下一代EUV光刻機，萬事俱備？

來源：半導體行業(yè)觀察

作者：龔佳佳

光刻機在半導體領域一向是個熱門話題，這個能一次又一次突破工藝極限的設備仿佛一個時光機器，連接著芯片的現(xiàn)在和未來。從ASML宣布將推出下一代光刻機開始，人們的目光就從當前最新一代的0.33 NA光刻系統(tǒng)轉移到了下一代0.55NA 光刻系統(tǒng)身上。

不知道會不會有人和筆者一樣，一邊感嘆著時間就像是被狗追著一樣,跑得飛快，一邊又期待著2025年的到來，因為從目前的消息來看，售價4億美元的下一代光刻機很有可能將在2025年投入使用。

那么，為什么需要High-NA EUV光刻機？目前下一代光刻機的進展如何？而它又將面臨哪些挑戰(zhàn)？

為什么是High-NA

眾所周知，光刻機的主要作用是將芯片電路圖轉移到硅片上，而光刻技術正是決定芯片電路大小的關鍵因素。在芯片制造中，電路越小越好，因為在相同空間中封裝的晶體管越多，芯片的速度和能效就越高。

在28nm 及以上的時代，芯片制造的過程應該算是相對簡單的，只需要將設計好的芯片圖案印在掩膜上，并把掩膜放置在光刻掃描儀中，掃描儀只需要進行單次光刻曝光，就可以把電路圖“雕刻”在晶片上，這屬于最簡單的單一圖案化工藝。

但當芯片制程工藝來到了22nm節(jié)點，隨著晶體管從平面走向3D，掩膜上的電路圖變得密集，使得在晶圓上“雕刻”電路圖變得更加困難，大幅提高了芯片制造工藝的難度和成本。為此，芯片制造工藝從上述簡單的單一圖案化工藝轉向多重圖案化，芯片電路圖不再只被印在一個掩膜上，而是被分割在兩個甚至多個掩膜上，分別打印每個掩膜，最終將整套原始繪制的形狀成像到晶圓上。為了能把電路圖印在晶圓上，芯片制造商使用了各種工藝方案，比如雙重圖案化或自對準方案，這些工藝技術可以把越來越小的電路印在晶圓上。

圖源：方正證券

在EUV光刻機出現(xiàn)之前，技術人員利用193nm的光刻機，也就是我們常說的DUV光刻機，通過把鏡頭放在水里、相移掩膜、多重曝光的方法，一步步推進芯片技術節(jié)點。方正證券曾指出，通過自對準雙重圖案技術、四重圖案化工藝等，理論上是DUV光刻機是可以實現(xiàn)7nm節(jié)點工藝制程，但是顯然所需的掩膜數(shù)量極其多，而且工藝也十分復雜，量產(chǎn)難度很大。

這時候，EUV技術出現(xiàn)了。根據(jù)瑞利方程，光刻機所用光源波長越短，越能描繪微細線寬的半導體電路，因此憑借 13.5nm 的極短波長，EUV 光刻被引入以取代 193nm的DUV光刻機。對于芯片金屬層M2的間距為 36 nm ~ 38 nm的7 nm/6 nm 節(jié)點，以及間距為 30 nm ~ 32 nm的5nm 節(jié)點來說，13 nm 分辨率足以讓芯片制造工藝再次回到了單一圖案化時代。

目前，最為先進的5/4nm芯片，以及今年內(nèi)有望量產(chǎn)的3nm芯片，使用的就是ASML ?0.33 NA光刻系統(tǒng)：NXE:3400C或者NXE:3400D。

圖源：ASML

但HJL Lithography的Harry Levinson曾指出，金屬層M2在 28nm 及以下的間距下，代工廠及其客戶有以下選擇——雙重圖案化 EUV、三重圖案化EUV 或High-NA。如今3nm還有NXE:3400D來拯救，那2nm甚至1nm節(jié)點該怎么辦？

對于EUV的多重圖案化，專家們分別從技術和成本上給予了否定。Brewer Science高級技術專家 Doug Guerrero 表示：“即使我們將多種圖案化技術應用于 EUV，疊加也將非常困難?！癏arry Levinson也指出，從經(jīng)濟角度來看，認為雙重模式?jīng)]有意義。

由此看來，為了能讓摩爾定律能夠繼續(xù)延續(xù)下去，最優(yōu)解就是High-NA。NA是光學系統(tǒng)的數(shù)值孔徑，表示光線的入射角度，使用更大的NA透鏡可以打印出更小的結構，比如0.55 NA 就能夠?qū)崿F(xiàn) 8nm 分辨率。

