下一代EUV光刻機(jī)，萬(wàn)事俱備？
發(fā)布人：旺材芯片
時(shí)間：2022-05-31
來(lái)源：工程師
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來(lái)源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察
光刻機(jī)在半導(dǎo)體領(lǐng)域一向是個(gè)熱門(mén)話題，這個(gè)能一次又一次突破工藝極限的設(shè)備仿佛一個(gè)時(shí)光機(jī)器，連接著芯片的現(xiàn)在和未來(lái)。從ASML宣布將推出下一代光刻機(jī)開(kāi)始，人們的目光就從當(dāng)前最新一代的0.33 NA光刻系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到了下一代0.55NA 光刻系統(tǒng)身上。
不知道會(huì)不會(huì)有人和筆者一樣，一邊感嘆著時(shí)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(lái)，因?yàn)閺哪壳暗南?lái)看，售價(jià)4億美元的下一代光刻機(jī)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(jī)？目前下一代光刻機(jī)的進(jìn)展如何？而它又將面臨哪些挑戰(zhàn)？
為什么是High-NA
在28nm 及以上的時(shí)代，芯片制造的過(guò)程應(yīng)該算是相對(duì)簡(jiǎn)單的，只需要將設(shè)計(jì)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(jìn)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(jiǎn)單的單一圖案化工藝。
但當(dāng)芯片制程工藝來(lái)到了22nm節(jié)點(diǎn)，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(jiǎn)單的單一圖案化工藝轉(zhuǎn)向多重圖案化，芯片電路圖不再只被印在一個(gè)掩膜上，而是被分割在兩個(gè)甚至多個(gè)掩膜上，分別打印每個(gè)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(duì)準(zhǔn)方案，這些工藝技術(shù)可以把越來(lái)越小的電路印在晶圓上。
在EUV光刻機(jī)出現(xiàn)之前，技術(shù)人員利用193nm的光刻機(jī)，也就是我們常說(shuō)的DUV光刻機(jī)，通過(guò)把鏡頭放在水里、相移掩膜、多重曝光的方法，一步步推進(jìn)芯片技術(shù)節(jié)點(diǎn)。方正證券曾指出，通過(guò)自對(duì)準(zhǔn)雙重圖案技術(shù)、四重圖案化工藝等，理論上是DUV光刻機(jī)是可以實(shí)現(xiàn)7nm節(jié)點(diǎn)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(fù)雜，量產(chǎn)難度很大。
這時(shí)候，EUV技術(shù)出現(xiàn)了。根據(jù)瑞利方程，光刻機(jī)所用光源波長(zhǎng)越短，越能描繪微細(xì)線寬的半導(dǎo)體電路，因此憑借 13.5nm 的極短波長(zhǎng)，EUV 光刻被引入以取代 193nm的DUV光刻機(jī)。對(duì)于芯片金屬層M2的間距為 36 nm ~ 38 nm的7 nm/6 nm 節(jié)點(diǎn)，以及間距為 30 nm ~ 32 nm的5nm 節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，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(shí)代。
目前，最為先進(jìn)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。
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(lái)拯救，那2nm甚至1nm節(jié)點(diǎn)該怎么辦？
對(duì)于EUV的多重圖案化，專家們分別從技術(shù)和成本上給予了否定。Brewer Science高級(jí)技術(shù)專家 Doug Guerrero 表示：“即使我們將多種圖案化技術(shù)應(yīng)用于 EUV，疊加也將非常困難?！癏arry Levinson也指出，從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看，認(rèn)為雙重模式?jīng)]有意義。
由此看來(lái)，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(xué)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(jié)構(gòu)，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(shí)間，因?yàn)閱未蜨igh NA 所需的總處理量將少于多次通過(guò) 0.33 NA EUV 的總處理時(shí)間。另一方面，也提高了芯片設(shè)計(jì)的靈活性，某些設(shè)計(jì)元素只能在單個(gè)掩模中實(shí)現(xiàn)，而High NA 為這些元素提供了改進(jìn)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(lái)說(shuō)，High-NA EUV是必然的選擇。
當(dāng)前，進(jìn)展如何
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(jī)有望在 2023 年上半年完成。也就是說(shuō)原型機(jī)還有一年就可以完成了。
