據(jù)semiwiki日前的報道，截至 2022 年第一季度，ASML 已出貨 136 個 EUV 系統(tǒng)，約曝光7000 萬個晶圓已曝光（如下圖）。臺積電在早前的技術(shù)大會上則表示，在全球已經(jīng)安裝的EUV光刻機系統(tǒng)中，臺積電擁有了其中的 55%。三星的實際控制人李在镕日前則拜訪了荷蘭總統(tǒng)，以尋找更多的EUV供應(yīng)。
這再次說明，生產(chǎn)先進芯片必不可少的EUV成為了全球關(guān)注的目標。在日前的一些報道中，我們也看到了EUV光刻機的一些路線圖更新。
0.33NA EUV的新進展
報道中表示， 0.33 NA的 EUV 系統(tǒng)是當今前沿光刻的主力生產(chǎn)系統(tǒng)。先進的邏輯和 DRAM都在使用0.33 NA 的系統(tǒng)大批量生產(chǎn)。下圖說明了邏輯和 DRAM（條）的EUV層數(shù)和每年使用EUV曝光的晶圓（面積）。
據(jù)ASML公司的Mike Lercel介紹 ，以典型的5nm工藝為例，2021 年的邏輯值是 10 層以上 EUV 層，到2023 年的3nm將會有20層的EUV層，而DRAM 目前的EUV層使用量約為 5 層。Mike Lercel還談到了未來 DRAM 曝光的展望，他指出，不就之后DRAM上有大約會有 8 個關(guān)鍵層，最終其中一些層可能需要多重圖案化，使每個晶圓的 EUV 曝光達到 10 層。
從報道中可以看到，新型號的EUV光刻機系統(tǒng) NXE:3600D將能達到93%的可用性，這將讓其進一步接近DUV光刻機（95%的可用性）。數(shù)據(jù)顯示，NXE:3600D 系統(tǒng)每小時可生產(chǎn) 160 個晶圓 (wph)，速度為 30mJ/cm2，這比 NXE:3400C 高 18%。二正在開發(fā)的 NXE:3800E系統(tǒng)最初將以 30mJ/cm2的速度提供大過195wph的產(chǎn)能，并在吞吐量升級后達到220wph。據(jù)介紹，NXE:3600E 將在像差、重疊和吞吐量方面進行漸進式光學(xué)改進。
從semiwi的報道中我們可以看到，在0.33 NA的EUV光刻機領(lǐng)域，ASML 路線圖包括到 2025 年左右推出吞吐量約為220wph 的 NXE:4000F。按照EUV 執(zhí)行副總裁Christophe Fouquet在參加高盛虛擬峰會的時候的說法，公司之所以把新設(shè)備稱它為 F，因為ASML也希望通過該設(shè)備能顯著提高生產(chǎn)力，這主要歸功于公司希望在該系統(tǒng)的功率上能夠更進一步。至于產(chǎn)能的增加幅度，Christophe Fouquet表示，這可能會達到10%到20%，但他們依然還沒有最終確定。不過ASML目前計劃在 2025 年左右交付第一個NXE:4000F系統(tǒng)。
semiwiki在文章中表示，對于 0.33 NA 系統(tǒng)，ASML 正致力于通過增加吞吐量和降低總能量來減少每次曝光所需的功耗，而雙重圖案甚至也將成為0.33NA光刻機需要發(fā)力的一個方面。
如在之前的報道中指出，在發(fā)力0.33 NA光刻機的時候，ASML也在加快0.55 NA光刻機的進度。而繼英特爾表示將在2025年使用上High-NA光刻機之后，臺積電在日前也將High-NA光刻機的應(yīng)用時間放在2024年。這無疑是大大提升了先進EUV光刻機的應(yīng)用時間。
因為從相關(guān)資料可以看到， 0.33 NA的常規(guī) EUV 光刻機從原型機出貨（2010 年）到量產(chǎn)機出貨（2019 年）用了大約10 年時間。如果相關(guān)報道屬實，那就意味著 0.55 NA 的high NA EUV 光刻機從原型機出貨（2023年）到量產(chǎn)機出貨（2026 年）只需要短短的三年。
0.55 NA EUV光刻機的目標
關(guān)于為什么要提升EUV光刻機的NA，這在很多文章中也都談過。
歸根到底，高數(shù)值孔徑 EUV 系統(tǒng)的好處可以用一個詞來概括——分辨率。因為根據(jù)瑞利公式，將孔徑從0.33增加到 0.55，可以成比例地提高可實現(xiàn)的臨界尺寸——從0.33 NA 系統(tǒng)的 13nm提升到0.55 NA EUV 可能低至 8nm。
