| EUV光刻技術(shù)回眸：Trumpf、Zeiss和ASML的親密合作 |
| 2024/4/3 14:40:48 |
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經(jīng)過三十年發(fā)展，新一代光刻機使用波長為13.5納米的極紫外（EUV）光，可在存儲芯片和處理器上制作幾納米大小的硅特征圖案。
EUV光刻系統(tǒng)采用最強大的量產(chǎn)激光系統(tǒng)泵浦，擁有超過10萬個組件，是有史以來最復(fù)雜的機器之一。EUV光刻機總重180噸，耗電量超過1兆瓦。雖然售價高達1.2億美元，EUV光刻機多年來一直供不應(yīng)求。
由于包括通快（Trumpf）、蔡司（Zeiss）和阿斯麥（ASML）在內(nèi)的高科技公司之間的獨特聯(lián)盟，重大技術(shù)問題往往都能解決。看一看這項技術(shù)杰作的歷史，我們就會思考接下來可能會發(fā)生什么。
為什么是EUV？
極紫外（有時也稱為XUV）表示波長在124-10納米之間的軟x射線或光子能量在10-124eV之間。太陽產(chǎn)生EUV，人類通過同步加速器或等離子體等金屬進行分離加速技術(shù)創(chuàng)造了所系的EUV光源，并用于半導(dǎo)體芯片的生產(chǎn)制造中。
到目前為止，芯片制造商一直使用紫外光（激光）在涂有光刻膠的硅片上投射復(fù)雜的圖案。在類似于舊相紙顯影的過程中，這些圖案被顯影并在一層內(nèi)成為導(dǎo)電或隔離結(jié)構(gòu)。重復(fù)這個過程，直到形成集成電路的復(fù)雜系統(tǒng)（如CPU）完成。
這種光刻系統(tǒng)的發(fā)展是由經(jīng)濟驅(qū)動的，需要更多的計算能力和存儲容量，同時必須降低成本和功耗。這種發(fā)展可以用一個簡單的規(guī)則來描述——眾所周知的摩爾定律，即密集集成電路中的晶體管數(shù)量大約每兩年翻一番。
一個主要的限制來自光學(xué)定律。德國物理學(xué)家恩斯特·阿貝發(fā)現(xiàn)顯微鏡的分辨率d（大致）受限于照明所用光的波長λ：
d =λ/（nsin（α） （1）
其中，n是透鏡和物體之間介質(zhì)的折射率，α是物鏡光錐的半角。對于光刻，用數(shù)值孔徑（NA）代替n sin（α）并在公式中增加一個系數(shù)k（因為光刻分辨率可以通過照明技巧進行大幅調(diào)整），最小可行結(jié)構(gòu)或臨界尺寸（CD）為:
CD = kλ/NA （2）
這個公式支配著所有的光刻成像過程，它清楚地說明了為什么波長是如此重要的參數(shù)。因此，工程師們一直在尋找波長越來越短的光源，以產(chǎn)生越來越小的特征。從紫外汞燈開始，他們轉(zhuǎn)向波長為193納米的準分子激光器。2003年5月，英特爾宣布下一步將放棄157納米準分子激光器，轉(zhuǎn)而采用13.5納米波長的EUV，這讓光刻行業(yè)大吃一驚。
光學(xué)材料的問題被視為主要障礙，EUV當(dāng)時似乎離成功只有幾步之遙。據(jù)報道，英特爾研究員兼公司光刻資本設(shè)備運營總監(jiān)Peter Silverman當(dāng)時提出了一份路線圖，顯示EUV將于2009年用于32納米節(jié)點。這被證明是過于樂觀了，人們不得不尋找利用193納米光源的方法，通過浸入式光刻和復(fù)雜的照明技巧等技術(shù)來實現(xiàn)越來越小的特征。
工業(yè)用EUV光源
對于EUV光刻來說，必須解決許多問題，首首當(dāng)其沖的就是一個強大光源。在21世紀初，放電等離子體源（如Xtreme Technologies）似乎最受歡迎，但沒過多久，激光產(chǎn)生的等離子體源表明最適合擴大規(guī)模，日本、歐洲和美國的研究小組為此努力工作。
