EUV光刻機(jī)何去何從？

　　ASML 一直處于高度戒備狀態(tài)。

　　去年，該公司兩次提高了生產(chǎn)目標(biāo)：它希望到 2025 年出貨約 600 臺(tái) DUV 和 90 臺(tái) EUV 光刻機(jī)，而去年分別為不到 200 臺(tái)和 35 臺(tái)。在典型的一周內(nèi)，數(shù)百人在 Veldhoven 開始他們的新工作。由于持續(xù)的芯片短缺，交付問題每天都在發(fā)生。更不用說像今年年初柏林工廠發(fā)生火災(zāi)這樣的挫折，導(dǎo)致 EUV 晶圓夾具的生產(chǎn)暫時(shí)癱瘓。

　　盡管如此，Martin van den Brink 還是很滿足和放松的。盡管EUV 光刻機(jī)的生產(chǎn)力還沒有達(dá)到客戶的預(yù)期，但幾年來，EUV 光刻機(jī)已經(jīng)成為世界上*進(jìn)芯片的生產(chǎn)過程中不可或缺的一部分。“經(jīng)過比計(jì)劃多十年的努力，這讓我松了一口氣。”Martin van den Brink說。

　　最新一代的 EUV 設(shè)備——High NA 系統(tǒng)的開發(fā)也進(jìn)展順利。“今天下午我參觀了工廠車間。那臺(tái)機(jī)器是我職業(yè)生涯中的一個(gè)亮點(diǎn)，”van den Brink在他的辦公室里說道，其中展出了一系列平版印刷制品。根據(jù) ASML 的路線圖，世界上*臺(tái)High-NA 光刻機(jī)的交付日期是明年某個(gè)時(shí)候，Van den Brink 認(rèn)為這個(gè)目標(biāo)將會(huì)實(shí)現(xiàn)，盡管供應(yīng)鏈問題仍可能會(huì)打亂時(shí)間。

　　事實(shí)證明，van den Brink甚至或多或少地規(guī)劃了未來十年的技術(shù)路線。這可能是他對(duì) ASML 的最后一次戰(zhàn)略貢獻(xiàn)，因?yàn)檫@位與公司并肩作戰(zhàn)多年的高管預(yù)計(jì)將于 2024 年退休。

　　無論如何，現(xiàn)在van den Brink的任何事情似乎都是可以管理的——幾乎一切照舊，對(duì)于一家組裝世界上最復(fù)雜的生產(chǎn)機(jī)器的公司來說，這是可能的。*似乎困擾van den Brink的是他的辦公椅。“看看這個(gè)爛東西。它有太多的調(diào)整選項(xiàng)，”他坐下時(shí)抱怨道，示范性地?fù)u晃著扶手。

　　01

　　微不足道

　　五年前van den Brink與他的來訪者交談時(shí)，他的心情同樣好。在仍然需要所有人齊心協(xié)力才能讓 EUV 走上正軌的時(shí)候，他已經(jīng)推進(jìn)了他的High-NA 計(jì)劃。ASML 的管理和監(jiān)事會(huì)支持所需的十億美元投資，關(guān)鍵光學(xué)合作伙伴蔡司也加入了進(jìn)來。“他們一開始并不想，”Van den Brink 承認(rèn)。

　　“當(dāng)時(shí)，我認(rèn)為High NA 將是 EUV 的最后一個(gè) NA。但存在相當(dāng)大的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)樗鼇淼锰�晚，沒有足夠的時(shí)間周期來收回投資。我覺得在我們明確 EUV 之前，我們不能推遲高數(shù)值孔徑的開發(fā)。”

　　“光刻技術(shù)的過渡期非常糟糕。如果你搞砸了，事情就會(huì)變得混亂。尤其是現(xiàn)在這個(gè)組織已經(jīng)變得這么大，我感到責(zé)任重大。我非常偏執(zhí)。我們有一個(gè)成功的提議嗎?我們能搞定這件事嗎?” Van den Brink 最終確信高數(shù)值孔徑是正確的前進(jìn)方向，并贏得了懷疑論者的支持。但他忽略了一件事。“在我的傲慢中，我認(rèn)為顧客會(huì)排隊(duì)，但讓我告訴你：這確實(shí)不容易。”

