下一代EUV光刻機(jī) ASML這樣說(shuō)

　　近日，ASML發(fā)布了2022年度的財(cái)報(bào)。在這份報(bào)告中，ASML除了詳細(xì)介紹了公司的年度收入以外，關(guān)于技術(shù)未來(lái)發(fā)展的一些信息也是筆者在粗略閱讀這篇報(bào)告時(shí)關(guān)注的另一個(gè)重點(diǎn)，這也是他們過(guò)去幾十年里一直堅(jiān)持在做的工作。

　　如在2022年，ASML就實(shí)現(xiàn)了不少重要進(jìn)展：例如在 DUV 方面，他們交付了NXT KrF 系統(tǒng)的首臺(tái)設(shè)備TWINSCAN NXT:870和*臺(tái) TWINSCAN NXT:2100i。和大多數(shù)讀者一樣，筆者較為關(guān)心ASML在下一代EUV光刻機(jī)——High NA EUV光刻機(jī)方面的進(jìn)展。

　　按照ASML所說(shuō)，在歷經(jīng)六年的研發(fā)后，他們?cè)?022年收到了供應(yīng)商提供的*個(gè)高數(shù)值孔徑機(jī)械投影光學(xué)器件和照明器(illuminator)以及新的晶圓載物臺(tái)(wafer stage)。這些模塊將用于EXE:5000的初始測(cè)試和集成，是一個(gè)重要的步驟。

　　ASML同時(shí)指出，2022 年，公司收到了所有現(xiàn)有 EUV 客戶的采購(gòu)訂單，要求交付業(yè)界* TWINSCAN EXE:5200 系統(tǒng)——具有High-NA 和每小時(shí) 220 片晶圓生產(chǎn)率的 EUV 大批量生產(chǎn)系統(tǒng)。

　　關(guān)于未來(lái)的EUV光刻機(jī)發(fā)展路徑，ASML首席技術(shù)官M(fèi)artin van den Brink在財(cái)報(bào)中透露，他認(rèn)為Hyper-NA EUV有望在這個(gè)十年結(jié)束后成為現(xiàn)實(shí)。

　　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�異，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。”ASML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)。

　　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�你搞砸了，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。”他同時(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*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。”Martin 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。“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(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。”Van 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。