了125WPH（每小時生產125片晶圓）的性能規格。那就意味著最初計劃在2004年推出的EUV光刻機，在延誤了十三年之後，終於準備好了。

過去幾十年，半導體產業在摩爾定律的指導下獲得了高速的發展，為了滿足摩爾定律「同等面積晶元集成的晶體管數每18個月翻一番」的要求，晶圓廠一直在推動工藝製程的更新。但隨著節點的演進，產業界普遍認為傳統的光刻將會在65nm或者45nm的時候遭受到障礙，為此他們尋找新的解決辦法，EUV就是他們的主要選擇。

所謂EUV，是指波長為13.5nm的光。相比於現在主流光刻機用的193nm光源，新的EUV光源能給矽片刻下更小的溝道，從而能實現在晶元上集成更多的晶體管，進而提高晶元性能，繼續延續摩爾定律。不過在之前推進EUV光刻機的過程中，碰到各種各種各樣的問題，EUV光刻機商用的時間也一拖再拖，業界在EUV的研發投入保守估計也超過了200億美金，發光源功率是造成EUV光刻機遲遲不能商用的最主要原因。

在EUV光刻機工作過程中，需要電源將等離子體轉換成13.5nm波長的光線，之後再經過鏡子的幾重反射，再打落到晶圓上。但是之前的電源並不能給EUV提供足夠的功率，進而滿足經濟可行性。這就首先要了解對EUV光刻機的要求：

簡單來說，引入EUV光刻機的工作目標，就是把原來傳統光刻的雙層pattering簡化成一層EUV完成，進而降低光罩的層數，降低生產複雜度。而為了達到現有的傳統光刻機250到270WPH的生產效率，那麼來到EUV光刻機，那麼至少需要125WPH的效率，才能達到COO（cost of ownership）和OEE（overall equipment efficiency），這就對光源提出250瓦的要求。但知道2012年，EUV光刻機的唯一供應商ASML只是實現了25瓦的光源。

為了加速光源的發展，他們在2012年斥資25億美元收購了世界領先的準分子激光源提供商Cymer。從全球領先的專利查詢平台智慧芽上了解到， Cymer是一家專註於激光、X射線及深紫外光源的企業。收購Cymer，讓ASML直接從源頭上獲得了其發展中至關重要的光刻機光源技術。進而加速了EUV光刻機的發展。

據介紹，Cymer 使用了一種叫做「激光等離子體」的方法，這種方法是在一個真空腔體中，用源自金屬切割技術的放大器，產生強大的二氧化碳激光，通過腔體，照射一束每秒被發射出5萬滴的超純錫液滴。當激光脈衝照射到錫液滴時，液滴會被加熱成等離子體併產生EUV射線。接著，一個反射鏡收集器將該過程產生的光線反射到光刻機中。

在這個方法的基礎上，ASML和Cymer持續改進，並在2016年達到200瓦的功率，到2017年下半年，終於實現了250瓦的光源和125WPH的效率，那就意味著EUV光刻機的商用指日可待。

隨著HPC和智能手機的發展，對晶元性能的要求越來越高，設計廠商對先進工藝的需求也隨之高漲，在台積電Q4法說會，台積電錶示已經有了50個7nm客戶，就是最好的證明。面對這個市場，正如文章開頭所說，晶圓代工廠們需要將目光投向EUV光刻機尋求幫助。2017年5月剛從三星集團獨立出來的三星晶圓廠就是當中最為激進的一個。

三星方面表示，他們是業內最早宣布將會使用EUV光刻機進行7nm晶元生產的廠商。按照三星的說法，他們將會在2018年下半年提供相關服務；至於TSMC，根據供應鏈相關人士透露，台積電將會在二季度末開始上馬7nm生產，但是第一代7nm將會使用傳統光刻。台積電方面表示，要到2019年的7nm plus才會引入EUV；格芯也同樣打算在2018年推出7nm工藝，但是和台積電一樣，這時還是用傳統光刻，他們計划到2019年才引入EUV。至於IDM巨頭Intel，他們對其先進工藝和EUV的進展秘而不談，但是據公開消息顯示，他們所購買的EUV光刻機比任何其他公司都多。

EUV光刻機無疑是未來的大勢所趨。

格芯首席技術官Gary Patton表示，如果在5nm的時候沒有使用EUV光刻機，那麼光刻的步驟將會超過100步，這會讓人瘋狂。所以所EUV光刻機無疑是未來5nm和3nm晶元的最重要生產工具，未來圍繞EUV光刻機的爭奪戰將會變得異常激烈。因為這是決定這些廠商未來在先進工藝市場競爭的關鍵。

媒體報道，台積電在2017年初一口氣訂購了五台EUV光刻機；韓媒BusinessKorea在十月也表示，三星有意購買10台EUV光刻機。關於格芯和Intel光刻機的具體購買數目沒有看到報道。但從S和T兩家看來，他們正在大手筆囤貨。但是ASML在EUV光刻機上面的產能不大，這可能會加劇了爭奪。

據ASML的年報得知，2016年，他們總共才出貨了四台EUV光刻機，2017年則交付了10套EUV系統。而從媒體報道中我們得知，2018年，ASML的EUV光刻機產量可以達到24台，但這些訂單都已經被搶購一空。但到2019年，ASML會將其產能提高到40台，這會大大緩解EUV光刻機的供應壓力。

在基本克服了250W光源這個難題之後，ASML對晶圓廠客戶有了一個基本的交代，但是對於EUV光刻機系統來說，仍然有一些問題需要被解決的。

首先就是光罩問題；

據介紹，EUV所用的光罩和193nm浸沒式光刻的光罩完全不同，它們由使用了數十種不同材料的納米層組成。根據數據調查顯示，過去12個月來，光罩製造商已經製作了1041個EUV光罩，光罩良率目前僅為64.3%。但同期間曝光的主流的光罩數達到46萬2792個，平均良率高達94.8%。因此如何提升光罩良率和成本問題，就成為他們考慮的首要問題。

其次EUV薄膜問題也不能忽略；

雖然現在EUV設備都是處於超潔凈環境中，但是在製造過程中，灰塵是無可避免地產生的。如果有一點回城掉到光罩上，則會造成很大的損失。現在主流光罩的薄膜是透明的，能夠經受得起考驗，但是目前的EUV薄膜是不透明的，那就需要超薄型的薄膜去製造透明的EUV薄膜，能夠抵擋EUV光刻機的震蕩和相關干擾對光罩造成的影響。

還有一個重要的問題是目前沒有很好的方法去檢測光罩的缺陷；

理想情況下，你可以用EUV光去掃描那些需要修補的點。但這個被稱為actinic patterned-mask inspection的技術依然還在研究當中，所以所有的晶元製造商目前在光罩檢測上也只能用權宜之計：有些廠商使用193nm光刻的那些工具。但是來到7nm，用193nm的方法無異於緣木求魚。因為方法雖然相同，但是你總會錯過一些東西。晶元製造商也使用一個叫做「print check」的技術去檢查晶圓，但這個方法在時間和金錢成本都很高，並不能讓人接受。

對ASML來說，未來還需要解決一個光源問題。

目前的250W光源應用在7nm甚至5nm都是沒問題的，但到了3nm，對光源的功率需求將會達到500W，到了1nm的時候，光源功率要求甚至達到了1KW，這也不會是一個容易的問題。

讓我期待一些聰明的工程師幫我們解決這些問題。

文/半導體行業觀察 李壽鵬