一方面，High-NA EUV能夠減少晶圓廠的周期時間，因為單次High NA 所需的總處理量將少于多次通過 0.33 NA EUV 的總處理時間。另一方面，也提高了芯片設計的靈活性，某些設計元素只能在單個掩模中實現(xiàn)，而High NA 為這些元素提供了改進的成像窗口。更重要的是，工藝步驟的減少還能提高了芯片的產(chǎn)量。

從這方面來說，High-NA EUV是必然的選擇。

當前，進展如何

既然ASML 下一代EUV 0.55 NA光刻機的時間表已出，那么現(xiàn)在，它的進展又如何？

據(jù)路透社最新消息，ASML 位于荷蘭 Veldhoven 鎮(zhèn)總部的高管告訴路透社，原型機有望在 2023 年上半年完成。也就是說原型機還有一年就可以完成了。

圖源：ASML

此外，ASML 首席執(zhí)行官 Peter Wennink在4月透露，目前在位于 Veldhoven 的新潔凈室中已經(jīng)開始集成第一個High-NA 系統(tǒng)。今年第一季度收到了多個 EXE:5200 系統(tǒng)的訂單，4 月還收到了額外的 EXE:5200 訂單。目前，ASML收到了來自三個邏輯廠商和兩個存儲廠商的 High-NA 訂單。

同時，ASML還正在與比利時電子研究中心IMEC建立一個測試實驗室，將在其中建造高 NA 系統(tǒng)，連接到涂層和開發(fā)軌道，配備計量設備，并建立與高NA工具開發(fā)相伴的基礎設施——包括變形成像、新掩膜技術、計量、抗蝕劑篩選和薄膜圖案化材料開發(fā)等，并準備最早在2025 年使用生產(chǎn)模型，在 2026 年實現(xiàn)大批量生產(chǎn)。

當然，光刻機作為一個由來自全球近800家供貨商的多個模塊和數(shù)十萬個零件組成的“龐然巨物”，僅靠ASML一家努力是遠遠不夠的，其他和光刻機有關的廠商也已奔赴戰(zhàn)場。

在鏡頭方面，蔡司和ASML將在High-NA光刻機上采用變形鏡頭，他們通過在垂直于入射平面的方向上保持 4 ×鏡頭縮小解決了晶圓上最大曝光場尺寸過小問題，從而得到 26 mm × 用于High NA EUV 光刻機 16.5 mm 的視場大小。

光照下的 EUV 掩模示意圖
圖源：日本應用物理學雜志

此外，多層反射鏡具有高反射率的窄入射角范圍對透鏡和掩膜都有影響，將當前一代 0.33 NA 鏡頭的鏡頭設計概念擴展到 0.55 NA 會導致鏡面入射角較大，這是有問題的。因此，蔡司使用一種不同類型的高數(shù)值孔徑設計，以減少反射鏡上的最大入射角，這種新設計的一個基本特征是中央遮蔽，具有中央遮蔽的高性能鏡頭已被用于其他應用，例如天文學，哈勃太空望遠鏡就是一個眾所周知的例子。

EUV 透鏡中最后兩個反射鏡的圖示
圖源：日本應用物理學雜志

而日本測試設備制造商Lasertec對于High-NAEUV，正在開發(fā)一種具有 1nm x 30nm 靈敏度的用于 EUV 掩膜坯料的光化坯料檢測 (ABI) 新系統(tǒng)。USA 總裁Masashi Sunako曾表示“我們的目標是缺陷定位精度為10nm?！?/p>

據(jù)了解，Lasertec還推出了使用 13.5nm 光源的光化圖案掩膜檢測 (APMI) 系統(tǒng)，能夠定位 EUV 掩模的20nm缺陷。當然，其對于High-NA EUV掩模的 APMI 系統(tǒng)也在開發(fā)中，據(jù)悉，新的光學器件、探測器和系統(tǒng)設計已經(jīng)完成，計劃用于2023/2024 年。

此外，KLA 和 NuFlare 也在開發(fā)多束電子束掩模檢測工具。其中，NuFlare 正在開發(fā)具有 100 束光束的多光束檢測系統(tǒng)，計劃于 2023 年推出。NuFlare 的Tadayuki Sugimori 指出，該系統(tǒng)靈敏度為 15nm，每個掩膜檢查周期的檢查時間為 6 小時。

