ASML科普，EUV光刻機(jī)的奇跡之路

來源：內(nèi)容由半導(dǎo)體行業(yè)觀察（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(dāng)時(shí)，在 70 年代俄羅斯完成的多層鏡研究的基礎(chǔ)上，Hiroo Kinoshita 投影了第一張 EUV 圖像。美國和荷蘭的實(shí)驗(yàn)室很快也開始探索這一潛在的光刻技術(shù)新發(fā)展。最初被稱為“soft x-ray”光刻，“extreme ultraviolet”這個(gè)名稱的靈感來自天文學(xué)家對相同光波長和光子能量使用的術(shù)語。

在光刻技術(shù)中，使用較短的光波長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(qiáng)大。當(dāng) 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，稱為 g-line，后來，產(chǎn)生了 365 nm 的紫外 (UV) 光，稱為 i-line。早期的 EUV 研究人員追求從 4 到 40 的幾個(gè)波長，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?qū)崿F(xiàn)未來幾代“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(jù)的****注”，因?yàn)檫@種技術(shù)似乎最適合繼續(xù)晶體管微縮，同時(shí)在大規(guī)模生產(chǎn)中仍能負(fù)擔(dān)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(jī)會的挑戰(zhàn)?！癧我在 1986 年的日本應(yīng)用光學(xué)學(xué)會年會上展示了我的結(jié)果，”他說?！安恍业氖?，聽眾對我的演講高度懷疑。然而，我的信念并沒有改變。”

長期從事半導(dǎo)體行業(yè)的資深人士、當(dāng)時(shí)的勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室研究員 Andrew Hawryluk 在會議上回憶了類似的挫敗感。他解釋了 1987 年 12 月，一位教授如何拜訪他和他的團(tuán)隊(duì)。在了解了他們在 EUV 方面的開創(chuàng)性研究后，教授問道：“但你真的可以用這些東西做任何有用的事情嗎？”

“他的話一直困擾著我，”Andrew說，他回家過圣誕假期，兩周后帶著一份 30 頁的 EUV 光刻白皮書回來。他和他的團(tuán)隊(duì)在那年晚些時(shí)候的一次會議上提交了這篇論文，但即便如此，也很難找到支持?！澳銦o法想象我在那次演講中得到的負(fù)面評價(jià)，”Andrew回憶道?！坝^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接到了來自貝爾實(shí)驗(yàn)室的William (Bill) Brinkman的電話，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(yàn)室的 EUV 光刻研究國家項(xiàng)目提供資金，后來被稱為“虛擬國家實(shí)驗(yàn)室”。

走向工業(yè)化

“Bill給了我們錢，但錢遲早會用完，”Andrew說。“關(guān)鍵的是讓行業(yè)參與支持這項(xiàng)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(nèi)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(yàn)室簽訂合同，以加速 EUV 光刻技術(shù)的開發(fā)并降低與新技術(shù)工業(yè)化相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)（EUV 光刻技術(shù)，Wurm，Stefan，Gwyn 和 Chuck，2008 年）。

ASML 的原型 EUV 系統(tǒng)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)化研究才在歐洲開始。1997 年，ASML 聘請了 Jos Benschop（技術(shù)高級副總裁）來啟動其EUV 計(jì)劃。

在 Jos 的幫助下，1998 年，ASML 與其長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(yīng)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(jì)量研究所）和 Fraunhofer-IWS在內(nèi)的其他供應(yīng)商合作。ASML 和 EUCLIDES 于 1999 年與美國 EUV LLC 聯(lián)手，而日本則通過其 ASET 計(jì)劃（超先進(jìn)電子技術(shù)協(xié)會）和后來的日本極紫外光刻發(fā)展協(xié)會 (EUVA) 計(jì)劃來追求 EUV 技術(shù)的發(fā)展。