在上個月舉辦的 SPIE 會議上，ASML 和蔡司報告說，雖然開發(fā)正在按計劃進行，但預(yù)計要到 2023 年才能安裝第一個0.55 NA EUV系統(tǒng)。如圖所示，ASML 的路線圖將第一個High NA 系統(tǒng) (EXE:5000) 安裝在 ASML 工廠的實驗室中，并于 2023 年與 Imec 聯(lián)合運行，以進行初步評估。EXE:5000 系統(tǒng)應(yīng)在 2024 年交付給客戶，生產(chǎn)型 EXE:5200 系統(tǒng)應(yīng)在 2025 年左右交付給客戶用于生產(chǎn)使用，
在semiwiki的文章里他們談到，High-NA 的光學(xué)器件比 0.33 NA 的要大得多，需要獨特的設(shè)計方法。0.55 NA 系統(tǒng)將具有一個變形鏡頭系統(tǒng)，在一個方向上具有 4 倍的縮小率（與 0.33 NA 相同），在正交方向上具有 8 倍的縮小率。由于reticle的尺寸和 8 倍的縮小，可打印區(qū)域尺寸在掃描方向上減半至 16.5nm。
為了更快地推動High NA EUV光刻機落地，ASML正在和很多研究機構(gòu)和企業(yè)攜手，如imec就是他們一個很重要的合作火棒。
imec執(zhí)行長Luc Van den hove表示，imec與ASML合作開發(fā)High-NA技術(shù)，ASML現(xiàn)在正在發(fā)展首臺0.55 High-NA EUV微影掃描設(shè)備EXE:5000系統(tǒng)的原型機。他指出，與現(xiàn)有的EUV系統(tǒng)相比，High-NA EUV微影設(shè)備預(yù)計將能在減少曝光顯影次數(shù)的情況下，實現(xiàn)2奈米以下邏輯芯片的關(guān)鍵特征圖案化。
而為了建立首臺High-NA EUV原型系統(tǒng)，imec持續(xù)提升當前0.33 NA EUV微影技術(shù)的投影解析度，借此預(yù)測光刻膠涂布薄化后的成像表現(xiàn)，以實現(xiàn)微縮化線寬、導(dǎo)線間距與接點的精密圖案轉(zhuǎn)移。同時，imec攜手材料供應(yīng)商一同展示新興光刻膠與涂底材料的測試結(jié)果，在High-NA制程中成功達到優(yōu)異的成像品質(zhì)。同時也提出新制程專用的顯影與蝕刻解決方案，以減少微影圖案的缺陷與隨機損壞。
從這個描述中我們可以看到，對于0.55 NA的光刻機，需要更新的不但是其光刻機系統(tǒng)。同時還需要在光掩模、光刻膠疊層和圖案轉(zhuǎn)移工藝等方面齊頭并進，才能讓新設(shè)備應(yīng)用成為可能。
生態(tài)系統(tǒng)全力以赴
在晶圓廠中，芯片制造商需要利用光刻機和其他設(shè)備來生產(chǎn)芯片。使用在設(shè)計階段生成的文件格式，光掩模設(shè)施創(chuàng)建掩模。掩模是給定芯片設(shè)計的主模板，最終被運送到晶圓廠。從那里，晶圓被插入到涂層機/顯影系統(tǒng)中。該系統(tǒng)將一種稱為光刻膠的光敏材料倒在晶圓上。
然后，將掩模和鬼片插入光刻掃描儀中。在操作中，掃描儀產(chǎn)生光，光通過一組投影光學(xué)器件和系統(tǒng)中的掩模傳輸。光照射光刻膠，在硅片上形成圖案。
從過往從DUV到EUV升級一樣，來到High-NA EUV上也需要新的光掩模類型。因為在更高的孔徑下，光子以更淺的角度撞擊掩模，相對于圖案尺寸投射更長的陰影?！昂诎怠?、完全被遮擋的區(qū)域和“明亮”、完全曝光的區(qū)域之間的邊界變?yōu)榛疑瑥亩档土藞D像對比度。
據(jù)Semiengineering報道，有幾個選項可用于降低有效吸收器(effective absorber)高度，從而降低 3D 掩模效果的影響。第一個也是最簡單的方法是減小吸收材料的厚度。