　　2018 年 4 月左右，一切就緒。EUV 在大批量生產(chǎn)中蓄勢待發(fā)，不久之后，*批High NA 系統(tǒng)訂單接踵而至。從那時(shí)起，另一個(gè)過渡期的準(zhǔn)備工作總體上相當(dāng)順利。這位首席技術(shù)官透露，這比以前的任何光刻轉(zhuǎn)換都“容易得多”。

　　“為什么?首先，我們現(xiàn)在對(duì) EUV 光子的作用有了很好的了解。今天，我們?nèi)匀辉诙滩ㄏ到y(tǒng)的穩(wěn)定性方面存在問題，并且生產(chǎn)力沒有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。但我們需要理解和清理的主要物理問題——基本上已經(jīng)被我們拋在腦后了。”

　　此外，在任何光刻轉(zhuǎn)換中，ASML 都需要依賴外部的創(chuàng)新。“光刻膠發(fā)生變化，掩模發(fā)生變化，你會(huì)得到新類型的缺陷。這些東西都會(huì)影響基礎(chǔ)設(shè)施。對(duì)于High NA，基礎(chǔ)設(shè)施的變化相對(duì)來說微不足道。因此所涉及的風(fēng)險(xiǎn)要低得多。”

　　02

　　絕望的

　　Van den Brink 表示，到目前為止，開發(fā)High NA 技術(shù)的*挑戰(zhàn)是為 EUV 光學(xué)器件構(gòu)建計(jì)量工具。High NA 反射鏡的尺寸是其前身的兩倍，需要將其平整度控制在20 皮米內(nèi)。這需要在一個(gè)“可以容納半個(gè)公司”的真空容器中進(jìn)行驗(yàn)證。

　　“構(gòu)建這個(gè)工具的問題是你不能確定它是否足夠準(zhǔn)確。你可以做各種各樣的測試來提供一些保證，但你永遠(yuǎn)不能完全確定。這就是我們現(xiàn)在所處的階段。我們認(rèn)為它有效，但要等到明年我們拿到*支鏡頭，真相才會(huì)浮出水面。”

　　如果鏡頭不符合規(guī)格，我們將采取緊急程序。“我們有備用計(jì)劃。如果它不起作用，我們有足夠的自由度來修復(fù)它。我們可以在一定范圍內(nèi)重新拋光表面并在必要時(shí)更換單個(gè)鏡子。” 一個(gè) EUV 鏡頭由幾個(gè)反射鏡組成——確切的數(shù)量是商業(yè)機(jī)密。

　　最后，van den Brink不想低估一個(gè)比典型公交巴士更大的系統(tǒng)的復(fù)雜性。“這是一個(gè)怪物。過去，一臺(tái)光刻機(jī)需要幾百千瓦。對(duì)于 EUV，它是 1.5 兆瓦(megawatts)，主要是因?yàn)楣庠�。我們�(yōu)镠igh NA 使用相同的光源，但舞臺(tái)需要額外的 0.5 兆瓦。我們使用水冷銅線為其供電。我們推動(dòng)了很多工程的發(fā)展。”

　　盡管如此，Van den Brink 并沒有看到任何阻礙，盡管供應(yīng)鏈問題使日程表變得模糊不清。“時(shí)機(jī)有點(diǎn)問題。High NA機(jī)器包含我們在生產(chǎn)系統(tǒng)中使用的相當(dāng)多的組件，今天的meal優(yōu)先于明天的meal。就時(shí)間而言，這仍然是一個(gè)危機(jī)項(xiàng)目，但我相信到明年年底我們會(huì)走得很遠(yuǎn)。”

　　*個(gè)系統(tǒng)將留在 Veldhoven，ASML 和 Imec 已經(jīng)在那里建立了一個(gè)聯(lián)合High NA 研究實(shí)驗(yàn)室。我們的計(jì)劃是到2024年，讓客戶擁有自己的機(jī)器用于研發(fā)目的。在那之后的一年，將交付*批大批量制造工具。

　　這將在很大程度上免除 ASML 的客戶因 EUV 開發(fā)延遲而造成的困難時(shí)期。

　　“他們越來越絕望，就這么簡單，”van den Brink在 2017 年表示，他指的是他的客戶宣布將 EUV 投入生產(chǎn)。必須使用兩個(gè)或更多 193 納米(浸沒)曝光步驟進(jìn)行圖案化的芯片層數(shù)量越來越多，以至于半導(dǎo)體制造商繼續(xù)使用 EUV 光刻機(jī)，盡管它們當(dāng)時(shí)其生產(chǎn)力并不高。