未來，挑戰(zhàn)依舊重重

即便廠商們都在努力，但想要制造出High-NA EUV依然有著不小的挑戰(zhàn)。近期，在日本應用物理學雜志4月發(fā)表的《高數(shù)值孔徑 EUV 光刻：現(xiàn)狀和未來展望》論文列出了High-NA EUV面對的八大挑戰(zhàn)，分別是：無法滿足分辨率要求，隨機現(xiàn)象和圖案崩潰可能影響良率；可以支持光子散粒噪聲和生產(chǎn)力要求的光源；滿足 0.55 NA 小焦深的解決方案；偏振控制，用于在 0.55 NA 下保持高對比度；計算光刻能力；掩膜制造和計量基礎設施；大芯片解決方案；High-NA EUV 光刻成本。

圖源：日本應用物理學雜志

• 分辨率的要求

長期以來，光刻膠一直限制著EUV光刻能力，并隨著技術的發(fā)展，不斷減薄，這也使得線條邊緣粗糙度 (LER)不斷增加。早在ArF 光刻的時候，人們就已經(jīng)意識到LER的問題，但那時候它對芯片制造影響不大，但隨著工藝節(jié)點不斷微縮，LER就開始影響線寬控制和器件性能。想要降低LER帶來的影響，就必須實現(xiàn)低LER。

使用 EUV 光刻圖案化的 30 nm 線/空間中隨機引起的缺陷示例
圖源：日本應用物理學雜志

另一方面，許多不同類型的 EUV 光刻膠都有個共同特征，那就是模糊。除了由電子引起的圖像模糊外，在曝光后烘烤過程中，由于光酸擴散，化學放大抗蝕劑也會出現(xiàn)額外的模糊，在某種程度上也會影響良率。

當前，以 10 nm ? 間距及以下為目標的光刻膠的研發(fā)仍在進行中，必須克服目前化學放大型抗蝕劑存在的許多問題，但目前還沒有發(fā)現(xiàn)具有低LER、低水平的隨機性缺陷、無圖案塌陷和必要的分辨率，同時避免過高曝光劑量的光刻膠，需要繼續(xù)研發(fā)、改進。

• 光源

無論是光刻膠還是其他特定材料配方，都存在一個劑量，低于該劑量時光子散粒噪聲引起的 LER 和缺陷太大而無法滿足技術要求，因此需要有足夠高輸出功率的光源以避免降低吞吐量和生產(chǎn)率。

ASML 的 EUV 曝光工具的吞吐量作為源功率 (W) 除以曝光劑量 (mJ cm -2 ) 的函數(shù)。箭頭指示具有 500 W 源和 80 mJ cm -2暴露劑量的工具的點。

圖源：日本應用物理學雜志

ASML SanDiego 使用其激光產(chǎn)生的等離子體 (LPP) 光源實現(xiàn)了 400-500 W 的輸出，通過將紅外激光轉換為波段內(nèi)EUV光的更高效率，提高了脈沖間重復性，增加LPP 光源的輸出。此外，人們還把自由電子激光器認為是 LPP 光源的替代品。目前來看，ASML仍在努力實現(xiàn)更高的光輸出。

• 滿足 0.55 NA 小焦深的解決方案

焦深（DOF）一直也屬于光學投影光刻的挑戰(zhàn)。當NA為0.55 時，DOF明顯降低，大約是0.33 NA 的 1/3，因此需要改進聚焦控制來實現(xiàn)高數(shù)值孔徑 EUV 光刻。在這方面，為了獲得良好的成像，光刻膠減薄就非常重要，但當光刻膠薄膜變得非常薄時，又會存在諸如組件偏析之類的現(xiàn)象，降低圖案化。

此外，焦點控制不僅僅是光刻技術中的問題，還對晶圓平整度提出了更高的要求，這也對薄膜沉積，尤其是化學機械拋光 (CMP) 提出了嚴格的要求。

• 偏振控制，用于在 0.55 NA 下保持高對比度

在High-NA下，圖像對比度取決于照明的偏振。如下圖所示，兩個干涉平面波的圖像對比度可以在S偏振光的大NA下保持，但隨著NA的增加，P偏振和非偏振光的對比度變小。出于這個原因，浸入式光刻機的照明系統(tǒng)提供了偏振控制，并計劃在High NA 曝光工具上初始使用的激光產(chǎn)生的等離子體 (LPP) 光源產(chǎn)生非偏振光。當在0.55 NA 處使用非偏振光時圖像對比度會明顯下降。另一方面，自由電子激光器的發(fā)射是偏振的，這為考慮將自由電子激光器 (FEL) 作為High NA EUV 曝光系統(tǒng)的光源提供了額外的動力。

