ASML科普，EUV光刻機的奇跡之路

來(lái)源：內容由半導體行業(yè)觀(guān)察（ID：icbank）編譯自ASML，作者Sander Hofman

EUV 的故事始于 1980 年代中期的日本，當時(shí)，在 70 年代俄羅斯完成的多層鏡研究的基礎上，Hiroo Kinoshita 投影了第一張 EUV 圖像。美國和荷蘭的實(shí)驗室很快也開(kāi)始探索這一潛在的光刻技術(shù)新發(fā)展。最初被稱(chēng)為“soft x-ray”光刻，“extreme ultraviolet”這個(gè)名稱(chēng)的靈感來(lái)自天文學(xué)家對相同光波長(cháng)和光子能量使用的術(shù)語(yǔ)。

在光刻技術(shù)中，使用較短的光波長(cháng)使芯片制造商能夠縮小尺寸并增加芯片上特征（或晶體管）的密度，從而使芯片更快、更強大。當 ASML 于 1984 年成立時(shí)，該行業(yè)使用產(chǎn)生 436 納米 (nm) 光的汞蒸氣燈，稱(chēng)為 g-line，后來(lái)，產(chǎn)生了 365 nm 的紫外 (UV) 光，稱(chēng)為 i-line。早期的 EUV 研究人員追求從 4 到 40 的幾個(gè)波長(cháng)，但最終選擇了 13.5 作為錫等離子體產(chǎn)生 EUV 光的最佳點(diǎn)。

EUV 并不是研究人員探索的唯一能夠實(shí)現未來(lái)幾代“微縮”的技術(shù)。電子束光刻（Electron beam lithography）和離子束光刻（ion beam lithography ）似乎是其他可行的選擇，但 ASML 對 EUV 光刻下了“有根據的****注”，因為這種技術(shù)似乎最適合繼續晶體管微縮，同時(shí)在大規模生產(chǎn)中仍能負擔得起。

然而，并不是每個(gè)人都立即被 EUV 技術(shù)的想法所吸引。在2020 年 SPIE 會(huì )議回顧展上，時(shí)任 NTT 研究員的 Hiroo Kinoshita 描述了讓他的科學(xué)家同事相信 EUV 光刻有機會(huì )的挑戰?！癧我在 1986 年的日本應用光學(xué)學(xué)會(huì )年會(huì )上展示了我的結果，”他說(shuō)?！安恍业氖?，聽(tīng)眾對我的演講高度懷疑。然而，我的信念并沒(méi)有改變?！?/p>

長(cháng)期從事半導體行業(yè)的資深人士、當時(shí)的勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗室研究員 Andrew Hawryluk 在會(huì )議上回憶了類(lèi)似的挫敗感。他解釋了 1987 年 12 月，一位教授如何拜訪(fǎng)他和他的團隊。在了解了他們在 EUV 方面的開(kāi)創(chuàng )性研究后，教授問(wèn)道：“但你真的可以用這些東西做任何有用的事情嗎？”

“他的話(huà)一直困擾著(zhù)我，”Andrew說(shuō)，他回家過(guò)圣誕假期，兩周后帶著(zhù)一份 30 頁(yè)的 EUV 光刻白皮書(shū)回來(lái)。他和他的團隊在那年晚些時(shí)候的一次會(huì )議上提交了這篇論文，但即便如此，也很難找到支持?！澳銦o(wú)法想象我在那次演講中得到的負面評價(jià)，”Andrew回憶道?！坝^(guān)眾中的每個(gè)人都想刺穿我。我把尾巴夾在兩腿之間回家了，發(fā)誓再也不談?wù)?EUV 光刻了?！?/p>

但一周后，Andrew接到了來(lái)自貝爾實(shí)驗室的William (Bill) Brinkman的電話(huà)，后者隨后成功地讓美國能源部為勞倫斯利弗莫爾和桑迪亞實(shí)驗室的 EUV 光刻研究國家項目提供資金，后來(lái)被稱(chēng)為“虛擬國家實(shí)驗室”。

走向工業(yè)化

“Bill給了我們錢(qián)，但錢(qián)遲早會(huì )用完，”Andrew說(shuō)?！瓣P(guān)鍵的是讓行業(yè)參與支持這項新技術(shù)?！?/p>