　　盡管在 EUV 中已經(jīng)使用了多重圖案——順便說一句，并非出于光刻的需要——但在這種不舒服的情況出現(xiàn)之前，預(yù)計(jì)可生產(chǎn)的High NA 光刻機(jī)就會(huì)出現(xiàn)。“客戶并不絕望。但是，公平地說，如果High NA 現(xiàn)在準(zhǔn)備好了，他們就會(huì)使用它。”

　　03

　　一切都值得

　　除了讓High NA EUV光刻機(jī)盡快推出，ASML 目前的首要任務(wù)是繼續(xù)降低 EUV 和High NA 圖案化的成本。Van den Brink 認(rèn)為，這還需要十年的努力。“只要性能還沒有達(dá)到 193 納米光刻的水平，就有很大的改進(jìn)空間。我們?nèi)匀豢梢栽谵D(zhuǎn)變獲得很多收益，例如，可能是兩倍。而且我們還沒有從光學(xué)中擠出每一納米的分辨率。使用 193 納米光刻機(jī)，由于照明系統(tǒng)的操作，我們處于極限。EUV 光刻機(jī)還沒有同樣的復(fù)雜程度。”

　　ASML 還將繼續(xù)專注于整體光刻技術(shù)。這套計(jì)量和計(jì)算技術(shù)使芯片制造商能夠?qū)ζ渲圃爝^程保持嚴(yán)格的控制。這降低了缺陷率，就像提高生產(chǎn)力一樣，降低了成本。

　　然而，半導(dǎo)體界迫切想知道的是，高數(shù)值孔徑是否會(huì)獲得繼任者。ASML 的技術(shù)副總裁 Jos Benschop 已在去年的 SPIE 高級(jí)光刻會(huì)議上透露，可能的替代方案，即降低波長不是一種選擇。這與角度有關(guān)：EUV 反射鏡反射光的效率很大程度上取決于入射角。波長的降低會(huì)改變角度范圍，使得透鏡必須變得太大而無法補(bǔ)償。

　　這種現(xiàn)象也會(huì)隨著鏡頭孔徑(numerical aperture，NA)的增加而出現(xiàn)。那么NA是否有可能再次增加?van den Brink證實(shí)，ASML 正在研究此事。但是，就個(gè)人而言，他不相信 hyper-NA 會(huì)被證明是可行的。“我們正在研究它，但這并不意味著它會(huì)投入生產(chǎn)。多年來，我一直懷疑 high-NA 將是最后一個(gè) NA，這種信念沒有改變。”

　　對(duì)于“標(biāo)準(zhǔn)”EUV，NA 是 0.33，對(duì)于High NA，它是 0.55，對(duì)于hyper-NA，它會(huì)“高于 0.7，也許是 0.75。理論上是可以做到的。從技術(shù)上講，這是可以做到的。但是更大的鏡頭市場還有多少空間呢?我們甚至可以出售這些系統(tǒng)嗎?我對(duì)High NA 偏執(zhí)，我對(duì)hyper-NA更加偏執(zhí)。如果hyper-NA的成本增長得像我們在High NA 中看到的那樣快，那么它在經(jīng)濟(jì)上幾乎是不可行的。盡管這本身也是一個(gè)技術(shù)問題。而這正是我們正在研究的。”

　　因此，hyper-NA 研究計(jì)劃的主要目標(biāo)是提出智能解決方案，使技術(shù)在成本和可制造性方面保持可控。Van den Brink 不想建造更大的怪物，他說，他指著他收藏的計(jì)量容器的微型版本，但也提到了鏡頭等光刻機(jī)組件。“我們正試圖在制造和設(shè)計(jì)方面做出根本性的改變，以確保如果我們要這樣做，它在經(jīng)濟(jì)上是可行的。”

　　“所以這與我們的High NA 方法大相徑庭。我們將確保實(shí)現(xiàn)高數(shù)值孔徑。對(duì)于超 NA，我們承認(rèn)可能存在無法克服的成本限制，至少因?yàn)榫�體管縮小速度正在放緩。由于系統(tǒng)集成，繼續(xù)開發(fā)新一代芯片仍然是值得的——這是個(gè)好消息。但在這一點(diǎn)上，問題變得非�，F(xiàn)實(shí)：哪些芯片結(jié)構(gòu)太小而無法經(jīng)濟(jì)地制造?”