全面起底ASML的EUV光刻技術(shù)

　　用于高端邏輯半導體量產(chǎn)的EUV(Extreme Ultra-Violet，極紫外線(xiàn)光刻)曝光技術(shù)的未來(lái)藍圖逐漸“步入”我們的視野，從7nm階段的技術(shù)節點(diǎn)到今年(2019年，也是從今年開(kāi)始)，每2年~3年一個(gè)階段向新的技術(shù)節點(diǎn)發(fā)展。

　　高端邏輯半導體的技術(shù)節點(diǎn)和對應的EUV曝光技術(shù)的藍圖。

　　也就是說(shuō)，在EUV曝光技術(shù)的開(kāi)發(fā)比較順利的情況下，5nm的量產(chǎn)日程時(shí)間會(huì )大約在2021年，3nm的量產(chǎn)時(shí)間大約在2023年。關(guān)于更先進(jìn)的2nm的技術(shù)節點(diǎn)，還處于模糊階段，據預測，其量產(chǎn)時(shí)間最快也是在2026年。

　　決定解像度(Half Pitch)的是波長(cháng)和數值孔徑、工程系數

　　技術(shù)節點(diǎn)的發(fā)展推動(dòng)著(zhù)半導體曝光技術(shù)解像度(Half Pitch)的發(fā)展，ArF液浸曝光技術(shù)和EUV曝光技術(shù)等的解像度(R)和曝光波長(cháng)(λ)成正比，和光學(xué)的數值孔徑(NA，Numerical Aperture)成反比，也就是說(shuō)，如果要增大解像度，需要在縮短波長(cháng)的同時(shí)，擴大數值孔徑。

　　實(shí)際上，解像度和被稱(chēng)為“工程系數(k1)”的定數也成一定的比例關(guān)系。如果降低工程系數，解像度就會(huì )上升。但是，工程系數如果降低到最小極限值(0.25)，就無(wú)法再降低了。

　　ArF液浸曝光技術(shù)、EUV曝光技術(shù)中的解像度(Half Pitch)(R)和波長(cháng)、數值孔徑(NA)、工程系數(k1)的關(guān)系。

　　在A(yíng)rF液浸曝光技術(shù)、EUV曝光技術(shù)中，光源的波長(cháng)是固定的，無(wú)法改變。順便說(shuō)一下，ArF液浸曝光的波長(cháng)是193nm，EUV曝光的波長(cháng)是13.5nm。兩者有超過(guò)10倍的差距，單純計算的話(huà)，EUV曝光絕對是占優(yōu)勢。

　　對ArF液浸曝光技術(shù)以前的光制版(lithography)技術(shù)來(lái)說(shuō)，提高數值孔徑是提高解像度的有效手段。具體來(lái)說(shuō)，就是通過(guò)改良作為曝光設備的Stepper和Scanner，來(lái)提高數值孔徑。

　　與之相反，運用EUV曝光技術(shù)的話(huà)，不怎么需要改變數值孔徑，EUV曝光技術(shù)利用X線(xiàn)的反射光學(xué)系統，光學(xué)系統擁有非常復雜的構造，同時(shí)光學(xué)系統的變化也會(huì )伴隨著(zhù)巨額的開(kāi)發(fā)投資。所以，過(guò)去一直以來(lái)EUV曝光設備方面從沒(méi)有更改過(guò)數值孔徑。最初的EUV scanner的數值孔徑是0.25，現行設備的數值孔徑是0.33，不管怎么說(shuō)，和ArF Dry曝光技術(shù)的最高值(0.93)相比，都是很低的。

　　正如在本欄目中去年(2018年)12月報道的一樣(使用EUV曝光的高端邏輯半導體和高端DRAM的量產(chǎn)終于開(kāi)始了!)，用于量產(chǎn)7nm的最尖端邏輯半導體的EUV scanner--“NXE:3400B”內置的數值孔徑是0.33。

　　而且，今后數年內，都會(huì )在使用數值孔徑為0.33的EUV scanner的同時(shí)，提高解像度。換句話(huà)說(shuō)，也就是通過(guò)使用同樣數值孔徑的曝光設備來(lái)使解像度(Half Pitch)更細微化。