2000 年，Jos 能夠在 SPIE 上展示 EUCLIDES 計(jì)劃的第一個(gè)結(jié)果?？吹搅丝赡苄院?，ASML 在 2001 年分配了一小群人和少量資源來構(gòu)建一個(gè) EUV 原型系統(tǒng)。

該團(tuán)隊(duì)在 2006 年實(shí)現(xiàn)了他們的目標(biāo)，當(dāng)時(shí)第一批 EUV 原型被運(yùn)往比利時(shí)的 imec 和紐約奧爾巴尼的 SUNY（College of Nanoscale Science & Engineering）。在那里，原型被用來更好地了解 EUV 以及這項(xiàng)新技術(shù)如何融入半導(dǎo)體制造過程。事情開始變得真實(shí)。

實(shí)現(xiàn)“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 EUV 測試芯片。2009 年，ASML 在荷蘭 Veldhoven 的總部開設(shè)了大樓，這些大樓將容納10,000 平方米的潔凈室和用于 EUV 開發(fā)和生產(chǎn)的工作空間。

然后，在 2010 年，ASML向韓國三星研究機(jī)構(gòu)運(yùn)送了第一臺 TWINSCAN NXE:3100，這是一種預(yù)生產(chǎn)的 EUV 系統(tǒng)。這臺機(jī)器在平安夜實(shí)現(xiàn)了“第一道光”（天文學(xué)參考）。對于Jos 說，這是 13 年辛勤工作的結(jié)晶。

一群員工站在荷蘭 Veldhoven 的 ASML 總部前，慶祝 2010 年第一臺 EUV 機(jī)器出貨。

“我們從 1997 年就開始著手這方面的工作，”他說?！巴蝗婚g，到了 2010 年，你要飛到海外去韓國。你坐長途出租車，換衣服，去工廠，拐個(gè)彎，它就在那里：機(jī)器。那是一個(gè)偉大的時(shí)刻。最初的夢想在客戶的工廠中變成了現(xiàn)實(shí)?！?/p>

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

這個(gè)過程需要這么長時(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(chǔ)設(shè)施?！俺藪呙鑳x，您還需要優(yōu)化標(biāo)線片和光刻膠，以及 EDA（電子設(shè)計(jì)自動化）——用于設(shè)計(jì)芯片的軟件工具，充分利用新功能的優(yōu)勢。這是一個(gè)不斷反饋的過程，過程中每個(gè)部分的數(shù)據(jù)都會影響其他部分，”Jos 解釋道。

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

一路走來的技術(shù)挑戰(zhàn)

“這比我想象的要花更長的時(shí)間，也比我想象的要多得多，”Jos表示?！盎仡欉@個(gè)過程，你可以說我們要么很聰明，要么就是很固執(zhí)，”他笑著說。

為了躍遷到 13.5 nm 的極紫外光，幾乎需要在光刻機(jī)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(lán)圖的標(biāo)線片被打印。更復(fù)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(xiǎn)，”Jos回憶道?！坝捎趏utgassing，這使材料成為一項(xiàng)挑戰(zhàn)——你可以使用什么材料，以及你必須如何處理和清潔它們。”

Jos 解釋說：“當(dāng)蔡司證明它可以制造專門的 EUV 光學(xué)器件時(shí)，我們的研究真正獲得了關(guān)注。”光學(xué)一直是 EUV 最大的預(yù)期挑戰(zhàn)，但多虧了蔡司，它很快就從關(guān)鍵問題列表中掉了下來。

隨后，ASML 的重點(diǎn)轉(zhuǎn)向解決“光源”挑戰(zhàn)?！坝捎诠庠磫栴}，我們遭到了很多挑戰(zhàn)，”Jos承認(rèn)?！岸鄠€(gè)客戶會參考我們的光源路線圖并說，這是您多年前承諾的，而現(xiàn)實(shí)遠(yuǎn)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 開始與荷蘭、日本和美國的幾家 EUV光源的潛在供應(yīng)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，后來在 2013 年收購了該公司。但研發(fā)比預(yù)期的要困難得多。設(shè)計(jì)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，事情看起來很有希望，我們認(rèn)為這可能并不像我們預(yù)期的那么難！” Danny Brown（EUV 光源系統(tǒng)工程與研究負(fù)責(zé)人）說?！暗泻ⅲ覀冨e(cuò)了。” 因?yàn)橹饕魬?zhàn)是在全尺寸設(shè)備中實(shí)現(xiàn) 250 W 的功率。盡管遇到了許多挫折，但致力于它的團(tuán)隊(duì)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(xù)存在

