下一代光刻機(jī)萬(wàn)事俱備了？或?qū)⒂?025年首次部署
正如大家所熟知，光刻機(jī)下一個(gè)發(fā)展方向是引入High NA (0.55NA) EUVL，以實(shí)現(xiàn)低至 8nm 的半間距成像（half-pitch imaging）。
為了支持引入High NA EUVL，imec 和ASML 正在建立一個(gè)High NA EUV 實(shí)驗(yàn)室，以滿足High NA 芯片制造商的早期開(kāi)發(fā)需求。與此同時(shí)，我們正在與更廣泛的圖案化設(shè)備和材料供應(yīng)商生態(tài)系統(tǒng)合作，以便能夠訪問(wèn) High NA 實(shí)驗(yàn)室并準(zhǔn)備 EUV 抗蝕劑材料、底層、干法蝕刻、光掩模、分辨率增強(qiáng)技術(shù) (RET) 和計(jì)量技術(shù)?！?br style="white-space: normal; color: rgb(102, 102, 102); font-family: 宋體; font-size: 12px;"/>
在imec看來(lái)，當(dāng)前的首要任務(wù)是確保High NA 工具的可用性。ASML 和蔡司在集成所有模塊和光學(xué)元件方面取得了顯著進(jìn)展。盡管已經(jīng)為引入低 NA EUV 開(kāi)發(fā)了許多與工藝相關(guān)的突破性解決方案，但仍需要進(jìn)一步發(fā)展以有效引入High NA EUV。
除了High NA 工具之外，EUV 光刻膠開(kāi)發(fā)仍然是 imec 與其生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴的首要任務(wù)之一。High NA EUVL 的出現(xiàn)將進(jìn)一步提高分辨率并減小特征尺寸，同時(shí)降低焦深。這當(dāng)然會(huì)導(dǎo)致薄膜（film）厚度縮小，這需要實(shí)施新的光刻膠和underlayers，以優(yōu)化蝕刻過(guò)程中的 EUV 吸收和圖案轉(zhuǎn)移。
此外，imec認(rèn)為還需要推動(dòng)隨機(jī)粗糙度（stochastic roughness）的持續(xù)改進(jìn)，在極端情況下，甚至是 EUV 圖案光刻膠的失?。╬atterned resists）——這是我們幾年前發(fā)現(xiàn)的一種現(xiàn)象。過(guò)去，光刻膠圖案化性能通過(guò)分辨率、線邊緣粗糙度 (LER) 或局部 CD 均勻性 (LCDU) 和靈敏度（也稱為 RLS 參數(shù)）來(lái)表示。今天，考慮到隨機(jī)因素的重要性，圖案化性能已經(jīng)在早期開(kāi)發(fā)階段通過(guò)第四個(gè)參數(shù)（失敗）進(jìn)行評(píng)估，該參數(shù)反映了受隨機(jī)因素限制的工藝窗口尺寸。imec相信存，在減輕隨機(jī)失敗的解決方案由光刻膠系統(tǒng)誘導(dǎo)并擴(kuò)大工藝窗口，同時(shí)降低劑量，他們打算與其合作伙伴一起在 High NA 實(shí)驗(yàn)室展示這些新技術(shù)。
一條公式指導(dǎo)的行業(yè)
在ASML全球各地的辦公室，都粘貼著一個(gè)光學(xué)領(lǐng)域的公式——瑞利準(zhǔn)則。
其中，CD （critical dimension）是臨界尺寸，用以衡量光刻系統(tǒng)可以印刷的最小結(jié)構(gòu)的尺寸；λ是光源的波長(zhǎng)；NA為數(shù)值孔徑，表示光線的入射角；k1 一個(gè)是與光學(xué)和工藝優(yōu)化相關(guān)的常數(shù)。
如公式所示，為了讓CD更小，在k1不變的情況下，可以縮小λ，或者提高NA。這也正是過(guò)去多年光刻機(jī)光源從波長(zhǎng)為365nm的i-line、KrF、ArF、ArF Immersion向波長(zhǎng)為13.5nm的EUV演進(jìn)的原因。