給定數(shù)值孔徑支持的兩個干涉平面波在最大入射角下產(chǎn)生的圖像對比。

對于 S 偏振，偏振矢量垂直于入射平面，而對于 P 偏振光，它們位于入射平面內(nèi)。

圖源：日本應用物理學雜志

• 計算光刻能力

計算精度需要考慮許多物理現(xiàn)象，同時與高 NA 相關的小焦深增加了對計算解決方案的需求。當前，反向光刻技術 (ILT) 已被證明可用于構建最大化工藝窗口的掩膜版圖，并且由于 ILT 的應用而產(chǎn)生的最佳掩膜布局通常呈曲線，讓掩膜制造變得更加困難。

而多光束掩模寫入器解決了這個問題，不僅讓生產(chǎn)具有曲線圖案的高質(zhì)量掩模成為可能，還開始對掩膜上曲線特征的數(shù)據(jù)格式進行標準化。雖然ILT 和曲線特征并不是High NA EUV 所獨有的，但這些功能在High NA EUV 上逐漸成熟，因此有望成為High NA 技術的重要組成部分。

• 掩膜制造和計量基礎設施

光掩膜是芯片制造的重要組成部分，隨著電路圖越來越小，與理想掩膜的偏差越來越大，進而影響了最終晶圓的圖案。因此需要解決掩膜難題，包括減少掩膜3D 效果、增強對掩膜壽命等。最重要的是，在High NA EUV 光學系統(tǒng)中引入新光掩模類型也給掩膜行業(yè)帶來額外的復雜性。

當前基于鉭的吸收器通常約為 60-70nm 厚，旨在吸收足夠量的光，與13.5nm 波長相比，厚度較大，因此以特定入射角（在傳統(tǒng) EUV 光刻中以 6° 為中心）照射掩膜，會扭曲空中圖像，最終轉移到光刻膠中的光圖案，并降低其圖像對比度。這些所謂的掩膜 3D 效果還伴隨著更多的特征相關變化和對晶圓的最佳聚焦，這對DOF原本就已經(jīng)降低的High NA EUV 光刻技術提出了額外的挑戰(zhàn)。

當然，隨著掩膜逐漸變得復雜，對設備的要求也日漸提升。

• 大芯片解決方案

當前大芯片十分火熱，但卻由于尺寸太大無法適應高 NA 曝光工具的 ? 場。為了能夠繼續(xù)生產(chǎn)具有相似尺寸的芯片，需要采用拼接。換句話說，就是一部分芯片使用一個掩膜進行圖案轉印，而其余部分通過第二個掩膜曝光進行圖案轉印。

拼接不是一種新的光刻技術，但需要非常精確實施。此外，由于 EUV 吸收劑不能完全有效地抑制反射光，因此往往通過蝕刻去除掩膜版曝光區(qū)域周圍的多層反射器，而蝕刻黑色邊框會導致局部應力降低，進而影響掩膜特征。

• High-NA EUV 光刻的成本

成本一直是光刻機關注的問題，光刻機價格昂貴不是一天兩天了，顯然High NA EUV光刻機只會更貴，其成本預計將超過 3 億美元。前面幾代光刻機，其價格的指數(shù)增長被吞吐量的提高所抵消，由此可以看出光刻機的吞吐量尤為重要。

因此，如何提高光刻機的吞吐量成為了關鍵，從這方面來看，提高光源的功率是解決辦法之一。一方面，ASML San Diego 已經(jīng)為 LPP 源實現(xiàn)了 400-500 W 的源功率，并且計劃實現(xiàn)更高的功率。另一方面，除了提供偏振光外，自由電子激光器預計具有高功率，這也是考慮將自由電子激光器作為 EUV光刻機光源的另一個原因。

但當光源高于800 W后，High NA EUV 光刻機的吞吐量將接近機械極限，屆時又將面臨新的難題。

寫在最后

總的來說，光刻機向High NA邁進已經(jīng)成為“續(xù)命”摩爾定律的必經(jīng)之路，在日前舉辦的的SPIE Advanced Lithography and Patterning上，甚至開始討論如何轉向 0.7 NA EUV。但顯然，橫跨在大家面前的，仍是不小的挑戰(zhàn)。