　　通過(guò)階段性地降低工程系數來(lái)提高解像度

　　所以，很多用來(lái)提高細微化的辦法都被限制了，因為波長(cháng)和數值孔徑是固定的，剩下的就是工程系數。光學(xué)方面，通過(guò)降低工程系數，可以提高解像度。和ArF液浸曝光技術(shù)一樣，通過(guò)和Multi-patterning 技術(shù)組合起來(lái)，就可以達到實(shí)質(zhì)上降低工程系數的效果。而且，機械方面，有必要降低曝光設備的重合誤差。

　　提高EUV曝光技術(shù)的解像度的方法(2019年以后)

　　據EUV曝光設備廠(chǎng)商ASML說(shuō)，他們把未來(lái)EUV曝光技術(shù)方面的細微化工作分為“四代”?，F行技術(shù)水平是第一代，同時(shí)也是7nm邏輯半導體的量產(chǎn)是用的技術(shù)。工程系數是0.45左右。

　　第二代是把工程系數降低到0.40以下，通過(guò)改良曝光技術(shù)的硬件(光學(xué)方面)和軟件(阻焊層，resist)得以實(shí)現。其技術(shù)核心也不過(guò)是改良現行技術(shù)。

　　第三代是把工程系數降低到0.30以下，要得以實(shí)現，只改良現行技術(shù)比較困難，需要導入像Multi-pattering、新型mask材料、新型resist材料等這些基本要素。

　　第四代，由于工程系數無(wú)法再降低，所以開(kāi)發(fā)新的光學(xué)系統，它可以數值孔徑提高到0.55。

　　EUV曝光設備廠(chǎng)家ASML公布的EUV曝光技術(shù)的發(fā)展。

　　ASML公布的技術(shù)發(fā)展資料里面沒(méi)有提到工程系數的具體數值，不過(guò)我們把工程系數的假設值放進(jìn)去計算了一下，看看解像度可以提到何種程度，現行(第一代)的工程系數是0.46，其對應的解像度(Half Pitch)是19nm。

　　假設第二代的工程系數為0.39，對應的解像度為16nm，如果是最先進(jìn)的邏輯半導體的技術(shù)節點(diǎn)的話(huà)，可以適用于7nm~5nm的量產(chǎn)品。

　　假設第三代的工程系數是0.29，對應的解像度是12nm，如果是最先進(jìn)的邏輯半導體的技術(shù)節點(diǎn)的話(huà)，可以適用于5nm~3nm的量產(chǎn)品。

　　由于第四代大幅度更改了數值孔徑，工程系數假設為0.46，和第一代相同。假設數值孔徑為0.55，工程系數即使增加為0.46，相對應的解像度也和第三代基本相同，為11.3nm，可以適用于5nm~3nm的量產(chǎn)品。

　　EUV曝光技術(shù)發(fā)展和解像度的發(fā)展。以EUV曝光機廠(chǎng)商ASML發(fā)布的數據為基礎作者推測的數字。

　　把Multi-patterning(多重曝光)導入到EUV曝光技術(shù)里

　　不需要改良光學(xué)系統和阻焊層(resist)等曝光技術(shù)，把工程系數k1實(shí)質(zhì)性地降低的辦法----Multi-patterning(多重曝光)技術(shù)。正在討論把ArF液浸曝光方面廣泛普及的多重曝光技術(shù)應用到EUV曝光技術(shù)里。

　　比方說(shuō)，兩次曝光就是導入LELE技術(shù)，即重復兩次Lithography(L)和Etching(E)，如果把LELE技術(shù)導入到工程系數為0.46的EUV曝光技術(shù)(數值孔徑為0.33)上，解像度會(huì )變?yōu)?6nm，這和把單次曝光時(shí)的工程系數降到0.39得到的效果一樣。

　　三次曝光，即導入LELELE技術(shù)，重復三次Lithography(L)和Etching(E)，再次降低解像度，為12nm，這和把單次曝光時(shí)的工程系數降低到0.29得到的效果一樣。

