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為摩爾定律續命30年,EUV究竟意味著什么?

2019年9月27日 14:18  腦極體  

前面我們探討過量子計算光明而遙遠的未來,回歸現實之中,我們還是只能依靠經典計算來解決當下的計算需求。

所以,科學家們也在努力給摩爾定律續命。其中一項極為關鍵的技術,就是——EUV極紫外光刻。

過去一兩年的時間里,EUV沒少在產業中刷存在感。三星、臺積電、英特爾等都在爭先恐后地將EUV投入芯片量產,中芯國際斥資1.2億美元買入EUV光刻機成了大新聞,日本對韓國的半導體禁令中,EUV光刻膠更是被關注的焦點……

這項技術憑什么被稱為摩爾定律的救星,又是否來到了最好的應用節點呢?

EUV登場:為摩爾定律再續一秒

計算能力看芯片,芯片性能看光刻,那光刻技術看什么,在眾多工藝中,大多數產業人士給出的答案,就是EUV。

所謂EUV,指的是波長13.5nm 的極紫外光,相比于當前主流光刻機用的193nm光源,EUV的光源只有十五分之一,能夠在硅片上刻下更小的溝道。

業內形容EUV的細致程度,就好像從地球上發出的手電筒光線,精準地照射到一枚月球上的硬幣一樣。這么嚴苛的工藝要求,真的有必要嗎?

(EUV光刻與ARF光刻的顯影效果對比)

(EUV光刻與ARF光刻的顯影效果對比) 

我們知道,IC芯片的制造就像是用樂高積木蓋房子,借由一層又一層的堆疊,搭建出一個復雜的“立體結構”。如果把芯片放到顯微鏡下,會看到一個和超級城市一樣豐富的細節:高達七八層的馬路,分布著幾百萬座建筑物,幾億扇門窗一秒鐘要開關上億次,每一次都必須準確無誤……

這個復雜的建構過程,在很長一段時間,都是由193nm的光源來完成的,但移動智能的高速發展,要求不斷在更小的芯片上集成更多的晶體管,自然就要尋找更高精度的工具,EUV也就順其自然地登場了。

比如使用了臺積電7nm+ EUV工藝制程的麒麟990,就得以在芯片面積基本不變的前提下,晶體管數量從69億暴漲到103億,也因此成為目前業界最小的5G手機芯片。

當然,大家都知道摩爾定律并不只是性能的提升,另一個限制是成本的降低。所以,“規則救星”還必須擔負起省錢的重任。EUV恰好符合這個要求。

光刻機的工作過程中,必不可少的就是曝光。簡單來說就是用光線照射硅片,讓未受掩模遮擋部分的光刻膠發生曝光反應,這樣才能將石英掩模上的電路圖顯影到硅片上,以便后續進行刻蝕、去膠等一系列工序。

而要生產7nm甚至5nm的芯片時,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個光罩、1次曝光就搞定了,可以直接降低大批量生產的成本。

換句話說,EUV不僅刻錄精度更高,也會讓芯片的價格更便宜,無怪乎會被看做是唯一可行的拯救摩爾定律的方法了。

目前,一些主要的芯片代工廠如臺積電、三星也都開始在其大批量生產線中使用EUVL來處理邏輯7nm的芯片。這是否說明,我們很快就可以憑借EUV迎來5nm、3nm制程的新時代呢?事情顯然沒有那么簡單。

山高水遠,道阻且長:

EUV的打怪升級之路

看來,經典計算機最后的尊嚴既要靠EUV來捍衛了。不過,能否在現實中真正規模化應用,才決定了其是否真的能改變摩爾定律的命運。目前,行業內能夠實現EUV芯片穩定量產的并不多。

比如前不久三星的EUV工藝就翻車了,采用7nm LPP EUV制程工藝生產的三星9825芯片能效不升反降。

目前看來,EUV的應用限制主要集中在三方面:

首先就是一些尚待解決的技術問題。

比如EUV設備必須在超潔凈環境中運行,如果有一點灰塵掉到光罩上,都會帶來直接的生產良率問題。但EUV所用的光罩和傳統193nm光刻的光罩完全不同。目前EUV的光照良率僅為64.3%,而主流光照的良率則高達94.8%,想要提升EUV芯片的成品率,材料技術、流程控制、缺陷檢驗等都是需要攻克的問題。

即使在技術上達到要求,缺乏足夠吸引力的收益率,也很難讓客戶產生遷移到新技術的動力。而目前看來,采用EUV技術的生產成本也十分高昂。

一方面,最新的EUV機器價格往往超過1億歐元,是常規193nm 光刻機價格的二倍多;就算采購完成,還需要多臺747飛機來運輸整個系統。由于功率極高,EUV設備生產時消耗的電力也遠超現有機器。而且,即使使用EUV光刻機,7nm、5nm制式的生產也需要在一些關鍵復雜的圖層中使用雙重圖形甚至多重圖形曝光,才能減少缺陷的數量,無形中又進一步增加了成本。

除此之外,EUV也對半導體供應鏈上的人員提出了巨大的要求。比如光子擊中抗蝕劑并引起反應,每次的響應都可能不同,這就會導致芯片隨機出現缺陷,要控制它比傳統光刻機更加困難,工程師們也需要一定時間的磨合才行。

所以說,雖然目前英特爾、臺積電、三星和GF等都在積極準備7nm工藝,但要成功用上EUV顯然還是一件比較小眾的成就,手持藏寶圖的探索者依然鳳毛麟角。

打破算力天花板:

EUV到底改變了什么?

雖說EUV距離全面走進產業端還有一段路要走,但這并不妨礙我們以它為坐標系來重新構想計算的未來。

首先,在5nm、3nm等節點上啟用EUV技術已經是必備之選。率先度過與應用的磨合期,就意味著能在AI+5G背景下占據行業高點,并將馬太效應持續放大。比如臺積電就憑借率先實現7nm工藝而獲得了大量的訂單,并借此分攤了巨額的研發費用與投入。在技術地域化的當下,中國芯片廠商能否抓住這個新的技術節點崛起,EUV就是戰略性的一步。

如果我們將移動智能看做一場未來之戰,那么拿到最強悍的武器還不夠,如何應用才能發揮最大的效率,只有在實戰中不斷地積累經驗才能真正修煉好頂級武功。從這個角度看,EUV也正在重新劃定手機廠商的起跑線。

比如三星7nm EUV工藝出現延遲,就直接導致高通5G芯片無法如期供貨,對眾多依賴供應鏈的手機廠商造成連環反應,而率先推出并搭載了5G SoC芯片的華為Mate30,則得以憑借在CPU與GPU性能上的巨大差距,率先開啟5G商用場景的功能探索,讓用戶開始品嘗技術的甘甜。

而具體到用戶端,EUV技術作為計算能力的基本保障,也可以起到對智能硬件的直接推動作用。

我們知道,今天要在移動終端上完成高性能的AI識別、推理等任務,受限于芯片的體積與處理能力,往往需要上傳到云端來完成。這一方面限制了許多應用普及的可能性,比如VR、高精度視頻等等;同時也容易因為云到端的過程,導致隱私泄露、數據延遲等一系列隱患。想要打開人工智能在終端的想象力與商業價值,EUV對芯片能效的直接升級,將是量子計算到來之前,一切故事的前提。

如果說智能社會將是一片海量智能設備與應用構筑的夢幻花園,那么EUV技術則是澆筑出堅固磚石的基礎。所以,盡管突破摩爾定律天花板這個任務任重道遠,卻是一條必須通關的重要道路。

編 輯:章芳
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