參觀格羅方德位于紐約Malta鎮(zhèn)的晶圓廠Fab8的時(shí)候，有人對(duì)我說(shuō)“代工廠簡(jiǎn)直跟冰山似的”，我不知道那是誰(shuí)說(shuō)的，因?yàn)楫?dāng)時(shí)大家都全副武裝地穿著無(wú)塵服，不過(guò)那次拜訪確實(shí)進(jìn)一步驗(yàn)證了這一比喻。

我們才參觀了Fab8的“子工廠”，那是一處位于地面下10米的區(qū)域，水管和電纜像蛇一樣纏繞著一臺(tái)臺(tái)半導(dǎo)體制造設(shè)備，并分別連接著設(shè)備上的自動(dòng)化學(xué)處理器、水質(zhì)分析儀、電源調(diào)節(jié)器，以及千瓦級(jí)的激光器。

每臺(tái)設(shè)備大約占據(jù)80平米的面積，而其中激光系統(tǒng)就占到15到20平米。

組成冰山頂部的設(shè)備是一塊房子大小的塊狀物，由金屬管及不透明的房間和電纜組成，完成頂部的組裝大約需要三周的時(shí)間，而完成所用項(xiàng)目的組裝則需要約6周的時(shí)間。

6個(gè)身著兔子形狀車間服的技術(shù)人員在這個(gè)龐然大物里移動(dòng)，十分仔細(xì)地對(duì)內(nèi)部程序進(jìn)行檢查和處理。

這一備受矚目的設(shè)備就是極紫外線光刻（EUV）設(shè)備。

十多年來(lái)，半導(dǎo)體制造行業(yè)一方面一直在期待EUV能夠拯救摩爾定律，但另一方面又擔(dān)心該技術(shù)永遠(yuǎn)都不會(huì)出現(xiàn)。不過(guò)最終，它還是來(lái)了，而且不久便將投入使用。

三星是第一個(gè)聲稱將使用EUV工具生產(chǎn)芯片的公司，并稱將在2018年下半年投入使用。

但其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手格羅方德、臺(tái)積電和英特爾顯然也打算在接下來(lái)的一個(gè)或兩個(gè)季度內(nèi)運(yùn)用這一技術(shù)。

英特爾并未透露任何路線圖信息，但其通過(guò)一位發(fā)言人表示，“一旦這項(xiàng)技術(shù)以有效的成本準(zhǔn)備就緒，我們將致力于把EUV投入生產(chǎn)。”研究指出，英特爾已經(jīng)購(gòu)買了比任何其他公司更多的EUV設(shè)備。

相較于英特爾，格羅方德，三星和臺(tái)積電則顯得更加先聲奪人，三方的腳步似乎一致，都將在新版7nm制程引入EUV。

而在此之前，他們將使用Pre-EUV技術(shù)運(yùn)行長(zhǎng)達(dá)一年的時(shí)間。

很明顯，不管是7nm制程還是EUV都是芯片制造上的難題。格羅方德的首席技術(shù)官Gary Patton介紹，即使沒(méi)有EUV，7nm制程也可稱之為“極限運(yùn)動(dòng)”。

如果一切順利，而且代工廠可讓EUV工具的運(yùn)行時(shí)間達(dá)到其使用壽命的80%甚至更多——格羅方德和臺(tái)積電均表示他們能夠做到這一點(diǎn)——那么EUV實(shí)際上可以使7nm工藝變得更簡(jiǎn)單而且更便宜。不過(guò)，要了解其中緣由，必須先弄清楚如今的芯片制造過(guò)程。 

“光刻是晶圓廠的心臟。”格羅方德Fab8的高級(jí)副總裁兼總經(jīng)理Thomas Caulfield表示。硅晶片在從空白硅片到塞滿130億個(gè)晶體管的過(guò)程中，需要經(jīng)過(guò)很多個(gè)步驟，而其中很多步驟都需要經(jīng)過(guò)光刻工藝。

當(dāng)今最先進(jìn)的光刻技術(shù)為193nm浸沒(méi)式光刻。顧名思義，波長(zhǎng)193nm的光通過(guò)照射將掩膜版上的圖案印在硅片表面的光刻膠上，在經(jīng)過(guò)刻蝕等步驟將圖案刻蝕到晶圓片上。