　　但是，利用多重曝光技術(shù)的話(huà)，“吞吐量(through-put)”會(huì )大幅度降低，單次曝光(SE技術(shù))的晶圓處理數量約為130片/小時(shí)，兩次曝光(LELE)曝光的話(huà)，下降為70片/小時(shí)，三次曝光(LELELE)曝光的“吞吐量”下降為單次的1/3，為40片/小時(shí)。

　　聯(lián)合運用EUV曝光和多重曝光的解像度和“吐出量”的變化(k1是0.46)，作者根據ASML公布的數據總結的數字。

　　總結一下，新型的5nm技術(shù)有兩個(gè)方向，第一、維持著(zhù)單次曝光技術(shù)的同時(shí)，把工程系數下降到0.39;第二、通過(guò)利用兩次曝光(LELE技術(shù))技術(shù)，實(shí)質(zhì)性地降低工程系數。兩個(gè)的解像度都是16nm，預計量產(chǎn)開(kāi)始時(shí)間為2021年。如果采用兩次曝光技術(shù)，預計量產(chǎn)時(shí)間可以提前到2020年。

　　第三代的3nm技術(shù)的節點(diǎn)稍微有點(diǎn)復雜，有三個(gè)方向：第一、把單次曝光的工程系數維持為0.29;第二、聯(lián)合兩次曝光(LELE技術(shù))和把工程系數改為0.39的曝光技術(shù);第三、利用三次曝光(LELELE)技術(shù)。三個(gè)方向的解像度都是12nm，預計量產(chǎn)時(shí)間為2023年。但是，如果采用三次曝光的話(huà)，量產(chǎn)時(shí)間有可能再提前。

　　關(guān)于第四代2nm技術(shù)節點(diǎn)，如果用數值孔徑為0.33的EUV曝光技術(shù)估計很難實(shí)現。應該是期待把數值孔徑提高到0.55的EUV曝光技術(shù)。

　　EUV曝光設備的組合運用，繼續改良精度和生產(chǎn)性能

　　EUV曝光技術(shù)的開(kāi)發(fā)方面最重要的是EUV曝光設備(EUV scanner)的改良。EUV曝光設備廠(chǎng)商ASML已經(jīng)公布了繼用于現行量產(chǎn)品7nm的EUV scanner--“NXE:3400B”之后的開(kāi)發(fā)藍圖。

　　據ASML的技術(shù)藍圖預測，以“NXE:3400B”為基礎，首次開(kāi)發(fā)降低重合誤差的版本，后面是以“降低重合誤差版本”為基礎，開(kāi)發(fā)提高“吐出量”(生產(chǎn)性能)的版本。預計在今年(2019年)的上半年，完成這些改良。

　　基于以上改良成果的新產(chǎn)品“NXE:3400C”預計會(huì )在今年年末開(kāi)始出貨，預計“NXE:3400C”將要“擔任”5nm的量產(chǎn)工作。

　　而且，降低重合誤差的同時(shí)，還要開(kāi)發(fā)提高產(chǎn)能的新版本，ASML還沒(méi)有公布新版本的型號，出貨時(shí)間預計在2021年的下半年，新版本應該會(huì )承擔3nm的量產(chǎn)工作吧。

　　EUV曝光設備(EUV scanner)的開(kāi)發(fā)藍圖，作者根據ASML公布的數據匯總的。

　　EUV曝光設備的開(kāi)發(fā)藍圖，摘自2018年12月ASML在國際學(xué)會(huì )IEDM上發(fā)布的論文。

　　新一代用于量產(chǎn)的EUV曝光設備(EUV scanner)“NXE:3400C”的概要，出自ASML在2018年12月國際學(xué)會(huì )IEDM的演講資料。

　　這些曝光設備基本都是搭載了數值孔徑為0.33的光學(xué)系統。ASML同時(shí)也在致力于開(kāi)發(fā)把數值孔徑提高到0.55的EUV曝光設備。

　　被ASML稱(chēng)為“High NA”的、數值孔徑為0.55的EUV scanner的出貨時(shí)間預計在2023年的下半年，首批試驗設備預計在2021年年底做成。關(guān)于“High NA”設備的開(kāi)發(fā)情況，我們后續會(huì )繼續報道。