最后，圣地亞哥的Cymer公司獲得成功，該系統(tǒng)使用二氧化碳激光器從30米的錫液滴中產(chǎn)生EUV輻射。雖然他們在2007年推廣了一種相當(dāng)不穩(wěn)定的30W電源，但他們在2014年首次展示了如何達到250W，這一數(shù)字被視為大規(guī)模生產(chǎn)的突破。提高EUV轉(zhuǎn)換過程的效率是一項了不起的應(yīng)用研究，它讓EUV光刻技術(shù)變得可行。為了加快進度（并確保其唯一供應(yīng)商），阿斯麥在2012年收購了Cymer。
最終解決方案是制造足夠的EUV輻射用于商業(yè)可行性，這臺機器甚至讓經(jīng)驗豐富的激光專家都印象深刻。它基于有史以來批量生產(chǎn)的最強大的激光器：40千瓦的二氧化碳激光器。整個系統(tǒng)需要1兆瓦的電源。由于只有200W功率的一小部分用于處理晶片，冷卻是一個主要問題。
這項技術(shù)的唯一供應(yīng)商是德國迪欽根的Trumpf。Trumpf的所有者兼首席技術(shù)官Peter Leibinger非常清楚自己公司的角色：“如果我們失敗了，摩爾定律就會終止。當(dāng)然，世界并不依賴于Trumpf，但如果沒有Trumpf，芯片行業(yè)就無法實現(xiàn)這一目標(biāo)，”他在2017年接受采訪時表示。
TRUMPF的典型CO2激光器可提供幾千瓦的連續(xù)波（CW）輻射。這正好適合切割鋼材。通快公司為EUV開發(fā)了一種激光器，可以產(chǎn)生40千瓦的脈沖輻射，重復(fù)頻率為50千赫。該激光器非常大，必須放在EUV機器下面的單獨地板上。
為了跟上市場需求的步伐，Trumpf公司投入巨資專門為這些激光器建造了一座擁有10個生產(chǎn)車間的全新工廠。用10周時間將它們組裝起來，該公司現(xiàn)在每年有50個系統(tǒng)的生產(chǎn)能力。
NXE:3400系統(tǒng)的分辨率約為13納米；這指的是公式（2）和實際柵極間距。這與芯片制造商經(jīng)常討論的“節(jié)點”有很大不同。最初，節(jié)點指的是晶體管的柵極長度。顯然，這可能因工藝而異，因此也因制造商而異。今天，節(jié)點僅指芯片制造商開發(fā)的某種工藝，并不直接對應(yīng)于光學(xué)器件的分辨率。例如，芯片制造商吹捧7納米或3納米節(jié)點指的是他們使用類似EUV機器的專有工藝。
合作是關(guān)鍵
雖然總共有1000多家供應(yīng)商參與，但核心技術(shù)是由Trumpf、Zeiss和ASML制造的。他們在EUV項目中發(fā)揮了非常規(guī)的合作形式。來自Trumpf的Peter Leibinger稱其為一家“虛擬合并的公司”，實行開卷政策，并進行廣泛的人員和技術(shù)交流。
Zeiss表面貼裝技術(shù)與ASML有著悠久的歷史，該公司于1983年為飛利浦生產(chǎn)了第一臺光刻光學(xué)系統(tǒng)，該業(yè)務(wù)于1984年剝離并命名為ASML。
Zeiss和ASML一起在EUV之前征服了光刻系統(tǒng)市場。2010年，他們已經(jīng)擁有約75%的光刻系統(tǒng)市場份額。到目前為止，他們是工業(yè)級EUV系統(tǒng)的唯一提供商。為了促進這種關(guān)系，ASML在2016年11月以約10億歐元的價格收購了ZeissSMT 24.9%的股份。此外，ASML承諾為ZeissSMT的R&D項目提供為期六年的支持，提供2.2億歐元以及5.4億歐元的投資支持。