至于NA方面，按照ASML所說(shuō)，使用較大NA 的透鏡/反射鏡，可以打印較小的結(jié)構(gòu)。而除了更大的鏡頭外，ASML還通過(guò)在最后一個(gè)鏡頭元件和晶圓之間保持一層薄薄的水膜，利用水的breaking index 來(lái)增加 NA（所謂的浸沒(méi)系統(tǒng)），從而增加了我們 ArF 系統(tǒng)的 NA。而在波長(zhǎng)向 EUV 邁進(jìn)之后，ASML 也正在開(kāi)發(fā)下一代 EUV 系統(tǒng)——EUV 0.55 NA（高 NA），我們將數(shù)值孔徑從 0.33 提高到 0.55。
ASML解析道，光刻系統(tǒng)本質(zhì)上是一個(gè)投影系統(tǒng)。例如在其DUV 系統(tǒng)中，光線通過(guò)將要打印的圖案藍(lán)圖（稱為“mask”或“reticle”）投射；而在EUV 系統(tǒng)中，光通過(guò)reticle反射。通過(guò)在光中編碼圖案（pattern encoded），系統(tǒng)的光學(xué)器件會(huì)收縮（shrink）并將圖案聚焦到光敏硅片上。圖案打印完成后，系統(tǒng)會(huì)稍微移動(dòng)晶圓，并在晶圓上制作另一份副本。
在芯片制造過(guò)程中，光刻機(jī)不斷重復(fù)這個(gè)過(guò)程，直到晶圓被圖案覆蓋，完成晶圓芯片的一層。要制作完整的微芯片，需要逐層重復(fù)此過(guò)程，堆疊圖案以創(chuàng)建集成電路 (IC)。按照ASML解析說(shuō)，最簡(jiǎn)單的芯片有大約 40 層，而而最復(fù)雜的芯片可以有 150 多層。
“要打印的特征的大小因?qū)佣?，這意味著不同類型的光刻系統(tǒng)用于不同的層——我們最新一代的 EUV 系統(tǒng)用于具有最小特征的最關(guān)鍵層，而我們的 ArFi， ArF、KrF 和 i-line 系統(tǒng)可用于具有較大特征的不太關(guān)鍵的層?！盇SML在財(cái)報(bào)中說(shuō)。
如上文所說(shuō)，為了在關(guān)鍵層做更小的CD，ASML正在推進(jìn)數(shù)值孔徑為0.55的High-NA光刻機(jī)，Martin van den Brink表示，客戶將在2024到2025間在其上面進(jìn)行研發(fā)，并有望在2025到2026年間進(jìn)行大規(guī)模量產(chǎn)。
供給側(cè)跟進(jìn)
隨著EUV光刻技術(shù)變得越來(lái)越重要，ASML的優(yōu)勢(shì)也越發(fā)明顯。不過(guò)，光刻機(jī)供貨商除ASML之外，還有日本廠商尼康（Nikon）和佳能（Canon），這兩家在深紫外線（DUV，光源波長(zhǎng)比EUV長(zhǎng)）的光刻技術(shù)上能與ASML競(jìng)爭(zhēng)，但ASML作為企業(yè)龍頭，在DUV光刻領(lǐng)域，也擁有62％的市場(chǎng)份額。
目前，雖然只有ASML一家能生產(chǎn)EUV光刻機(jī)，但由于其技術(shù)過(guò)于復(fù)雜，也需要與業(yè)內(nèi)的半導(dǎo)體設(shè)備廠商和科研機(jī)構(gòu)合作，才能生產(chǎn)出未來(lái)需要的更先進(jìn)EUV設(shè)備。
例如，不久前，東京電子（TEL）宣布，向imec-ASML聯(lián)合高 NA EUV 研究實(shí)驗(yàn)室推出其領(lǐng)先的涂布機(jī)，該設(shè)備將與 ASML 的下一代高NA EUV光刻系統(tǒng)NXE:5000 集成。
與傳統(tǒng)的 EUV 光刻相比，高 NA EUV 光刻有望提供更先進(jìn)的圖案縮放解決方案。被引入聯(lián)合高 NA 實(shí)驗(yàn)室的涂布機(jī)/顯影劑將具有先進(jìn)的功能，不僅與廣泛使用的化學(xué)放大抗蝕劑和底層兼容，而且還與旋涂含金屬抗蝕劑兼容。旋涂含金屬抗蝕劑已表現(xiàn)出高分辨率和高抗蝕刻性，有望實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的圖案化。然而，含金屬的抗蝕劑還需要精密的圖案尺寸控制以及芯片背面和斜面的金屬污染控制。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，安裝在聯(lián)合高 NA 實(shí)驗(yàn)室的涂布機(jī)/顯影劑配備了能夠處理含金屬抗蝕劑的前沿工藝模塊。