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(kāi)始集成第一個(gè)High-NA 系統(tǒng)。今年第一季度收到了多個(gè) 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(lái)自三個(gè)邏輯廠商和兩個(gè)存儲(chǔ)廠商的 High-NA 訂單。
同時(shí)，ASML還正在與比利時(shí)電子研究中心IMEC建立一個(gè)測(cè)試實(shí)驗(yàn)室，將在其中建造高 NA 系統(tǒng)，連接到涂層和開(kāi)發(fā)軌道，配備計(jì)量設(shè)備，并建立與高NA工具開(kāi)發(fā)相伴的基礎(chǔ)設(shè)施——包括變形成像、新掩膜技術(shù)、計(jì)量、抗蝕劑篩選和薄膜圖案化材料開(kāi)發(fā)等，并準(zhǔn)備最早在2025 年使用生產(chǎn)模型，在 2026 年實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。
當(dāng)然，光刻機(jī)作為一個(gè)由來(lái)自全球近800家供貨商的多個(gè)模塊和數(shù)十萬(wàn)個(gè)零件組成的“龐然巨物”，僅靠ASML一家努力是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，其他和光刻機(jī)有關(guān)的廠商也已奔赴戰(zhàn)場(chǎng)。
在鏡頭方面，蔡司和ASML將在High-NA光刻機(jī)上采用變形鏡頭，他們通過(guò)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(chǎng)尺寸過(guò)小問(wèn)題，從而得到 26 mm × 用于High NA EUV 光刻機(jī) 16.5 mm 的視場(chǎng)大小。
此外，多層反射鏡具有高反射率的窄入射角范圍對(duì)透鏡和掩膜都有影響，將當(dāng)前一代 0.33 NA 鏡頭的鏡頭設(shè)計(jì)概念擴(kuò)展到 0.55 NA 會(huì)導(dǎo)致鏡面入射角較大，這是有問(wèn)題的。因此，蔡司使用一種不同類型的高數(shù)值孔徑設(shè)計(jì)，以減少反射鏡上的最大入射角，這種新設(shè)計(jì)的一個(gè)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(yīng)用，例如天文學(xué)，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡就是一個(gè)眾所周知的例子。
而日本測(cè)試設(shè)備制造商Lasertec對(duì)于High-NAEUV，正在開(kāi)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(cè) (ABI) 新系統(tǒng)。USA 總裁Masashi Sunako曾表示“我們的目標(biāo)是缺陷定位精度為10nm?！?/span>
據(jù)了解，Lasertec還推出了使用 13.5nm 光源的光化圖案掩膜檢測(cè) (APMI) 系統(tǒng)，能夠定位 EUV 掩模的20nm缺陷。當(dāng)然，其對(duì)于High-NA EUV掩模的 APMI 系統(tǒng)也在開(kāi)發(fā)中，據(jù)悉，新的光學(xué)器件、探測(cè)器和系統(tǒng)設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，計(jì)劃用于2023/2024 年。
此外，KLA 和 NuFlare 也在開(kāi)發(fā)多束電子束掩模檢測(cè)工具。其中，NuFlare 正在開(kāi)發(fā)具有 100 束光束的多光束檢測(cè)系統(tǒng)，計(jì)劃于 2023 年推出。NuFlare 的Tadayuki Sugimori 指出，該系統(tǒng)靈敏度為 15nm，每個(gè)掩膜檢查周期的檢查時(shí)間為 6 小時(shí)。
未來(lái)，挑戰(zhàn)依舊重重
·分辨率的要求
長(zhǎng)期以來(lái)，光刻膠一直限制著EUV光刻能力，并隨著技術(shù)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(shí)候，人們就已經(jīng)意識(shí)到LER的問(wèn)題，但那時(shí)候它對(duì)芯片制造影響不大，但隨著工藝節(jié)點(diǎn)不斷微縮，LER就開(kāi)始影響線寬控制和器件性能。想要降低LER帶來(lái)的影響，就必須實(shí)現(xiàn)低LER。
使用 EUV 光刻圖案化的 30 nm 線/空間中隨機(jī)引起的缺陷示例圖源：日本應(yīng)用物理學(xué)雜志
另一方面，許多不同類型的 EUV 光刻膠都有個(gè)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(guò)程中，由于光酸擴(kuò)散，化學(xué)放大抗蝕劑也會(huì)出現(xiàn)額外的模糊，在某種程度上也會(huì)影響良率。
當(dāng)前，以 10 nm ? 間距及以下為目標(biāo)的光刻膠的研發(fā)仍在進(jìn)行中，必須克服目前化學(xué)放大型抗蝕劑存在的許多問(wèn)題，但目前還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)具有低LER、低水平的隨機(jī)性缺陷、無(wú)圖案塌陷和必要的分辨率，同時(shí)避免過(guò)高曝光劑量的光刻膠，需要繼續(xù)研發(fā)、改進(jìn)。
·光源
無(wú)論是光刻膠還是其他特定材料配方，都存在一個(gè)劑量，低于該劑量時(shí)光子散粒噪聲引起的 LER 和缺陷太大而無(wú)法滿足技術(shù)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 SanDiego 使用其激光產(chǎn)生的等離子體 (LPP) 光源實(shí)現(xiàn)了 400-500 W 的輸出，通過(guò)將紅外激光轉(zhuǎn)換為波段內(nèi)EUV光的更高效率，提高了脈沖間重復(fù)性，增加LPP 光源的輸出。此外，人們還把自由電子激光器認(rèn)為是 LPP 光源的替代品。目前來(lái)看，ASML仍在努力實(shí)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(xué)投影光刻的挑戰(zhàn)。當(dāng)NA為0.55 時(shí)，DOF明顯降低，大約是0.33 NA 的 1/3，因此需要改進(jìn)聚焦控制來(lái)實(shí)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(dāng)光刻膠薄膜變得非常薄時(shí)，又會(huì)存在諸如組件偏析之類的現(xiàn)象，降低圖案化。