Zeiss在EUV投入巨資，急需這筆資金。該公司在德國奧伯科琴附近建立了制造和計量大廳；目前，該公司正在完成具有更高NA的下一代EUV光學(xué)器件的準備工作，這是另一項7億歐元的投資。這包括用于光學(xué)系統(tǒng)計量的卡車大小的高真空室。在這些試驗箱中測試的鏡面最大公差為0.5納米，因此它們采用了工業(yè)上有史以來最精確的對準和計量技術(shù)。
180噸工具的最終組裝
ZeissSMT擁有一個巨大的高科技工廠，但其規(guī)模超過了ASML費爾德霍芬工廠的制造車間。如果你去那里的自助餐廳，你可能會覺得自己是在加州的校園里。許多來自世界各地的年輕人聚集在一起，啜飲他們的拿鐵咖啡。這種環(huán)境可能反映了這樣一個事實：ASML不得不迅速招聘新員工，以跟上快速增長的步伐。2018年，他們的員工人數(shù)增長了21%，目前雇傭了800多名博士和7500多名工程師，員工總數(shù)達到23000人。
自助餐廳后面的建筑是全球最大的潔凈室設(shè)施。在五乘五的大廳里，EUV步進機已經(jīng)完成。目前的頂級型號NXE:3400B重180噸，需要20輛卡車或三架滿載的波音747飛機運輸。價格標(biāo)簽是1.2億美元。它每小時可以處理125個晶片，分辨率低至13納米。
2019年下半年，升級版NXE:3400C發(fā)貨，它具有更高透射率的光學(xué)元件，一個可顯著提高可維護性的模塊化容器，以及一個更快的掩模版和晶片處理器，以支持更高的生產(chǎn)率。這些設(shè)備每小時可生產(chǎn)170片晶圓。
EUV之后是什么？
答案是——EUV。到目前為止，EUV光學(xué)NA已經(jīng)達到了0.33，NXE Next的NA為0.55，分辨率低于8納米，包含更大的光學(xué)元件，這也是ZeissSMT投入大量精力的原因。
由于這些共同努力，該技術(shù)被推向了其物理極限，實現(xiàn)了迄今為止無法想象的規(guī)格。例如，光刻系統(tǒng)內(nèi)的晶片被固定在特殊的玻璃板上（所謂的晶片夾具）。它們以高達3g的加速度移動，以低至一納米的精度保持晶片就位。同時，用EUV光以30kW/m2的熱負荷照射晶片，而不會丟失其精確位置。
盡管許多技術(shù)問題仍在討論中，但市場似乎非常相信，在可預(yù)見的未來，EUV光刻技術(shù)將為半導(dǎo)體行業(yè)帶來巨大好處。
高鈉（high-NA）EUV之后是什么？到目前為止，似乎還沒有一個嚴肅的答案。一方面，幾個研究小組正在為更短的波長做準備。德國弗勞恩霍夫協(xié)會的兩個機構(gòu)在2016年完成了一個關(guān)于“超越EUV”的研究項目。他們研究的是6.7納米波長的反射涂層（在IOF）和等離子體源（在ILT）。一個瑞士小組在2015年總結(jié)了光刻膠研究，納米圖案化的替代方法（如沖壓或電子束光刻）正在發(fā)展。2017年的“模式路線圖”試圖討論更進一步發(fā)展。
如果我們從遠處看這一發(fā)展，似乎光刻技術(shù)的復(fù)雜性已經(jīng)達到了可行的最大限度。目前，ASML及其盟友在他們的高科技大教堂里建造的東西展示了我們這個時代最大、最先進的技術(shù)系統(tǒng)。雖然這是掌握科學(xué)和工程的驚人證據(jù)，但它給人留下的印象是，進一步的實質(zhì)性進展將需要一種完全不同的方法來滿足日益增長的數(shù)據(jù)存儲和處理要求。（編譯：產(chǎn)通數(shù)造）
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| → 『關(guān)閉窗口』 |
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