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为摩尔定律续命30年,EUV究竟意味着什么?

2019年9月27日 14:18  脑极体  

前面我们探讨过量子计算光明而遥远的未来,回归现实之中,我们还是只能依靠经典计算来解决当下的计算需求。

所以,科学家们也在努力给摩尔定律续命。其中一项极为关键的技术,就是——EUV极紫外光刻。

过去一两年的时间里,EUV没少在产业中刷存在感。三星、台积电、英特尔等都在争先恐后地将EUV投入芯片量产,中芯国际斥资1.2亿美元买入EUV光刻机成了大新闻,日本对韩国的半导体禁令中,EUV光刻胶更是被关注的焦点……

这项技术凭什么被称为摩尔定律的救星,又是否来到了最好的应用节点呢?

EUV登场:为摩尔定律再续一秒

计算能力看芯片,芯片性能看光刻,那光刻技术看什么,在众多工艺中,大多数产业人士给出的答案,就是EUV。

所谓EUV,指的是波长13.5nm 的极紫外光,相比于当前主流光刻机用的193nm光源,EUV的光源只有十五分之一,能够在硅片上刻下更小的沟道。

业内形容EUV的细致程度,就好像从地球上发出的手电筒光线,精准地照射到一枚月球上的硬币一样。这么严苛的工艺要求,真的有必要吗?

(EUV光刻与ARF光刻的显影效果对比)

(EUV光刻与ARF光刻的显影效果对比) 

我们知道,IC芯片的制造就像是用乐高积木盖房子,借由一层又一层的堆叠,搭建出一个复杂的“立体结构”。如果把芯片放到显微镜下,会看到一个和超级城市一样丰富的细节:高达七八层的马路,分布着几百万座建筑物,几亿扇门窗一秒钟要开关上亿次,每一次都必须准确无误……

这个复杂的建构过程,在很长一段时间,都是由193nm的光源来完成的,但移动智能的高速发展,要求不断在更小的芯片上集成更多的晶体管,自然就要寻找更高精度的工具,EUV也就顺其自然地登场了。

比如使用了台积电7nm+ EUV工艺制程的麒麟990,就得以在芯片面积基本不变的前提下,晶体管数量从69亿暴涨到103亿,也因此成为目前业界最小的5G手机芯片。

当然,大家都知道摩尔定律并不只是性能的提升,另一个限制是成本的降低。所以,“规则救星”还必须担负起省钱的重任。EUV恰好符合这个要求。

光刻机的工作过程中,必不可少的就是曝光。简单来说就是用光线照射硅片,让未受掩模遮挡部分的光刻胶发生曝光反应,这样才能将石英掩模上的电路图显影到硅片上,以便后续进行刻蚀、去胶等一系列工序。

而要生产7nm甚至5nm的芯片时,以往采用的ArFi LE4 Patterning或是ArFi SAQP往往需要4次甚至更多的曝光才能完成。而EUV只需要1个光罩、1次曝光就搞定了,可以直接降低大批量生产的成本。

换句话说,EUV不仅刻录精度更高,也会让芯片的价格更便宜,无怪乎会被看做是唯一可行的拯救摩尔定律的方法了。

目前,一些主要的芯片代工厂如台积电、三星也都开始在其大批量生产线中使用EUVL来处理逻辑7nm的芯片。这是否说明,我们很快就可以凭借EUV迎来5nm、3nm制程的新时代呢?事情显然没有那么简单。

山高水远,道阻且长:

EUV的打怪升级之路

看来,经典计算机最后的尊严既要靠EUV来捍卫了。不过,能否在现实中真正规模化应用,才决定了其是否真的能改变摩尔定律的命运。目前,行业内能够实现EUV芯片稳定量产的并不多。

比如前不久三星的EUV工艺就翻车了,采用7nm LPP EUV制程工艺生产的三星9825芯片能效不升反降。

目前看来,EUV的应用限制主要集中在三方面:

首先就是一些尚待解决的技术问题。

比如EUV设备必须在超洁净环境中运行,如果有一点灰尘掉到光罩上,都会带来直接的生产良率问题。但EUV所用的光罩和传统193nm光刻的光罩完全不同。目前EUV的光照良率仅为64.3%,而主流光照的良率则高达94.8%,想要提升EUV芯片的成品率,材料技术、流程控制、缺陷检验等都是需要攻克的问题。

即使在技术上达到要求,缺乏足够吸引力的收益率,也很难让客户产生迁移到新技术的动力。而目前看来,采用EUV技术的生产成本也十分高昂。

一方面,最新的EUV机器价格往往超过1亿欧元,是常规193nm 光刻机价格的二倍多;就算采购完成,还需要多台747飞机来运输整个系统。由于功率极高,EUV设备生产时消耗的电力也远超现有机器。而且,即使使用EUV光刻机,7nm、5nm制式的生产也需要在一些关键复杂的图层中使用双重图形甚至多重图形曝光,才能减少缺陷的数量,无形中又进一步增加了成本。

除此之外,EUV也对半导体供应链上的人员提出了巨大的要求。比如光子击中抗蚀剂并引起反应,每次的响应都可能不同,这就会导致芯片随机出现缺陷,要控制它比传统光刻机更加困难,工程师们也需要一定时间的磨合才行。

所以说,虽然目前英特尔、台积电、三星和GF等都在积极准备7nm工艺,但要成功用上EUV显然还是一件比较小众的成就,手持藏宝图的探索者依然凤毛麟角。

打破算力天花板:

EUV到底改变了什么?

虽说EUV距离全面走进产业端还有一段路要走,但这并不妨碍我们以它为坐标系来重新构想计算的未来。

首先,在5nm、3nm等节点上启用EUV技术已经是必备之选。率先度过与应用的磨合期,就意味着能在AI+5G背景下占据行业高点,并将马太效应持续放大。比如台积电就凭借率先实现7nm工艺而获得了大量的订单,并借此分摊了巨额的研发费用与投入。在技术地域化的当下,中国芯片厂商能否抓住这个新的技术节点崛起,EUV就是战略性的一步。

如果我们将移动智能看做一场未来之战,那么拿到最强悍的武器还不够,如何应用才能发挥最大的效率,只有在实战中不断地积累经验才能真正修炼好顶级武功。从这个角度看,EUV也正在重新划定手机厂商的起跑线。

比如三星7nm EUV工艺出现延迟,就直接导致高通5G芯片无法如期供货,对众多依赖供应链的手机厂商造成连环反应,而率先推出并搭载了5G SoC芯片的华为Mate30,则得以凭借在CPU与GPU性能上的巨大差距,率先开启5G商用场景的功能探索,让用户开始品尝技术的甘甜。

而具体到用户端,EUV技术作为计算能力的基本保障,也可以起到对智能硬件的直接推动作用。

我们知道,今天要在移动终端上完成高性能的AI识别、推理等任务,受限于芯片的体积与处理能力,往往需要上传到云端来完成。这一方面限制了许多应用普及的可能性,比如VR、高精度视频等等;同时也容易因为云到端的过程,导致隐私泄露、数据延迟等一系列隐患。想要打开人工智能在终端的想象力与商业价值,EUV对芯片能效的直接升级,将是量子计算到来之前,一切故事的前提。

如果说智能社会将是一片海量智能设备与应用构筑的梦幻花园,那么EUV技术则是浇筑出坚固砖石的基础。所以,尽管突破摩尔定律天花板这个任务任重道远,却是一条必须通关的重要道路。

编 辑:章芳
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