問(wèn)題在于，光不能直接限定小于自己波長(zhǎng)的特征。193 nm的長(zhǎng)度比現(xiàn)代芯片所需的尺寸要長(zhǎng)得多，需要大量的光學(xué)技巧和工作來(lái)彌補(bǔ)這一差異。

其中最昂貴的部分是，得使用多達(dá)三個(gè)甚至四個(gè)不同的光掩膜在一個(gè)芯片上制作單一的圖案。就如今最復(fù)雜的處理器而言，這意味著一片硅片可能大約需要在光刻工藝循環(huán)80趟。

EUV光刻技術(shù)存在的原因是它使用了13.5納米光，這一尺寸更接近最終打印特征。有了它，制造商可以將三或四個(gè)光刻步驟融合成一個(gè)。對(duì)于其7 nm的EUV工藝，格羅方德將用5步取代15步。而臺(tái)積電的光刻設(shè)備和光掩膜技術(shù)總監(jiān)John Lin表示，他的公司也計(jì)劃進(jìn)行類似的削減。

EUV技術(shù)在使7納米工藝更快更便宜的同時(shí)，也適用于5nm制程。“如果5nm工藝中不使用EUV，那么它將需要100多個(gè)光刻步驟，”Patton說(shuō)道，“那真是太瘋狂了。”

Patton的話聽(tīng)起來(lái)就像EUV光刻技術(shù)來(lái)的正是時(shí)候，而且在某種程度上，它已經(jīng)來(lái)了。但這是一段長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的旅程，很多時(shí)候，專家們都宣稱它已經(jīng)死了。而且即便是現(xiàn)在，有些觀察人士依然認(rèn)為EUV能應(yīng)用于生產(chǎn)有些不可思議。

研究認(rèn)為，EUV現(xiàn)在才出現(xiàn)沒(méi)什么好驚訝的。他說(shuō)：“核心技術(shù)的到來(lái)比任何人期望的都要長(zhǎng)得多。”盡管光刻技術(shù)會(huì)使用不同的光源，但是他認(rèn)為，自上世紀(jì)80年代以來(lái)，該技術(shù)出現(xiàn)這種根本性的變化還是頭一次。

在EUV的大部分歷史中，主要的問(wèn)題是光源，考慮到光源的復(fù)雜性，這也不是什么奇怪的事。在機(jī)器一端的真空室中，熔化的錫滴下微小的液滴，而隨著兩個(gè)激光脈沖依次對(duì)它們進(jìn)行沖擊，這些液滴會(huì)在一個(gè)氣流中燃燒。第一個(gè)激光脈沖撞擊得十分精確，使液滴變成霧狀的圓盤。第二個(gè)激光脈沖則猛地撞爆水滴，使液滴成為閃耀EUV光的等離子體小球。

光源開(kāi)發(fā)人員多年來(lái)一直無(wú)法提供所需的電力，而且他們一直承諾過(guò)高，但又交付不足。但是現(xiàn)在對(duì)光源的擔(dān)憂已經(jīng)基本消除了?？奢敵?05瓦的光源已經(jīng)找到了，并且ASML也已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了250瓦的可靠性，臺(tái)積電的John Lin表示，“我們有信心，ASML將在2018年實(shí)現(xiàn)250瓦。”

大多數(shù)光在通過(guò)機(jī)器時(shí)會(huì)在多層反射器旅行中迷路，即便這樣，功率也能滿足5納米節(jié)點(diǎn)的要求。不過(guò)對(duì)于3 nm節(jié)點(diǎn)而言，分析師認(rèn)為可能需要500瓦的功率，而1nm則甚至需要1000瓦的功率。前者是通過(guò)增加驅(qū)動(dòng)激光器的功率，提高激光能量到EUV的效率，并提高穩(wěn)定性而實(shí)現(xiàn)的。后者則需要異乎尋常的能量。我在格羅方德的晶圓廠看到的EUV工具及其相關(guān)的驅(qū)動(dòng)激光器和其他設(shè)備獲得約1兆瓦的功能，最終也只能為晶圓提供幾十瓦的光功率。Caulfield告訴我，他們不得不為Fab 8增加10%的電源供應(yīng)以滿足兩臺(tái)正在安裝的EUV設(shè)備。

