關(guān)于EUV光刻技術(shù)的分析和應(yīng)用

用于高端邏輯半導(dǎo)體量產(chǎn)的EUV（Extreme Ultra-Violet，極紫外線光刻）曝光技術(shù)的未來(lái)藍(lán)圖逐漸“步入”我們的視野，從7nm階段的技術(shù)節(jié)點(diǎn)到今年（2019年，也是從今年開(kāi)始），每2年~3年一個(gè)階段向新的技術(shù)節(jié)點(diǎn)發(fā)展。

高端邏輯半導(dǎo)體的技術(shù)節(jié)點(diǎn)和對(duì)應(yīng)的EUV曝光技術(shù)的藍(lán)圖。

也就是說(shuō)，在EUV曝光技術(shù)的開(kāi)發(fā)比較順利的情況下，5nm的量產(chǎn)日程時(shí)間會(huì)大約在2021年，3nm的量產(chǎn)時(shí)間大約在2023年。關(guān)于更先進(jìn)的2nm的技術(shù)節(jié)點(diǎn)，還處于模糊階段，據(jù)預(yù)測(cè)，其量產(chǎn)時(shí)間最快也是在2026年。

決定解像度（Half Pitch）

的是波長(zhǎng)和數(shù)值孔徑、工程系數(shù)

技術(shù)節(jié)點(diǎn)的發(fā)展推動(dòng)著半導(dǎo)體曝光技術(shù)解像度（Half Pitch）的發(fā)展，ArF液浸曝光技術(shù)和EUV曝光技術(shù)等的解像度（R）和曝光波長(zhǎng)（λ）成正比，和光學(xué)的數(shù)值孔徑（NA，Numerical Aperture）成反比，也就是說(shuō)，如果要增大解像度，需要在縮短波長(zhǎng)的同時(shí)，擴(kuò)大數(shù)值孔徑。

實(shí)際上，解像度和被稱(chēng)為“工程系數(shù)（k1）”的定數(shù)也成一定的比例關(guān)系。如果降低工程系數(shù)，解像度就會(huì)上升。但是，工程系數(shù)如果降低到最小極限值(0.25)，就無(wú)法再降低了。

ArF液浸曝光技術(shù)、EUV曝光技術(shù)中的解像度（Half Pitch）（R）和波長(zhǎng)、數(shù)值孔徑（NA）、工程系數(shù)（k1）的關(guān)系。

在ArF液浸曝光技術(shù)、EUV曝光技術(shù)中，光源的波長(zhǎng)是固定的，無(wú)法改變。順便說(shuō)一下，ArF液浸曝光的波長(zhǎng)是193nm，EUV曝光的波長(zhǎng)是13.5nm。兩者有超過(guò)10倍的差距，單純計(jì)算的話，EUV曝光絕對(duì)是占優(yōu)勢(shì)。

對(duì)ArF液浸曝光技術(shù)以前的光制版（lithography）技術(shù)來(lái)說(shuō)，提高數(shù)值孔徑是提高解像度的有效手段。具體來(lái)說(shuō)，就是通過(guò)改良作為曝光設(shè)備的Stepper和Scanner，來(lái)提高數(shù)值孔徑。

與之相反，運(yùn)用EUV曝光技術(shù)的話，不怎么需要改變數(shù)值孔徑，EUV曝光技術(shù)利用X線的反射光學(xué)系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)擁有非常復(fù)雜的構(gòu)造，同時(shí)光學(xué)系統(tǒng)的變化也會(huì)伴隨著巨額的開(kāi)發(fā)投資。所以，過(guò)去一直以來(lái)EUV曝光設(shè)備方面從沒(méi)有更改過(guò)數(shù)值孔徑。最初的EUV scanner的數(shù)值孔徑是0.25，現(xiàn)行設(shè)備的數(shù)值孔徑是0.33，不管怎么說(shuō)，和ArF Dry曝光技術(shù)的最高值（0.93）相比，都是很低的。

正如在本欄目中去年（2018年）12月報(bào)道的一樣（使用EUV曝光的高端邏輯半導(dǎo)體和高端DRAM的量產(chǎn)終于開(kāi)始了?。?，用于量產(chǎn)7nm的最尖端邏輯半導(dǎo)體的EUV scanner--“NXE:3400B”內(nèi)置的數(shù)值孔徑是0.33。

而且，今后數(shù)年內(nèi)，都會(huì)在使用數(shù)值孔徑為0.33的EUV scanner的同時(shí)，提高解像度。換句話說(shuō)，也就是通過(guò)使用同樣數(shù)值孔徑的曝光設(shè)備來(lái)使解像度（Half Pitch）更細(xì)微化。

