據(jù)semiwiki日前的報(bào)道，截至 2022 年第一季度，ASML 已出貨 136 個(gè) EUV 系統(tǒng)，約曝光7000 萬個(gè)晶圓已曝光（如下圖）。臺(tái)積電在早前的技術(shù)大會(huì)上則表示，在全球已經(jīng)安裝的EUV光刻機(jī)系統(tǒng)中，臺(tái)積電擁有了其中的 55%。三星的實(shí)際控制人李在镕日前則拜訪了荷蘭總統(tǒng)，以尋找更多的EUV供應(yīng)。
這再次說明，生產(chǎn)先進(jìn)芯片必不可少的EUV成為了全球關(guān)注的目標(biāo)。在日前的一些報(bào)道中，我們也看到了EUV光刻機(jī)的一些路線圖更新。
0.33NA EUV的新進(jìn)展
報(bào)道中表示， 0.33 NA的 EUV 系統(tǒng)是當(dāng)今前沿光刻的主力生產(chǎn)系統(tǒng)。先進(jìn)的邏輯和 DRAM都在使用0.33 NA 的系統(tǒng)大批量生產(chǎn)。下圖說明了邏輯和 DRAM（條）的EUV層數(shù)和每年使用EUV曝光的晶圓（面積）。
據(jù)ASML公司的Mike Lercel介紹 ，以典型的5nm工藝為例，2021 年的邏輯值是 10 層以上 EUV 層，到2023 年的3nm將會(huì)有20層的EUV層，而DRAM 目前的EUV層使用量約為 5 層。Mike Lercel還談到了未來 DRAM 曝光的展望，他指出，不就之后DRAM上有大約會(huì)有 8 個(gè)關(guān)鍵層，最終其中一些層可能需要多重圖案化，使每個(gè)晶圓的 EUV 曝光達(dá)到 10 層。
從報(bào)道中可以看到，新型號(hào)的EUV光刻機(jī)系統(tǒng) NXE:3600D將能達(dá)到93%的可用性，這將讓其進(jìn)一步接近DUV光刻機(jī)（95%的可用性）。數(shù)據(jù)顯示，NXE:3600D 系統(tǒng)每小時(shí)可生產(chǎn) 160 個(gè)晶圓 (wph)，速度為 30mJ/cm2，這比 NXE:3400C 高 18%。二正在開發(fā)的 NXE:3800E系統(tǒng)最初將以 30mJ/cm2的速度提供大過195wph的產(chǎn)能，并在吞吐量升級(jí)后達(dá)到220wph。據(jù)介紹，NXE:3600E 將在像差、重疊和吞吐量方面進(jìn)行漸進(jìn)式光學(xué)改進(jìn)。
從semiwi的報(bào)道中我們可以看到，在0.33 NA的EUV光刻機(jī)領(lǐng)域，ASML 路線圖包括到 2025 年左右推出吞吐量約為220wph 的 NXE:4000F。按照EUV 執(zhí)行副總裁Christophe Fouquet在參加高盛虛擬峰會(huì)的時(shí)候的說法，公司之所以把新設(shè)備稱它為 F，因?yàn)锳SML也希望通過該設(shè)備能顯著提高生產(chǎn)力，這主要?dú)w功于公司希望在該系統(tǒng)的功率上能夠更進(jìn)一步。至于產(chǎn)能的增加幅度，Christophe Fouquet表示，這可能會(huì)達(dá)到10%到20%，但他們依然還沒有最終確定。不過ASML目前計(jì)劃在 2025 年左右交付第一個(gè)NXE:4000F系統(tǒng)。
semiwiki在文章中表示，對(duì)于 0.33 NA 系統(tǒng)，ASML 正致力于通過增加吞吐量和降低總能量來減少每次曝光所需的功耗，而雙重圖案甚至也將成為0.33NA光刻機(jī)需要發(fā)力的一個(gè)方面。