在我們達(dá)到 250 W 的源功率（這使工廠每小時(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(jù) Jos 的說法，我們最終覺得我們的 EUV 計(jì)劃取得了成功是在 2018 年，當(dāng)時(shí)我們的客戶開始在他們的晶圓廠中大力投資新技術(shù)?！八麄兓ㄙM(fèi)數(shù)十億美元建造晶圓廠并購買我們的機(jī)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(jī)

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(jī)）。2020 年 12 月，ASML 慶祝了第 100 臺 EUV 系統(tǒng)出貨，截至 2021 年底，127 臺最新一代 EUV 機(jī)器在全球客戶所在地使用?！斑@花了很長時(shí)間，但 EUV 正在接管邏輯和 DRAM 內(nèi)存的關(guān)鍵層，”Jos解釋說，“我職業(yè)生涯中最好的時(shí)刻是在 2019 年的一次研討會上——我拿出了我的三星智能手機(jī)并說：“我曾經(jīng)天真地說EUV將在2006年量產(chǎn)。我可恥地承認(rèn)已經(jīng)晚了13年?！钡S后我揮舞著手機(jī)說，“但你們中的一些人認(rèn)為這東西永遠(yuǎn)不會存在?！?”

下一步是什么？EUV 0.55（高數(shù)值孔徑）及以上

為了實(shí)現(xiàn)更小的芯片特性，我們不斷創(chuàng)新，現(xiàn)在正在將我們的 EUV 機(jī)器的數(shù)值孔徑 (NA) 從 0.33 增加到 0.55，這意味著新系統(tǒng)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(tǒng)提供更高的分辨率并減小可打印特征的尺寸。Jos 解釋說：“因?yàn)檫@種新鏡頭根本不同，這意味著我們必須想出一種全新的方法來制造它并測量它的特性。“我們在蔡司和威爾頓的團(tuán)隊(duì)正在打破一項(xiàng)又一項(xiàng)世界紀(jì)錄?！?用于研發(fā)目的的首批 EUV 0.55“EXE”機(jī)器計(jì)劃于 2023 年底交付給客戶，我們預(yù)計(jì)它們將在 2025 年用于大批量制造。

但在 2022 年，我們最大的挑戰(zhàn)是將 EUV 系統(tǒng)的產(chǎn)量從每年 40 個(gè)提高到 60 個(gè)左右。根據(jù)我們 EUV 工廠的副總裁 Sheila Leenders 的說法，雇用更多的人并建造更多的潔凈室空間只是問題的一部分——困難的癥結(jié)在于提高我們供應(yīng)商網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)能以滿足對 EUV 機(jī)器的需求?！拔覀兊墓?yīng)基地正面臨一生的挑戰(zhàn)，”她說。“我們正在努力幫助他們在全球供應(yīng)商需要的地方提高產(chǎn)能并提高可靠性?！?/p>

通過合作克服挑戰(zhàn)

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

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

在 EUV 技術(shù)開發(fā)的所有階段——研究、工業(yè)化和現(xiàn)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(jī)構(gòu)合作，繼續(xù)研發(fā)下一代 EUV 機(jī)器。作為事物中心的系統(tǒng)架構(gòu)師，ASML 成功地建立和動員了一個(gè)全球生態(tài)系統(tǒng)，以將許多人認(rèn)為不可能的技術(shù)工業(yè)化。我們現(xiàn)在滿懷信心地將其用于大批量生產(chǎn)。