結(jié)合新的工藝模塊，TEL Coater/Developer 的單個(gè)單元可以在線處理多種材料，包括化學(xué)放大抗蝕劑、含金屬抗蝕劑和底層。這將實(shí)現(xiàn)靈活的晶圓廠運(yùn)營(yíng)。
今年下半年，ASML推出了最新0.33數(shù)值孔徑EUV光刻機(jī)NXE：3600D，每小時(shí)曝光產(chǎn)量（throughput）預(yù)估可提升至160片，2023年再推出NXE：3800E可將每小時(shí)曝光產(chǎn)量提升到195～220片。
至于0.55高數(shù)值孔徑的下一代EUV技術(shù)預(yù)計(jì)2025年后進(jìn)入量產(chǎn)，支援1.5nm及1nm邏輯制程，以及最先進(jìn)的DRAM制程。
在今年第二季度的電話會(huì)議上，ASML 首席執(zhí)行官 Peter Wennink 表示，該公司計(jì)劃今年生產(chǎn)約40臺(tái)EUV光刻機(jī)，并將在2022 年擴(kuò)大到55臺(tái)，2023 年將產(chǎn)量增加到60臺(tái)。
要生產(chǎn)EUV設(shè)備，ASML需要從德國(guó)蔡司公司采購(gòu)系統(tǒng)所需的鏡頭，然而，它每年可以采購(gòu)的鏡頭數(shù)量有限，這導(dǎo)致系統(tǒng)的交貨時(shí)間很長(zhǎng)。對(duì)此，Peter Wennink表示，該公司的EUV設(shè)備交付周期也將從之前的18至24個(gè)月縮短至12至 18個(gè)月。
Wennink 表示，其三大 DRAM 客戶都計(jì)劃使用 EUV 進(jìn)行量產(chǎn)。到 2021 年，這些公司預(yù)計(jì)將總共花費(fèi) 12 億歐元來(lái)購(gòu)買 EUV 系統(tǒng)。他補(bǔ)充說(shuō)，未來(lái)向這些公司的 EUV 出貨量將增加。
ASML已經(jīng)開(kāi)始生產(chǎn)其NXE 3600D新型EUV設(shè)備，與之前的3400C相比，該系統(tǒng)的生產(chǎn)率提高了15%到20%，覆蓋率提高了30%。
今年第二季度，ASML的銷售額為40億歐元，凈利潤(rùn)為10億歐元，比2020年第二季度分別增長(zhǎng)20%和38%。該公司的訂單與上一季度相比增長(zhǎng)了 75%，達(dá)到 83 億歐元，其中 49 億歐元用于EUV設(shè)備。
韓國(guó)占ASML銷售額的39%，其次是中國(guó)臺(tái)灣的35%。該公司預(yù)計(jì)2021年的銷售額將比 2020年增長(zhǎng)35%。
Hyper NA成為可能
在去年九月接受荷蘭媒體bits-chips采訪的時(shí)候Martin van den Brink曾直言：“光刻技術(shù)的過(guò)渡期很糟糕。因?yàn)槿绻愀阍伊?，事情就?huì)變得一團(tuán)糟，尤其是現(xiàn)在這個(gè)組織已經(jīng)這么大了?！彼瑫r(shí)也指出，和從DUV向EUV演進(jìn)不一樣，對(duì)于High-NA光刻機(jī)，風(fēng)險(xiǎn)會(huì)小很多，這主要是因?yàn)樵O(shè)備上的基礎(chǔ)設(shè)施改變不大。
“開(kāi)發(fā)High-NA 技術(shù)的最大挑戰(zhàn)是為 EUV 光學(xué)器件構(gòu)建計(jì)量工具。High-NA 反射鏡的尺寸是前一代產(chǎn)品的兩倍，并且需要在 20 皮米內(nèi)保持平坦。要實(shí)現(xiàn)這些目的，需要在一個(gè)大到‘你可以在其中容納半個(gè)公司’的真空容器中進(jìn)行驗(yàn)證?！盡artin van den Brink說(shuō)。
Martin van den Brink表示，在2017年剛開(kāi)始啟動(dòng)High NA EUV項(xiàng)目的時(shí)候，他認(rèn)為這將是EUV光刻機(jī)的最后一個(gè)NA，因?yàn)楫?dāng)時(shí)的他認(rèn)為，High NA來(lái)得太晚了，沒(méi)有足夠的微縮能夠來(lái)收回投資。他同時(shí)還透露，最開(kāi)始其合作伙伴蔡司也不是很想?yún)⑴c這個(gè)項(xiàng)目。