如在之前的報(bào)道中指出，在發(fā)力0.33 NA光刻機(jī)的時(shí)候，ASML也在加快0.55 NA光刻機(jī)的進(jìn)度。而繼英特爾表示將在2025年使用上High-NA光刻機(jī)之后，臺(tái)積電在日前也將High-NA光刻機(jī)的應(yīng)用時(shí)間放在2024年。這無疑是大大提升了先進(jìn)EUV光刻機(jī)的應(yīng)用時(shí)間。
因?yàn)閺南嚓P(guān)資料可以看到， 0.33 NA的常規(guī) EUV 光刻機(jī)從原型機(jī)出貨（2010 年）到量產(chǎn)機(jī)出貨（2019 年）用了大約10 年時(shí)間。如果相關(guān)報(bào)道屬實(shí)，那就意味著 0.55 NA 的high NA EUV 光刻機(jī)從原型機(jī)出貨（2023年）到量產(chǎn)機(jī)出貨（2026 年）只需要短短的三年。
0.55 NA EUV光刻機(jī)的目標(biāo)
關(guān)于為什么要提升EUV光刻機(jī)的NA，這在很多文章中也都談過。
歸根到底，高數(shù)值孔徑 EUV 系統(tǒng)的好處可以用一個(gè)詞來概括——分辨率。因?yàn)楦鶕?jù)瑞利公式，將孔徑從0.33增加到 0.55，可以成比例地提高可實(shí)現(xiàn)的臨界尺寸——從0.33 NA 系統(tǒng)的 13nm提升到0.55 NA EUV 可能低至 8nm。
在上個(gè)月舉辦的 SPIE 會(huì)議上，ASML 和蔡司報(bào)告說，雖然開發(fā)正在按計(jì)劃進(jìn)行，但預(yù)計(jì)要到 2023 年才能安裝第一個(gè)0.55 NA EUV系統(tǒng)。如圖所示，ASML 的路線圖將第一個(gè)High NA 系統(tǒng) (EXE:5000) 安裝在 ASML 工廠的實(shí)驗(yàn)室中，并于 2023 年與 Imec 聯(lián)合運(yùn)行，以進(jìn)行初步評(píng)估。EXE:5000 系統(tǒng)應(yīng)在 2024 年交付給客戶，生產(chǎn)型 EXE:5200 系統(tǒng)應(yīng)在 2025 年左右交付給客戶用于生產(chǎn)使用，
在semiwiki的文章里他們談到，High-NA 的光學(xué)器件比 0.33 NA 的要大得多，需要獨(dú)特的設(shè)計(jì)方法。0.55 NA 系統(tǒng)將具有一個(gè)變形鏡頭系統(tǒng)，在一個(gè)方向上具有 4 倍的縮小率（與 0.33 NA 相同），在正交方向上具有 8 倍的縮小率。由于reticle的尺寸和 8 倍的縮小，可打印區(qū)域尺寸在掃描方向上減半至 16.5nm。
為了更快地推動(dòng)High NA EUV光刻機(jī)落地，ASML正在和很多研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)攜手，如imec就是他們一個(gè)很重要的合作火棒。
imec執(zhí)行長Luc Van den hove表示，imec與ASML合作開發(fā)High-NA技術(shù)，ASML現(xiàn)在正在發(fā)展首臺(tái)0.55 High-NA EUV微影掃描設(shè)備EXE:5000系統(tǒng)的原型機(jī)。他指出，與現(xiàn)有的EUV系統(tǒng)相比，High-NA EUV微影設(shè)備預(yù)計(jì)將能在減少曝光顯影次數(shù)的情況下，實(shí)現(xiàn)2奈米以下邏輯芯片的關(guān)鍵特征圖案化。