雖然電源的挑戰(zhàn)現(xiàn)在已經(jīng)基本上克服了，但這并不是說(shuō)EUV光刻技術(shù)已經(jīng)能完美地工作了。實(shí)際上光掩膜還存在一些問(wèn)題。這些EUV掩膜與應(yīng)用于193nm光刻技術(shù)的掩膜具有很大的差異，因?yàn)樗鼈兪褂脦资N由不同材料組成的納米層來(lái)反射光，而不是透射光。實(shí)際上它們有一些很難發(fā)現(xiàn)和避免的缺陷。此外，通常保護(hù)光刻掩膜不受灰塵污染的透明罩--即薄膜--還沒(méi)有為EUV做好充分的準(zhǔn)備。

薄膜非常重要，因?yàn)榧词故窃诔艿沫h(huán)境中--這臺(tái)機(jī)器本身就在一間最高級(jí)的潔凈室--在制造過(guò)程中仍然會(huì)產(chǎn)生一些灰塵。一個(gè)掉在光掩膜上的斑點(diǎn)，可能在每一個(gè)完成的芯片上投下一個(gè)足以毀壞設(shè)備的陰影，并讓一個(gè)相當(dāng)昂貴的掩膜變得毫無(wú)價(jià)值。

這就是為什么如今的光刻工具中，光掩膜上會(huì)附上透明薄膜，后者相當(dāng)于前者的安全眼鏡。但這些的薄膜對(duì)EUV是不透明的。

要為EUV工作，薄膜必須具有超薄隔膜來(lái)使其透明，而同時(shí)必須足夠牢固，能夠承受來(lái)自光掩膜和普通掃描運(yùn)動(dòng)的機(jī)械沖擊，以及高能EUV輻射爆炸所帶來(lái)的熱量沖擊。

即便沒(méi)有令人滿意的薄膜，芯片制造商們也還抱著賭一把的心態(tài)，他們認(rèn)為只要能減少EUV步驟，使用裸露掩膜的風(fēng)險(xiǎn)也是值得的。一旦電子芯片制造商開(kāi)始越來(lái)越依靠EUV，而又未能找到滿意的透明薄膜的時(shí)候，這種方式就行不通了。ASML已對(duì)運(yùn)用250瓦EUV光源的設(shè)計(jì)進(jìn)行了測(cè)試。“必須改進(jìn)薄膜的設(shè)計(jì)，”EUV顧問(wèn)Vivek Bakshi表示，“我認(rèn)為EUV不是一個(gè)攪局者。”

更嚴(yán)重的問(wèn)題是，現(xiàn)如今仍然沒(méi)有能解決掩膜缺陷的好方法。理想的情況是，你能使用EUV光來(lái)掃描需要修復(fù)的點(diǎn)。但是，這種被稱為光圖案掩膜檢查的技術(shù)仍在探索中（盡管三星表示已經(jīng)開(kāi)發(fā)了內(nèi)部解決方案）。

現(xiàn)在所有的芯片制造商有的都只是權(quán)宜之計(jì)。一種是使用基于193 nm光的現(xiàn)有工具。但是在7nm的技術(shù)節(jié)點(diǎn)上，使用這么大的波長(zhǎng)就像用手肘來(lái)讀盲文一樣：也不是說(shuō)不可以，但是你可能會(huì)錯(cuò)過(guò)一些東西。電子束檢測(cè)工具雖然有分辨率，但可能會(huì)比較耗時(shí)。ASML最近推出了第一個(gè)電子束檢測(cè)工具。

另一種就是芯片制造商們所謂的“打印檢查”。也就是把掩膜貼在極紫外線光刻設(shè)備上，制造出一個(gè)圖案化的硅片，并檢查硅片本身。此方法需要的時(shí)間更長(zhǎng)，也更昂貴。

盡管如此，芯片制造商仍在向前邁進(jìn)。電子束技術(shù)公司D2S的首席執(zhí)行官Aki Fujimura和另一名相關(guān)技術(shù)專家表示：“EUV的使用者們正在定義它的用途，這樣那些東西就不會(huì)妨礙我們。

技術(shù)專家預(yù)計(jì)，聰明的工程師們很快就會(huì)解決這一問(wèn)題及其他EUV光刻技術(shù)遺留的問(wèn)題。事實(shí)上，不同芯片制造商之間的較量可能就在于他們能不能找到能勝任這項(xiàng)工作的工程師。Patton說(shuō)，“我們把所有的錢都花在工具上，但是如果沒(méi)有合適的人，我們還是做不了。”（編譯：Tessa）

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