Andrew的老板，已故的Natale (Nat) Ceglio，在招募包括英特爾在內的公司采用 EUV 方面發(fā)揮了重要作用。

參與的美國芯片制造商組成了“EUV LLC”，與虛擬國家實(shí)驗室簽訂合同，以加速 EUV 光刻技術(shù)的開(kāi)發(fā)并降低與新技術(shù)工業(yè)化相關(guān)的風(fēng)險（EUV 光刻技術(shù)，Wurm，Stefan，Gwyn 和 Chuck，2008 年）。

ASML 的原型 EUV 系統之一，或“alpha 演示”工具。

與此同時(shí)，在荷蘭，EUV 光學(xué)教授 Fred Bijkerk 于 1990 年在荷蘭投影了第一張 EUV 圖像。然而，直到 1990 年代后期，EUV 光刻的工業(yè)化研究才在歐洲開(kāi)始。1997 年，ASML 聘請了 Jos Benschop（技術(shù)高級副總裁）來(lái)啟動(dòng)其EUV 計劃。

在 Jos 的幫助下，1998 年，ASML 與其長(cháng)期合作伙伴德國光學(xué)制造商蔡司和同步加速器光源供應商牛津儀器公司成立了一個(gè)名為“EUCLIDES”（Extreme UV Concept Lithography Development System）的歐洲工業(yè)研發(fā)聯(lián)盟。ASML 還與包括 Philips Research and CFT、TNO-TPD、FOM-Rijnhuizen、PTB（德國國家計量研究所）和 Fraunhofer-IWS在內的其他供應商合作。ASML 和 EUCLIDES 于 1999 年與美國 EUV LLC 聯(lián)手，而日本則通過(guò)其 ASET 計劃（超先進(jìn)電子技術(shù)協(xié)會(huì )）和后來(lái)的日本極紫外光刻發(fā)展協(xié)會(huì ) (EUVA) 計劃來(lái)追求 EUV 技術(shù)的發(fā)展。

2000 年，Jos 能夠在 SPIE 上展示 EUCLIDES 計劃的第一個(gè)結果?？吹搅丝赡苄院?，ASML 在 2001 年分配了一小群人和少量資源來(lái)構建一個(gè) EUV 原型系統。

該團隊在 2006 年實(shí)現了他們的目標，當時(shí)第一批 EUV 原型被運往比利時(shí)的 imec 和紐約奧爾巴尼的 SUNY（College of Nanoscale Science & Engineering）。在那里，原型被用來(lái)更好地了解 EUV 以及這項新技術(shù)如何融入半導體制造過(guò)程。事情開(kāi)始變得真實(shí)。

實(shí)現“第一道光”

2008 年春天，SUNY 使用他們的演示工具生產(chǎn)了世界上第一個(gè)全場(chǎng) EUV 測試芯片。2009 年，ASML 在荷蘭 Veldhoven 的總部開(kāi)設了大樓，這些大樓將容納10,000 平方米的潔凈室和用于 EUV 開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)的工作空間。

然后，在 2010 年，ASML向韓國三星研究機構運送了第一臺 TWINSCAN NXE:3100，這是一種預生產(chǎn)的 EUV 系統。這臺機器在平安夜實(shí)現了“第一道光”（天文學(xué)參考）。對于Jos 說(shuō)，這是 13 年辛勤工作的結晶。

一群?jiǎn)T工站在荷蘭 Veldhoven 的 ASML 總部前，慶祝 2010 年第一臺 EUV 機器出貨。

“我們從 1997 年就開(kāi)始著(zhù)手這方面的工作，”他說(shuō)?！巴蝗婚g，到了 2010 年，你要飛到海外去韓國。你坐長(cháng)途出租車(chē)，換衣服，去工廠(chǎng)，拐個(gè)彎，它就在那里：機器。那是一個(gè)偉大的時(shí)刻。最初的夢(mèng)想在客戶(hù)的工廠(chǎng)中變成了現實(shí)?！?/p>

這是一個(gè)偉大的時(shí)刻，但據ASML的客戶(hù)開(kāi)始發(fā)布包含 EUV 技術(shù)的產(chǎn)品仍然還需要9 年時(shí)間?！皺C器基礎知識在那里，但我們努力實(shí)現客戶(hù)所需的生產(chǎn)力，以使 EUV 成為負擔得起的選擇，”Jos 解釋說(shuō)?！爸匾氖且涀?，我們客戶(hù)的研發(fā)階段也需要時(shí)間，”Jos說(shuō)，“在 EUV '推出'之后，芯片制造商仍然需要一兩個(gè)節點(diǎn)才能使技術(shù)成熟并在商業(yè)產(chǎn)品之前學(xué)習如何充分使用它可以用它來(lái)建造?！?/p>