而為了建立首臺(tái)High-NA EUV原型系統(tǒng)，imec持續(xù)提升當(dāng)前0.33 NA EUV微影技術(shù)的投影解析度，借此預(yù)測(cè)光刻膠涂布薄化后的成像表現(xiàn)，以實(shí)現(xiàn)微縮化線寬、導(dǎo)線間距與接點(diǎn)的精密圖案轉(zhuǎn)移。同時(shí)，imec攜手材料供應(yīng)商一同展示新興光刻膠與涂底材料的測(cè)試結(jié)果，在High-NA制程中成功達(dá)到優(yōu)異的成像品質(zhì)。同時(shí)也提出新制程專用的顯影與蝕刻解決方案，以減少微影圖案的缺陷與隨機(jī)損壞。
從這個(gè)描述中我們可以看到，對(duì)于0.55 NA的光刻機(jī)，需要更新的不但是其光刻機(jī)系統(tǒng)。同時(shí)還需要在光掩模、光刻膠疊層和圖案轉(zhuǎn)移工藝等方面齊頭并進(jìn)，才能讓新設(shè)備應(yīng)用成為可能。
生態(tài)系統(tǒng)全力以赴
在晶圓廠中，芯片制造商需要利用光刻機(jī)和其他設(shè)備來生產(chǎn)芯片。使用在設(shè)計(jì)階段生成的文件格式，光掩模設(shè)施創(chuàng)建掩模。掩模是給定芯片設(shè)計(jì)的主模板，最終被運(yùn)送到晶圓廠。從那里，晶圓被插入到涂層機(jī)/顯影系統(tǒng)中。該系統(tǒng)將一種稱為光刻膠的光敏材料倒在晶圓上。
然后，將掩模和鬼片插入光刻掃描儀中。在操作中，掃描儀產(chǎn)生光，光通過一組投影光學(xué)器件和系統(tǒng)中的掩模傳輸。光照射光刻膠，在硅片上形成圖案。
從過往從DUV到EUV升級(jí)一樣，來到High-NA EUV上也需要新的光掩模類型。因?yàn)樵诟叩目讖较拢庾右愿鼫\的角度撞擊掩模，相對(duì)于圖案尺寸投射更長的陰影。“黑暗”、完全被遮擋的區(qū)域和“明亮”、完全曝光的區(qū)域之間的邊界變?yōu)榛疑瑥亩档土藞D像對(duì)比度。
據(jù)Semiengineering報(bào)道，有幾個(gè)選項(xiàng)可用于降低有效吸收器(effective absorber)高度，從而降低 3D 掩模效果的影響。第一個(gè)也是最簡單的方法是減小吸收材料的厚度。
Imec 高級(jí)圖案化項(xiàng)目總監(jiān) Kurt Ronse 在接受Semiengineering時(shí)表示，由High NA EUV 圖案化的第一層可能具有相對(duì)寬松的尺寸，約為 28nm。簡單地降低吸收器高度應(yīng)該提供足夠的對(duì)比度。然而，隨著功能不斷縮小，制造商將需要重新考慮吸收材料。Erdmann 指出，目前使用的鉭基吸收體(tantalum-based absorber)的光學(xué)特性相對(duì)較差。降低吸收體的折射率將改善劑量-尺寸特性，在恒定曝光劑量下實(shí)現(xiàn)更小的特征。同時(shí)，增加消光系數(shù)會(huì)減少三維效應(yīng)。
然而，n和k不是掩模制造商可以簡單地在工藝刻度盤上設(shè)置的獨(dú)立參數(shù)，它們是材料屬性，因此彼此相關(guān)，并與吸收器的其他特性相關(guān)。為了采用新材料，掩模制造商必須能夠蝕刻它并修復(fù)缺陷。目前用于鉭吸收體的反應(yīng)性離子蝕刻是一些候選材料的一種選擇，但新的吸收體仍可能需要新的蝕刻工藝和新的化學(xué)物質(zhì)。“因?yàn)榻佑|層和金屬層有不同的要求，他們可能也需要不同的吸收體。：Ronse 說。
按照他所說，在這方面還沒有出現(xiàn)共識(shí)選擇，然而為了繼續(xù)進(jìn)行工藝開發(fā)，掩模制造商也需要行業(yè)的額外指導(dǎo)。