雖然困難重重，但High NA EUV光刻機(jī)就快成為現(xiàn)實(shí)了。正如報(bào)道中所說(shuō)，半導(dǎo)體業(yè)界還想知道的一個(gè)事情是，High-NA是否還有繼任者。
報(bào)道指出，ASML 的技術(shù)副總裁 Jos Benschop 已經(jīng)在2021年的 SPIE 高級(jí)光刻會(huì)議上透露，可能的替代方案，即波長(zhǎng)的新臺(tái)階，不是一個(gè)選擇。這與角度有關(guān)——EUV 反射鏡反射光的效率在很大程度上取決于入射角。波長(zhǎng)的降低會(huì)改變角度范圍，這樣透鏡就必須變得太大而無(wú)法補(bǔ)償。雖然ASML 正在研究它，但Van den Brink表示，就個(gè)人而言，他不認(rèn)為 hyper-NA 會(huì)被證明是可行的?！拔覀冋谘芯克@并不意味著它會(huì)投入生產(chǎn)。多年來(lái)，我一直懷疑 high-NA 將是最后一個(gè) NA，而且這個(gè)信念沒(méi)有改變。”Van den Brink說(shuō)。
據(jù)他所說(shuō)，從技術(shù)上看，hyper-NA（高于0.7，可能是0.75）理論上是可以做到的。但他也同時(shí)提出：市場(chǎng)上還有多少空間可以容納更大的鏡頭？我們可以出售這些系統(tǒng)嗎？他在當(dāng)時(shí)還強(qiáng)調(diào)，如果Hyper-NA 的成本增長(zhǎng)速度與我們?cè)?high-NA 中看到的一樣快，那么它在經(jīng)濟(jì)上幾乎是不可行的。
但是，在日前的財(cái)報(bào)中，Van den Brink說(shuō)，我可以談?wù)?NA 高于 0.7 的 EUV（稱為 Hyper NA）可能在本十年結(jié)束后不久成為現(xiàn)實(shí)（I could talk about EUV with an NA higher than 0.7 (known as Hyper NA) potentially becoming a reality shortly after the end of this decade）；。然而，接下來(lái)最合適的指南實(shí)際上是：這一切都取決于成本。我們需要越來(lái)越多地關(guān)注降低成本——這意味著不是減少資源，而是確保我們推向市場(chǎng)的解決方案更簡(jiǎn)單、更可持續(xù)、更有效、更易于維護(hù)、更易于制造且更具可擴(kuò)展性。
Van den Brink強(qiáng)調(diào)，如果我在不了解對(duì)這些產(chǎn)品施加的成本和復(fù)雜性限制，就貿(mào)貿(mào)然轉(zhuǎn)向下一個(gè)產(chǎn)品是不負(fù)責(zé)任的。這也正是ASML對(duì)將于 2023 年上市的新型光學(xué)計(jì)量系統(tǒng)所做的。公司在緊張的成本參數(shù)范圍內(nèi)重新審視了這個(gè)項(xiàng)目，并且已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)比以前更具成本效益許多倍的新技術(shù)。同樣，ASML正在繼續(xù)努力控制當(dāng)前0.33 NA EUV 系統(tǒng)以及High-NA 和 Hyper-NA 系統(tǒng)的成本，以確保微縮的需求仍然強(qiáng)勁。
“十年前，當(dāng)我們開(kāi)發(fā) High-NA 時(shí)，我們無(wú)法想象 NA 超過(guò) 0.55 甚至存在。所以 Hyper-NA 是非常非常難以實(shí)現(xiàn)的。很棒的是我們的業(yè)務(wù)和研發(fā)能力可以同時(shí)處理所有這些事情。我們可以開(kāi)發(fā)像 Hyper-NA 這樣的技術(shù)，同時(shí)關(guān)注成本控制、簡(jiǎn)單性、可持續(xù)性、可制造性和可維護(hù)性?！盫an den Brink在財(cái)報(bào)中說(shuō)。
換而言之，Hyper-NA EUV光刻機(jī)可能真的要成為現(xiàn)實(shí)了。