這個(gè)過(guò)程需要這么長(cháng)時(shí)間的部分原因是芯片制造商必須圍繞新技術(shù)優(yōu)化基礎設施?！俺藪呙鑳x，您還需要優(yōu)化標線(xiàn)片和光刻膠，以及 EDA（電子設計自動(dòng)化）——用于設計芯片的軟件工具，充分利用新功能的優(yōu)勢。這是一個(gè)不斷反饋的過(guò)程，過(guò)程中每個(gè)部分的數據都會(huì )影響其他部分，”Jos 解釋道。

2012 年，作為客戶(hù)共同投資計劃的一部分，ASML的主要客戶(hù)英特爾、三星和臺積電同意在五年內為其 EUV 研發(fā)做出貢獻，并收購公司的股份作為回報。ASML又向亞洲和美國的不同客戶(hù)交付了六套系統，并且在 2013 年，我們交付了第一臺 EUV 生產(chǎn)系統——TWINSCAN NXE:3300——標志著(zhù)這項新技術(shù)的開(kāi)發(fā)又向前邁進(jìn)了一步。

一路走來(lái)的技術(shù)挑戰

“這比我想象的要花更長(cháng)的時(shí)間，也比我想象的要多得多，”Jos表示?！盎仡欉@個(gè)過(guò)程，你可以說(shuō)我們要么很聰明，要么就是很固執，”他笑著(zhù)說(shuō)。

為了躍遷到 13.5 nm 的極紫外光，幾乎需要在光刻機的所有領(lǐng)域進(jìn)行創(chuàng )新，包括光源、將光縮小并聚焦到硅片上的光學(xué)器件，以及包含芯片藍圖的標線(xiàn)片被打印。更復雜的是，EUV 光幾乎被所有物體吸收，因此必須在高真空環(huán)境中生產(chǎn)和使用?！罢麄€(gè)切換到真空是一次冒險，”Jos回憶道?！坝捎趏utgassing，這使材料成為一項挑戰——你可以使用什么材料，以及你必須如何處理和清潔它們?！?/p>

Jos 解釋說(shuō)：“當蔡司證明它可以制造專(zhuān)門(mén)的 EUV 光學(xué)器件時(shí)，我們的研究真正獲得了關(guān)注?！惫鈱W(xué)一直是 EUV 最大的預期挑戰，但多虧了蔡司，它很快就從關(guān)鍵問(wèn)題列表中掉了下來(lái)。

隨后，ASML 的重點(diǎn)轉向解決“光源”挑戰?！坝捎诠庠磫?wèn)題，我們遭到了很多挑戰，”Jos承認?！岸鄠€(gè)客戶(hù)會(huì )參考我們的光源路線(xiàn)圖并說(shuō)，這是您多年前承諾的，而現實(shí)遠非如此。他們在 SPIE 幾乎把我們釘在了十字架上?！?/p>

在 2000 年代初期，ASML 開(kāi)始與荷蘭、日本和美國的幾家 EUV光源的潛在供應商合作，其中包括總部位于圣地亞哥的 Cymer。ASML 選擇了 Cymer 的解決方案，后來(lái)在 2013 年收購了該公司。但研發(fā)比預期的要困難得多。設計激光產(chǎn)生的等離子體 (LPP) 源涉及以每秒 50,000 次（兩次）撞擊錫液滴以使它們汽化，從而產(chǎn)生比太陽(yáng)表面溫度高 40 倍的等離子體以**** EUV 光。

獲得250W光源

“我們實(shí)際上取得了一些早期的成功，事情看起來(lái)很有希望，我們認為這可能并不像我們預期的那么難！” Danny Brown（EUV 光源系統工程與研究負責人）說(shuō)?！暗泻?，我們錯了?！?因為主要挑戰是在全尺寸設備中實(shí)現 250 W 的功率。盡管遇到了許多挫折，但致力于它的團隊最終還是成功了，并于2021 年 9 月獲得了 Berthold Leibinger 創(chuàng )新獎。

EUV 將繼續存在

在我們達到 250 W 的源功率（這使工廠(chǎng)每小時(shí)可生產(chǎn) 125 片晶圓）并將其工業(yè)化后，隧道的盡頭就在眼前。根據 Jos 的說(shuō)法，我們最終覺(jué)得我們的 EUV 計劃取得了成功是在 2018 年，當時(shí)我們的客戶(hù)開(kāi)始在他們的晶圓廠(chǎng)中大力投資新技術(shù)?！八麄兓ㄙM數十億美元建造晶圓廠(chǎng)并購買(mǎi)我們的機器，這表明他們真的相信 EUV?！?/p>