通過(guò)階段性地降低工程系數(shù)來(lái)提高解像度

所以，很多用來(lái)提高細(xì)微化的辦法都被限制了，因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)和數(shù)值孔徑是固定的，剩下的就是工程系數(shù)。光學(xué)方面，通過(guò)降低工程系數(shù)，可以提高解像度。和ArF液浸曝光技術(shù)一樣，通過(guò)和Multi-patterning 技術(shù)組合起來(lái)，就可以達(dá)到實(shí)質(zhì)上降低工程系數(shù)的效果。而且，機(jī)械方面，有必要降低曝光設(shè)備的重合誤差。

提高EUV曝光技術(shù)的解像度的方法（2019年以后）

據(jù)EUV曝光設(shè)備廠商ASML說(shuō)，他們把未來(lái)EUV曝光技術(shù)方面的細(xì)微化工作分為“四代”?，F(xiàn)行技術(shù)水平是第一代，同時(shí)也是7nm邏輯半導(dǎo)體的量產(chǎn)是用的技術(shù)。工程系數(shù)是0.45左右。

第二代是把工程系數(shù)降低到0.40以下，通過(guò)改良曝光技術(shù)的硬件（光學(xué)方面）和軟件（阻焊層，resist）得以實(shí)現(xiàn)。其技術(shù)核心也不過(guò)是改良現(xiàn)行技術(shù)。

第三代是把工程系數(shù)降低到0.30以下，要得以實(shí)現(xiàn)，只改良現(xiàn)行技術(shù)比較困難，需要導(dǎo)入像Multi-pattering、新型mask材料、新型resist材料等這些基本要素。

第四代，由于工程系數(shù)無(wú)法再降低，所以開(kāi)發(fā)新的光學(xué)系統(tǒng)，它可以數(shù)值孔徑提高到0.55。

EUV曝光設(shè)備廠家ASML公布的EUV曝光技術(shù)的發(fā)展。

ASML公布的技術(shù)發(fā)展資料里面沒(méi)有提到工程系數(shù)的具體數(shù)值，不過(guò)我們把工程系數(shù)的假設(shè)值放進(jìn)去計(jì)算了一下，看看解像度可以提到何種程度，現(xiàn)行（第一代）的工程系數(shù)是0.46，其對(duì)應(yīng)的解像度（Half Pitch）是19nm。

假設(shè)第二代的工程系數(shù)為0.39，對(duì)應(yīng)的解像度為16nm，如果是最先進(jìn)的邏輯半導(dǎo)體的技術(shù)節(jié)點(diǎn)的話，可以適用于7nm~5nm的量產(chǎn)品。

假設(shè)第三代的工程系數(shù)是0.29，對(duì)應(yīng)的解像度是12nm，如果是最先進(jìn)的邏輯半導(dǎo)體的技術(shù)節(jié)點(diǎn)的話，可以適用于5nm~3nm的量產(chǎn)品。

由于第四代大幅度更改了數(shù)值孔徑，工程系數(shù)假設(shè)為0.46，和第一代相同。假設(shè)數(shù)值孔徑為0.55，工程系數(shù)即使增加為0.46，相對(duì)應(yīng)的解像度也和第三代基本相同，為11.3nm，可以適用于5nm~3nm的量產(chǎn)品。

EUV曝光技術(shù)發(fā)展和解像度的發(fā)展。以EUV曝光機(jī)廠商ASML發(fā)布的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)作者推測(cè)的數(shù)字。

把Multi-patterning（多重曝光）

導(dǎo)入到EUV曝光技術(shù)里

不需要改良光學(xué)系統(tǒng)和阻焊層（resist）等曝光技術(shù)，把工程系數(shù)k1實(shí)質(zhì)性地降低的辦法----Multi-patterning（多重曝光）技術(shù)。正在討論把ArF液浸曝光方面廣泛普及的多重曝光技術(shù)應(yīng)用到EUV曝光技術(shù)里。

比方說(shuō)，兩次曝光就是導(dǎo)入LELE技術(shù)，即重復(fù)兩次Lithography（L）和Etching（E），如果把LELE技術(shù)導(dǎo)入到工程系數(shù)為0.46的EUV曝光技術(shù)（數(shù)值孔徑為0.33）上，解像度會(huì)變?yōu)?6nm，這和把單次曝光時(shí)的工程系數(shù)降到0.39得到的效果一樣。

三次曝光，即導(dǎo)入LELELE技術(shù)，重復(fù)三次Lithography（L）和Etching（E），再次降低解像度，為12nm，這和把單次曝光時(shí)的工程系數(shù)降低到0.29得到的效果一樣。