Imec 高級圖案化項目總監(jiān) Kurt Ronse 在接受Semiengineering時表示，由High NA EUV 圖案化的第一層可能具有相對寬松的尺寸，約為 28nm。簡單地降低吸收器高度應(yīng)該提供足夠的對比度。然而，隨著功能不斷縮小，制造商將需要重新考慮吸收材料。Erdmann 指出，目前使用的鉭基吸收體(tantalum-based absorber)的光學(xué)特性相對較差。降低吸收體的折射率將改善劑量-尺寸特性，在恒定曝光劑量下實現(xiàn)更小的特征。同時，增加消光系數(shù)會減少三維效應(yīng)。
然而，n和k不是掩模制造商可以簡單地在工藝刻度盤上設(shè)置的獨立參數(shù)，它們是材料屬性，因此彼此相關(guān)，并與吸收器的其他特性相關(guān)。為了采用新材料，掩模制造商必須能夠蝕刻它并修復(fù)缺陷。目前用于鉭吸收體的反應(yīng)性離子蝕刻是一些候選材料的一種選擇，但新的吸收體仍可能需要新的蝕刻工藝和新的化學(xué)物質(zhì)?！耙驗榻佑|層和金屬層有不同的要求，他們可能也需要不同的吸收體。：Ronse 說。
按照他所說，在這方面還沒有出現(xiàn)共識選擇，然而為了繼續(xù)進行工藝開發(fā)，掩模制造商也需要行業(yè)的額外指導(dǎo)。
Semiengineering進一步指出，光在穿過光掩模的吸收器圖案后，EUV 光子遇到硅片及其光刻膠層（ photoresist blanket）。減小的焦深使得同時保持光刻膠疊層的頂部和硅片平面聚焦變得更加困難。如果焦點錯誤使相鄰特征靠得太近，則間隙無法清除并出現(xiàn)橋接缺陷。如果特征之間的空間太大，則所得到的光刻膠特征太薄并在其自身重量下塌陷。
因此降低光刻膠的厚度既可以提高焦點，又可以降低圖案崩塌的風(fēng)險。但與此同時，也會帶來額外的挑戰(zhàn)。如在報道中披露，一種有希望的替代品是金屬氧化物光刻膠。
據(jù)報道，這種光刻膠使用入射光子來分解氧化錫納米團簇（ tin-oxide nanoclusters）。氧化物簇（oxide clusters ）可溶于顯影劑中，而金屬錫則不溶于。這些是負性光刻膠。曝光使材料不溶。金屬氧化物本質(zhì)上更耐蝕刻并吸收更多的 EUV 光子，從而使它們能夠以更薄的層實現(xiàn)可比的結(jié)果。但不幸的是，接觸孔，可能是高數(shù)值孔徑 EUV 曝光的第一個應(yīng)用，然而它需要正的光刻膠。
此外，其他與 EUV 相關(guān)技術(shù)也在研究中，例如 pellicles。這是一個用于覆蓋掩膜，防止顆粒落在其上的產(chǎn)品。
相關(guān)報道指出，ASML 開發(fā)了新的 EUV pellicles。同時，Imec 的碳納米管pellicles在 ASML 的 EUV 掃描儀上的透射率達到了 97.7%。單壁和多壁pellicles都是有前途的。按照Imec 技術(shù)人員的主要成員 Emily Gallagher 所說：“這兩種類型都表現(xiàn)良好，在 CD 均勻性、LWR 和耀斑方面，與無pellicle參考相比，成像差異極小。根據(jù)測量的這些pellicle的 EUV 吸收率在 95.3% 到 97.7% 之間，預(yù)計劑量會略有增加。”
寫在最后
在生態(tài)系統(tǒng)的共同努力下，ASML正在努力土推動High-NA光刻機成為可能。與此同時，他們還在加大EUV光刻機的產(chǎn)能提升，并與產(chǎn)業(yè)一起，推動這些先進的技術(shù)面向更多的應(yīng)用。
根據(jù)ASML 在一季度財務(wù)會議上披露的數(shù)據(jù)，公司的目標是在 2022 年出貨 55 臺 EUV系統(tǒng)，并到 2025 年實現(xiàn)（最多）90 臺工具的計劃。ASML 同時還承認， 90 臺可能超過 2025 年的實際需求，不過他們將其描述為為滿足2030 年 1 萬億美元半導(dǎo)體行業(yè)需求所做出的巨大努力。
Christophe Fouquet在高盛的會議上則強調(diào)，High NA EUV光刻機將首先在邏輯芯片上應(yīng)用，隨后，DRAM乃至3D DRAM也會是High NA EUV光刻機關(guān)注的方向。同時，他最后還說道：“在可預(yù)見的未，EUV 不會很快進入中國，因為美國政府目前的立場是相當強硬?！?/p>