此外，焦點(diǎn)控制不僅僅是光刻技術(shù)中的問(wèn)題，還對(duì)晶圓平整度提出了更高的要求，這也對(duì)薄膜沉積，尤其是化學(xué)機(jī)械拋光 (CMP) 提出了嚴(yán)格的要求。
·偏振控制，用于在 0.55 NA 下保持高對(duì)比度
在High-NA下，圖像對(duì)比度取決于照明的偏振。如下圖所示，兩個(gè)干涉平面波的圖像對(duì)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(duì)比度變小。出于這個(gè)原因，浸入式光刻機(jī)的照明系統(tǒng)提供了偏振控制，并計(jì)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(dāng)在0.55 NA 處使用非偏振光時(shí)圖像對(duì)比度會(huì)明顯下降。另一方面，自由電子激光器的****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(dòng)力。
給定數(shù)值孔徑支持的兩個(gè)干涉平面波在最大入射角下產(chǎn)生的圖像對(duì)比。
對(duì)于 S 偏振，偏振矢量垂直于入射平面，而對(duì)于 P 偏振光，它們位于入射平面內(nèi)。
·計(jì)算光刻能力
計(jì)算精度需要考慮許多物理現(xiàn)象，同時(shí)與高 NA 相關(guān)的小焦深增加了對(duì)計(jì)算解決方案的需求。當(dāng)前，反向光刻技術(shù) (ILT) 已被證明可用于構(gòu)建最大化工藝窗口的掩膜版圖，并且由于 ILT 的應(yīng)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(xiě)入器解決了這個(gè)問(wèn)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(kāi)始對(duì)掩膜上曲線特征的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。雖然ILT 和曲線特征并不是High NA EUV 所獨(dú)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(shù)的重要組成部分。
·掩膜制造和計(jì)量基礎(chǔ)設(shè)施
光掩膜是芯片制造的重要組成部分，隨著電路圖越來(lái)越小，與理想掩膜的偏差越來(lái)越大，進(jìn)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(qiáng)對(duì)掩膜壽命等。最重要的是，在High NA EUV 光學(xué)系統(tǒng)中引入新光掩模類型也給掩膜行業(yè)帶來(lái)額外的復(fù)雜性。
當(dāng)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(zhǎng)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(huì)扭曲空中圖像，最終轉(zhuǎn)移到光刻膠中的光圖案，并降低其圖像對(duì)比度。這些所謂的掩膜 3D 效果還伴隨著更多的特征相關(guān)變化和對(duì)晶圓的最佳聚焦，這對(duì)DOF原本就已經(jīng)降低的High NA EUV 光刻技術(shù)提出了額外的挑戰(zhàn)。
當(dāng)然，隨著掩膜逐漸變得復(fù)雜，對(duì)設(shè)備的要求也日漸提升。
·大芯片解決方案
當(dāng)前大芯片十分火熱，但卻由于尺寸太大無(wú)法適應(yīng)高 NA 曝光工具的 ? 場(chǎng)。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(shuō)，就是一部分芯片使用一個(gè)掩膜進(jìn)行圖案轉(zhuǎn)印，而其余部分通過(guò)第二個(gè)掩膜曝光進(jìn)行圖案轉(zhuǎn)印。
拼接不是一種新的光刻技術(shù)，但需要非常精確實(shí)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(guò)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(huì)導(dǎo)致局部應(yīng)力降低，進(jìn)而影響掩膜特征。
·High-NA EUV 光刻的成本
成本一直是光刻機(jī)關(guān)注的問(wèn)題，光刻機(jī)價(jià)格昂貴不是一天兩天了，顯然High NA EUV光刻機(jī)只會(huì)更貴，其成本預(yù)計(jì)將超過(guò) 3 億美元。前面幾代光刻機(jī)，其價(jià)格的指數(shù)增長(zhǎng)被吞吐量的提高所抵消，由此可以看出光刻機(jī)的吞吐量尤為重要。
因此，如何提高光刻機(jī)的吞吐量成為了關(guān)鍵，從這方面來(lái)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(shí)現(xiàn)了 400-500 W 的源功率，并且計(jì)劃實(shí)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(yù)計(jì)具有高功率，這也是考慮將自由電子激光器作為 EUV光刻機(jī)光源的另一個(gè)原因。
但當(dāng)光源高于800 W后，High NA EUV 光刻機(jī)的吞吐量將接近機(jī)械極限，屆時(shí)又將面臨新的難題。
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