但是，利用多重曝光技術(shù)的話，“吞吐量（through-put）”會(huì)大幅度降低，單次曝光（SE技術(shù)）的晶圓處理數(shù)量約為130片/小時(shí)，兩次曝光（LELE）曝光的話，下降為70片/小時(shí)，三次曝光（LELELE）曝光的“吞吐量”下降為單次的1/3，為40片/小時(shí)。

聯(lián)合運(yùn)用EUV曝光和多重曝光的解像度和“吐出量”的變化（k1是0.46），作者根據(jù)ASML公布的數(shù)據(jù)總結(jié)的數(shù)字。

總結(jié)一下，新型的5nm技術(shù)有兩個(gè)方向，第一、維持著單次曝光技術(shù)的同時(shí)，把工程系數(shù)下降到0.39；第二、通過(guò)利用兩次曝光（LELE技術(shù)）技術(shù)，實(shí)質(zhì)性地降低工程系數(shù)。兩個(gè)的解像度都是16nm，預(yù)計(jì)量產(chǎn)開(kāi)始時(shí)間為2021年。如果采用兩次曝光技術(shù)，預(yù)計(jì)量產(chǎn)時(shí)間可以提前到2020年。

第三代的3nm技術(shù)的節(jié)點(diǎn)稍微有點(diǎn)復(fù)雜，有三個(gè)方向：第一、把單次曝光的工程系數(shù)維持為0.29；第二、聯(lián)合兩次曝光（LELE技術(shù)）和把工程系數(shù)改為0.39的曝光技術(shù)；第三、利用三次曝光（LELELE）技術(shù)。三個(gè)方向的解像度都是12nm，預(yù)計(jì)量產(chǎn)時(shí)間為2023年。但是，如果采用三次曝光的話，量產(chǎn)時(shí)間有可能再提前。

關(guān)于第四代2nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)，如果用數(shù)值孔徑為0.33的EUV曝光技術(shù)估計(jì)很難實(shí)現(xiàn)。應(yīng)該是期待把數(shù)值孔徑提高到0.55的EUV曝光技術(shù)。

EUV曝光設(shè)備的組合運(yùn)用，

繼續(xù)改良精度和生產(chǎn)性能

EUV曝光技術(shù)的開(kāi)發(fā)方面最重要的是EUV曝光設(shè)備（EUV scanner）的改良。EUV曝光設(shè)備廠商ASML已經(jīng)公布了繼用于現(xiàn)行量產(chǎn)品7nm的EUV scanner--“NXE:3400B”之后的開(kāi)發(fā)藍(lán)圖。

據(jù)ASML的技術(shù)藍(lán)圖預(yù)測(cè)，以“NXE:3400B”為基礎(chǔ)，首次開(kāi)發(fā)降低重合誤差的版本，后面是以“降低重合誤差版本”為基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)提高“吐出量”（生產(chǎn)性能）的版本。預(yù)計(jì)在今年（2019年）的上半年，完成這些改良。

基于以上改良成果的新產(chǎn)品“NXE:3400C”預(yù)計(jì)會(huì)在今年年末開(kāi)始出貨，預(yù)計(jì)“NXE:3400C”將要“擔(dān)任”5nm的量產(chǎn)工作。

而且，降低重合誤差的同時(shí)，還要開(kāi)發(fā)提高產(chǎn)能的新版本，ASML還沒(méi)有公布新版本的型號(hào)，出貨時(shí)間預(yù)計(jì)在2021年的下半年，新版本應(yīng)該會(huì)承擔(dān)3nm的量產(chǎn)工作吧。

EUV曝光設(shè)備（EUV scanner）的開(kāi)發(fā)藍(lán)圖，作者根據(jù)ASML公布的數(shù)據(jù)匯總的。

EUV曝光設(shè)備的開(kāi)發(fā)藍(lán)圖，摘自2018年12月ASML在國(guó)際學(xué)會(huì)IEDM上發(fā)布的論文。

新一代用于量產(chǎn)的EUV曝光設(shè)備（EUV scanner）“NXE:3400C”的概要，出自ASML在2018年12月國(guó)際學(xué)會(huì)IEDM的演講資料。

這些曝光設(shè)備基本都是搭載了數(shù)值孔徑為0.33的光學(xué)系統(tǒng)。ASML同時(shí)也在致力于開(kāi)發(fā)把數(shù)值孔徑提高到0.55的EUV曝光設(shè)備。

被ASML稱(chēng)為“High NA”的、數(shù)值孔徑為0.55的EUV scanner的出貨時(shí)間預(yù)計(jì)在2023年的下半年，首批試驗(yàn)設(shè)備預(yù)計(jì)在2021年年底做成。