划时代的变革──新一代芯片制造术EUV 刺客 2001年 12期 前不久，英特尔公司正式宣布，该公司技术人员已成功开发出新一代芯片制造技术──EUV（Extreme Ultraviolet，超细紫外线）光蚀刻掩模技术。 　　 自从英特尔公司在1971年设计制造出4位微处理器芯片以来，在随后的20多年时间内，CPU从4004、80286、80386、80486发展到Pentium、PentiumⅡ、PentiumⅢ。数据处理位数从4位、8位、16位、32位发展到64位。主频速度从数MHz演变到今天的GHz以上。CPU芯片中集成的晶体管数由2000个跃升到几千万个。同时，半导体制造技术的规模由SSI（小规模集成电路）、MSI（中规模集成电路）、LSI（大规模集成电路）发展到VLSI（超大规模集成电路）。这一切无不表明CPU芯片的制造工艺正以突飞猛进的速度向前发展。按照英特尔公司创始人之一的戈登·摩尔对硅芯片上集成的晶体管数目每隔18个月翻一番的预言（即著名的摩尔定律），现在奔腾4微处理器上集成的晶体管数目已经高达4200万个。因此，从技术角度分析，硅芯片集成技术似乎已经走到了尽头。不过，随着英特尔EUV光蚀刻掩模技术的诞生，这一疑问又变得扑朔迷离起来。 　　#1 何谓EUV技术 　　 几年前，由Lawrence Livermore、Sandia国家实验室以及英特尔、AMD、Micron Technologies、Infineon Technologies等厂商的研究开发人员所组成的EUV LLC公司就积极致力于开发下一代电脑芯片制造技术，EUV光蚀刻掩模技术正是他们辛勤劳动的结晶。 　　 在此之前，业界人士曾经预测，目前芯片所采用的深度超紫外线（Deep Ultraviolet）蚀刻技术最多只能再升级一、两代，一旦芯片的制造工艺水平达到100纳米（即0.1微米）时，摩尔定律就会失效，而且英特尔和AMD等芯片制造商到2004年或2005年就很可能遇到这一棘手的问题，这样它们将无法再生产更快速的处理器芯片。因此，众多的芯片制造厂商都在努力向0.13微米的制造工艺转化，但要把芯片尺寸降低到100纳米以下，势必需要新的蚀刻技术，因为随着芯片体积的缩小，用于光蚀刻过程的光波波长也必须缩短，眼下深度紫外线蚀刻技术使用的是240纳米的波长。 　　 EUV光蚀刻掩模技术是一种在芯片的蚀刻中采用超细紫外线（而非可见光）的技术。与可见光相比，EUV的“笔头”更细，能够进行更精细的加工，使得在较小的面积上能集成更多的电路。在EUV光蚀刻掩模技术中，英特尔首次采用了Photolithography电路印制技术，其工作原理与照相机类似，它被用来在硅晶片上印制电路的镜像，然后一层层的电路镜像就被制造成为完整的芯片。众所周知，晶体管表面的涂层物质又被称为“氧化涂层门关”（Gate Oxide），该门关对晶体管之间的交换速度会产生极其重要的影响。但在30纳米晶体管技术中，该层的厚度仅为0.8纳米。据英特尔公司的技术开发人员介绍，采用了氧化涂层门关技术的30纳米晶体管开关速度每秒可达100亿次，而氧化涂层门关的厚度仅有3个原子大小。如果描述得更具体一点，3000万个30纳米晶体管垂直排列在一起的高度也不过只有1英寸左右。 　　 另外，高质量的光掩模是实现EUV光蚀刻技术的一个重要因素，目前芯片制造过程中的光掩模是透光的，而EUV光线会被大气和几乎所有的物质吸收掉，因此与EUV相应的光掩模必须能使光线发生反射。为了解决这个问题，英特尔的技术人员在热膨胀系数很小的底板上涂上多层极薄的硅和钼，使之与EUV的波长相吻合，就可制成反射率很高的底板。 　　#1 EUV技术的前景 　　 英特尔公司希望30纳米技术在2005年能够进入大规模实用生产阶段，届时0.07微米芯片封装技术也将进入成熟实用阶段。预计2003年将实现0.10微米芯片封装技术及50纳米晶体管技术。而在2001年年底到2002年年初的这段时间里，英特尔公司的产品线将全部转移到0.13微米封装工艺，所采用的晶体管制造技术为70纳米。如果真的如上所述，按照英特尔公司EUV光蚀刻掩模技术的设计思路，不久之后（大约在2005～2006年）的微处理器在产品性能上将是目前奔腾4的10倍，工作电压低于1V的10GHz微处理器用不了两年就将成为未来个人电脑的标准配置，同时也会成为各种手持设备及笔记本电脑的理想之选。 　　#1 EUV技术的瓶颈 　　 EUV光蚀刻掩模技术当然并非会一帆风顺，30纳米技术在从实验室真正进入大规模商业化生产之前，英特尔还需解决追求高速及低能耗而带来的各种问题。首先，为了维持用于制造芯片的晶圆整体的电荷平衡，在晶圆制造过程中必须往硅原料中加进称为“Dopants”的其它辅助性材料。而且随着晶体管体积的缩小，这些起平衡作用的附加材料也必须相应增加。而目前晶体管的密集度是如此之高，以至于附加材料原子之间几乎没有任何多余空间。为了解决这个难题，英特尔公司正努力研究一个重点课题，那就是采用各种不同的材料来制造晶体管；其次，由于30纳米晶体管的氧化涂层门关厚度只有两三个原子大小，因此无论门关处于开或关的状态，电子都可以任意进出。解决该问题的方法还正在研究中。目前有一种想法就是采用不同的材料来制造门关，当门关处于关闭状态时，就可以防止电子向错误方向运动。 不过，该想法目前还只是停留在理论阶段，其可行性尚未得到证实；第三，随着芯片所集成的晶体管数目的大幅度增加，要使硅圆晶上成千上万的晶体管所含的硅材料与附加材料的比例保持完全一致近乎天方夜谭，因此成品率将是困扰英特尔公司的一个难题。另外，随着制造工艺的日益复杂，芯片本身的制造成本也会越来越难以控制，如何解决也恐怕只有假以时日了。