EUV光刻技術仍需克服的三個缺點

光刻技術是指在光照作用下，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。其主要過程為：首先紫外光通過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(qū)域的光刻膠發(fā)生化學反應；再通過顯影技術溶解去除曝光區(qū)域或未曝光區(qū)域的光刻膠（前者稱正性光刻膠，后者稱負性光刻膠），使掩膜版上的圖形被復制到光刻膠薄膜上；最后利用刻蝕技術將圖形轉移到基片上。

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

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，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 的最細線寬是多少。但 14 納米 DRAM 并非意味著所有電路都是 14 納米寬，除了最重要的部分以外，其余部分設計上會有不同寬度的線路。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，最小電路寬度及周圍電路寬度變細的話，DRAM 的芯片尺寸自然會變小。這種制程被稱為精細制程轉換，最近在精細制程的每一代中，芯片約變小 20% 左右的水準。這句話的意思是，如果進行精細制程轉換，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(shù)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，利用光線透水時出現(xiàn)的折射現(xiàn)象的設備。該設備在生產(chǎn) 35 納米上一代 DRAM 時，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。

隨著精細化到 30 納米級以下，該設備無法一次性拍攝出最重要的部分電路圖案。事實上，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，因為線寬之間的間距越來越窄，單次曝光已不足以應付線寬縮小所需，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，理論上可以解決雙重等多重曝光精細制程的缺點，也就是可以自然解決生產(chǎn)力減少和投入與產(chǎn)出的下跌問題。最精細的電路部分也可以使用一道光罩一次刻出來，也就是說總制程循環(huán)次數(shù)可以減少，也不會發(fā)生邊緣位置誤差。但實際上即使在使用 EUV 設備的 1A 納米之后，DRAM 的低生產(chǎn)成長率仍未獲得解決，情況反而更加惡化，其理由如下：

第一，EUV 設備的性價比低，對比于 ArF Emergion 設備只有十分之一的水準。不過目前使用 EUV 設備是克服日益惡化的多重曝光缺點的必然選擇，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初期，EUV 光刻技術也仍然存在技術的困難點。不僅 EUV 設備自身硬體上的問題仍有很大改進空間，相關零部件、材料也存在諸多難題（參考下圖）。

簡單來說，為了正式引進 EUV 設備，需要由多層透鏡和曝光吸收層（Absorber）組成的無缺陷光罩，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、平滑線條邊緣（Edge）的光阻劑。

另外，最重要的是基于更短的曝光波長、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。

第三，雖然 EUV 設備還存在許多問題，但購買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)不得不密切關注 ASML 的 EUV 產(chǎn)量。

但事實上 ASML 也無法生產(chǎn)出如自己所愿的 EUV 設備。舉例來說，鏡頭作為 EUV 設備最關鍵零組件，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 設備價格急速下降，每小時晶圓總處理量增加，同時相關零組件和材料情況得到明顯改善的話，那么半導體產(chǎn)量成長率也有可能恢復到以前高水準的可能性。在此種情況下，如果沒有出現(xiàn)大幅增加半導體存儲器需求等動因，那么半導體供應過剩問題就可能被凸顯出來，因此這是日后還需要再觀察的問題。