ASML在2020年出貨其第100臺EUV光刻機

2019 年，第一款支持 EUV 的商業(yè)產(chǎn)品發(fā)布（三星的 Galaxy Note10 和 Galaxy Note10+ 智能手機）。2020 年 12 月，ASML 慶祝了第 100 臺 EUV 系統出貨，截至 2021 年底，127 臺最新一代 EUV 機器在全球客戶(hù)所在地使用?！斑@花了很長(cháng)時(shí)間，但 EUV 正在接管邏輯和 DRAM 內存的關(guān)鍵層，”Jos解釋說(shuō)，“我職業(yè)生涯中最好的時(shí)刻是在 2019 年的一次研討會(huì )上——我拿出了我的三星智能手機并說(shuō)：“我曾經(jīng)天真地說(shuō)EUV將在2006年量產(chǎn)。我可恥地承認已經(jīng)晚了13年?！钡S后我揮舞著(zhù)手機說(shuō)，“但你們中的一些人認為這東西永遠不會(huì )存在?！?”

下一步是什么？EUV 0.55（高數值孔徑）及以上

為了實(shí)現更小的芯片特性，我們不斷創(chuàng )新，現在正在將我們的 EUV 機器的數值孔徑 (NA) 從 0.33 增加到 0.55，這意味著(zhù)新系統中的光學(xué)器件將允許具有更大入射角的光擊中晶圓，為系統提供更高的分辨率并減小可打印特征的尺寸。Jos 解釋說(shuō)：“因為這種新鏡頭根本不同，這意味著(zhù)我們必須想出一種全新的方法來(lái)制造它并測量它的特性?！拔覀冊诓趟竞屯栴D的團隊正在打破一項又一項世界紀錄?！?用于研發(fā)目的的首批 EUV 0.55“EXE”機器計劃于 2023 年底交付給客戶(hù)，我們預計它們將在 2025 年用于大批量制造。

但在 2022 年，我們最大的挑戰是將 EUV 系統的產(chǎn)量從每年 40 個(gè)提高到 60 個(gè)左右。根據我們 EUV 工廠(chǎng)的副總裁 Sheila Leenders 的說(shuō)法，雇用更多的人并建造更多的潔凈室空間只是問(wèn)題的一部分——困難的癥結在于提高我們供應商網(wǎng)絡(luò )的產(chǎn)能以滿(mǎn)足對 EUV 機器的需求?！拔覀兊墓卣媾R一生的挑戰，”她說(shuō)?！拔覀冋谂椭麄冊谌蚬绦枰牡胤教岣弋a(chǎn)能并提高可靠性?！?/p>

通過(guò)合作克服挑戰

多年來(lái)，ASML 克服了許多挫折、意想不到的挑戰和延誤。但是Jos說(shuō)，每當他們看到一個(gè)新的挑戰迫在眉睫時(shí)，他們總是有如何應對它的想法?！巴ㄟ^(guò)我們值得信賴(lài)的合作伙伴網(wǎng)絡(luò )，我們總能找到解決問(wèn)題的方法，”Jos說(shuō)。

“我們處理任何技術(shù)的方式都是通過(guò)協(xié)作網(wǎng)絡(luò )工作，”他繼續說(shuō)道?！斑@使我們能夠利用可用的知識并以‘可接受的’風(fēng)險狀況取得進(jìn)展?！?/p>

在 EUV 技術(shù)開(kāi)發(fā)的所有階段——研究、工業(yè)化和現在的大批量制造——跨境合作一直是關(guān)鍵。今天，我們從美國采購了一些關(guān)鍵的 EUV 模塊，例如用于光源的液滴發(fā)生器以及傳感器、分劃板處理器和平臺，以及來(lái)自德國的其他模塊，例如我們的蔡司光學(xué)器件和通快用于 EUV 源的激光器，我們與世界各地的公司和機構合作，繼續研發(fā)下一代 EUV 機器。作為事物中心的系統架構師，ASML 成功地建立和動(dòng)員了一個(gè)全球生態(tài)系統，以將許多人認為不可能的技術(shù)工業(yè)化。我們現在滿(mǎn)懷信心地將其用于大批量生產(chǎn)。