EUV光刻技術(shù)仍需克服的三個(gè)缺點(diǎn)

光刻技術(shù)是指在光照作用下，借助光致抗蝕劑（又名光刻膠）將掩膜版上的圖形轉移到基片上的技術(shù)。其主要過(guò)程為：首先紫外光通過(guò)掩膜版照射到附有一層光刻膠薄膜的基片表面，引起曝光區域的光刻膠發(fā)生化學(xué)反應；再通過(guò)顯影技術(shù)溶解去除曝光區域或未曝光區域的光刻膠（前者稱(chēng)正性光刻膠，后者稱(chēng)負性光刻膠），使掩膜版上的圖形被復制到光刻膠薄膜上；最后利用刻蝕技術(shù)將圖形轉移到基片上。

想要了解光刻技術(shù)對半導體供需穩定將會(huì )產(chǎn)生什么樣的影響，首先要了解的是大家經(jīng)常聽(tīng)到的 14 納米 DRAM、4 納米應用處理器等用語(yǔ)，要先說(shuō)明納米是什么意思，以及納米前面的數字降低（精細制程轉換）究竟意味著(zhù)什么。

所謂的幾納米，指的是晶圓上的電路最細能做到多細，所謂 14 納米，是指 DRAM 設計時(shí)，最小電路寬度（Design Rule）定為 14 納米，而納米是指十億分之一米，這樣馬上就能知道 14 納米 DRAM 的最細線(xiàn)寬是多少。但 14 納米 DRAM 并非意味著(zhù)所有電路都是 14 納米寬，除了最重要的部分以外，其余部分設計上會(huì )有不同寬度的線(xiàn)路。而這就是即使相同 14 納米 DRAM，各企業(yè)芯片大小也不同的原因。

從 16 納米 DRAM 到 14 納米 DRAM，最小電路寬度及周?chē)娐穼挾茸兗毜脑?huà)，DRAM 的芯片尺寸自然會(huì )變小。這種制程被稱(chēng)為精細制程轉換，最近在精細制程的每一代中，芯片約變小 20% 左右的水準。這句話(huà)的意思是，如果進(jìn)行精細制程轉換，同一 12 英寸晶圓生產(chǎn)的半導體量將增加 20% 左右，即降低納米數字（精細制程轉換），是為了增加產(chǎn)量，降低成本。

目前光刻設備的主要光刻機是 ArF Immersion，這是以水為介質(zhì)，利用光線(xiàn)透水時(shí)出現的折射現象的設備。該設備在生產(chǎn) 35 納米上一代 DRAM 時(shí)，即使是半導體電路中最細微的部分，也可以用一道光罩，一下就刻出更精密的電路。

隨著(zhù)精細化到 30 納米級以下，該設備無(wú)法一次性拍攝出最重要的部分電路圖案。事實(shí)上，ArF Emergion 設備的極限是 35 納米。因此半導體企業(yè)針對最精細的部分，設計出一種方式是將電路分為兩個(gè)，因為線(xiàn)寬之間的間距越來(lái)越窄，單次曝光已不足以應付線(xiàn)寬縮小所需，于是便將曝光分為兩次，這種方式叫做雙重曝光（Double Patterning）。

使用 EUV 設備的話(huà)，理論上可以解決雙重等多重曝光精細制程的缺點(diǎn)，也就是可以自然解決生產(chǎn)力減少和投入與產(chǎn)出的下跌問(wèn)題。最精細的電路部分也可以使用一道光罩一次刻出來(lái)，也就是說(shuō)總制程循環(huán)次數可以減少，也不會(huì )發(fā)生邊緣位置誤差。但實(shí)際上即使在使用 EUV 設備的 1A 納米之后，DRAM 的低生產(chǎn)成長(cháng)率仍未獲得解決，情況反而更加惡化，其理由如下：

第一，EUV 設備的性?xún)r(jià)比低，對比于 ArF Emergion 設備只有十分之一的水準。不過(guò)目前使用 EUV 設備是克服日益惡化的多重曝光缺點(diǎn)的必然選擇，并非因為 EUV 設備的生產(chǎn)率好才如此。

第二，因為目前還處于引進(jìn)初期，EUV 光刻技術(shù)也仍然存在技術(shù)的困難點(diǎn)。不僅 EUV 設備自身硬體上的問(wèn)題仍有很大改進(jìn)空間，相關(guān)零部件、材料也存在諸多難題（參考下圖）。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，為了正式引進(jìn) EUV 設備，需要由多層透鏡和曝光吸收層（Absorber）組成的無(wú)缺陷光罩，還需要超薄膜、高強度、高均勻透射率的光罩護膜（Pellicle）以及高解析度、低照射劑量（Dose）、低氣體釋放度、平滑線(xiàn)條邊緣（Edge）的光阻劑。

另外，最重要的是基于更短的曝光波長(cháng)、真空環(huán)境和超精細圖案，EUV 需要具有高難度的良率管理和測試技術(shù)。

第三，雖然 EUV 設備還存在許多問(wèn)題，但購買(mǎi)這臺設備本身就不容易。如前述所言，EUV 設備在全世界只有 ASML 能供應。因此三星電子、臺積電、 SK 海力士、Intel 等半導體企業(yè)不得不密切關(guān)注 ASML 的 EUV 產(chǎn)量。

但事實(shí)上 ASML 也無(wú)法生產(chǎn)出如自己所愿的 EUV 設備。舉例來(lái)說(shuō)，鏡頭作為 EUV 設備最關(guān)鍵零組件，由德國的 Carl Zeiss 公司所供應，由于 Carl Zeiss 公司鏡頭組件生產(chǎn)設備不易增加，以及需依賴(lài)熟練員工等因素，很難快速提高產(chǎn)量。因此 ASML 在 2022 年生產(chǎn)的 EUV 光刻設備只有 55 臺左右，預計今后兩年內也很難大幅增加。

當然，今后如果 EUV 設備價(jià)格急速下降，每小時(shí)晶圓總處理量增加，同時(shí)相關(guān)零組件和材料情況得到明顯改善的話(huà)，那么半導體產(chǎn)量成長(cháng)率也有可能恢復到以前高水準的可能性。在此種情況下，如果沒(méi)有出現大幅增加半導體存儲器需求等動(dòng)因，那么半導體供應過(guò)剩問(wèn)題就可能被凸顯出來(lái)，因此這是日后還需要再觀(guān)察的問(wèn)題。