Semiengineering進(jìn)一步指出，光在穿過光掩模的吸收器圖案后，EUV 光子遇到硅片及其光刻膠層（ photoresist blanket）。減小的焦深使得同時(shí)保持光刻膠疊層的頂部和硅片平面聚焦變得更加困難。如果焦點(diǎn)錯(cuò)誤使相鄰特征靠得太近，則間隙無法清除并出現(xiàn)橋接缺陷。如果特征之間的空間太大，則所得到的光刻膠特征太薄并在其自身重量下塌陷。
因此降低光刻膠的厚度既可以提高焦點(diǎn)，又可以降低圖案崩塌的風(fēng)險(xiǎn)。但與此同時(shí)，也會(huì)帶來額外的挑戰(zhàn)。如在報(bào)道中披露，一種有希望的替代品是金屬氧化物光刻膠。
據(jù)報(bào)道，這種光刻膠使用入射光子來分解氧化錫納米團(tuán)簇（ tin-oxide nanoclusters）。氧化物簇（oxide clusters ）可溶于顯影劑中，而金屬錫則不溶于。這些是負(fù)性光刻膠。曝光使材料不溶。金屬氧化物本質(zhì)上更耐蝕刻并吸收更多的 EUV 光子，從而使它們能夠以更薄的層實(shí)現(xiàn)可比的結(jié)果。但不幸的是，接觸孔，可能是高數(shù)值孔徑 EUV 曝光的第一個(gè)應(yīng)用，然而它需要正的光刻膠。
此外，其他與 EUV 相關(guān)技術(shù)也在研究中，例如 pellicles。這是一個(gè)用于覆蓋掩膜，防止顆粒落在其上的產(chǎn)品。
相關(guān)報(bào)道指出，ASML 開發(fā)了新的 EUV pellicles。同時(shí)，Imec 的碳納米管pellicles在 ASML 的 EUV 掃描儀上的透射率達(dá)到了 97.7%。單壁和多壁pellicles都是有前途的。按照Imec 技術(shù)人員的主要成員 Emily Gallagher 所說：“這兩種類型都表現(xiàn)良好，在 CD 均勻性、LWR 和耀斑方面，與無pellicle參考相比，成像差異極小。根據(jù)測(cè)量的這些pellicle的 EUV 吸收率在 95.3% 到 97.7% 之間，預(yù)計(jì)劑量會(huì)略有增加。”
寫在最后
在生態(tài)系統(tǒng)的共同努力下，ASML正在努力土推動(dòng)High-NA光刻機(jī)成為可能。與此同時(shí)，他們還在加大EUV光刻機(jī)的產(chǎn)能提升，并與產(chǎn)業(yè)一起，推動(dòng)這些先進(jìn)的技術(shù)面向更多的應(yīng)用。
根據(jù)ASML 在一季度財(cái)務(wù)會(huì)議上披露的數(shù)據(jù)，公司的目標(biāo)是在 2022 年出貨 55 臺(tái) EUV系統(tǒng)，并到 2025 年實(shí)現(xiàn)（最多）90 臺(tái)工具的計(jì)劃。ASML 同時(shí)還承認(rèn)， 90 臺(tái)可能超過 2025 年的實(shí)際需求，不過他們將其描述為為滿足2030 年 1 萬億美元半導(dǎo)體行業(yè)需求所做出的巨大努力。
Christophe Fouquet在高盛的會(huì)議上則強(qiáng)調(diào)，High NA EUV光刻機(jī)將首先在邏輯芯片上應(yīng)用，隨后，DRAM乃至3D DRAM也會(huì)是High NA EUV光刻機(jī)關(guān)注的方向。同時(shí)，他最后還說道：“在可預(yù)見的未，EUV 不會(huì)很快進(jìn)入中國，因?yàn)槊绹壳暗牧鍪窍喈?dāng)強(qiáng)硬。”
