20年EUV光刻機(jī)量產(chǎn)歷程挽救摩爾定律

2019 年底在舊金山舉辦的年度國(guó)際電子元件會(huì)議（IEDM）上，臺(tái)積電公布的兩個(gè)報(bào)告標(biāo)志著集成電路制造邁入了EUV 光刻時(shí)代。第一個(gè)報(bào)告宣布了應(yīng)用EUV 光刻技術(shù)的7 納米世代的改良版芯片已經(jīng)于2019 年正式量產(chǎn)，我們知道這個(gè)技術(shù)已經(jīng)用在2019 年生產(chǎn)的麒麟990 5G 這顆有多于100 億個(gè)晶體管的芯片上。

第二個(gè)報(bào)告宣布了2020 年量產(chǎn)的5 納米世代將會(huì)有十幾層的制程用EUV 光刻技術(shù)來(lái)完成，取代多于它四倍（四十幾層）的193 納米浸潤(rùn)式光刻技術(shù)。果然，2020 年秋天，華為mate40和蘋(píng)果公司的5G 旗艦手機(jī)已經(jīng)搭載臺(tái)積電制造的5 納米世代的芯片。日前，蘋(píng)果更宣布用于Mac PC 的新芯片：這片5 納米世代的芯片上含有160 億個(gè)晶體管。EUV 光刻技術(shù)使摩爾定律得以延續(xù)。

ASML 上周財(cái)報(bào)中指出該公司于2020 年底慶祝第100 臺(tái)EUV 極紫外光光刻系統(tǒng)出貨。中國(guó)臺(tái)灣目前更是全球EUV最大的裝機(jī)基地。EUV 光刻技術(shù)歷經(jīng)20 余年的實(shí)驗(yàn)室研發(fā)，以及12 年的量產(chǎn)研發(fā)，至今成為半導(dǎo)體先進(jìn)制程中最重要的生產(chǎn)工具。ASML 全球副總裁暨技術(shù)開(kāi)發(fā)中心主任嚴(yán)濤南，正是推動(dòng)EUV 應(yīng)用在量產(chǎn)階段的靈魂人物。

接下來(lái)我們看一下由嚴(yán)濤南先生撰寫(xiě)的文章：ASML 極紫外光（EUV）光刻技術(shù)的量產(chǎn)歷程

ASML 全球副總裁暨技術(shù)開(kāi)發(fā)中心主任嚴(yán)濤南博士

EUV 光刻技術(shù)采用錫的電漿來(lái)產(chǎn)生波長(zhǎng)為13.5 納米的光源，以及用鉬硅多層反射薄膜來(lái)把光傳遞到芯片上。不同于一般的紫外光光刻技術(shù)，EUV 光刻技術(shù)得在低真空中運(yùn)作，技術(shù)難度更高。

EUV 光刻技術(shù)以實(shí)驗(yàn)室形式的研發(fā)（日本，美國(guó)，歐洲，包括ASML和Cymer）已經(jīng)走過(guò)了二十多年卻仍達(dá)不到量產(chǎn)的技術(shù)要求，但也沒(méi)有被放棄。理由只有一個(gè)：因?yàn)闆](méi)有showstopper（明顯的重大問(wèn)題）。當(dāng)時(shí)業(yè)界普遍認(rèn)為如果EUV 能用于量產(chǎn)就可以讓摩爾定律延續(xù)生命。這是個(gè)巨大的誘惑。臺(tái)積電是全球最大的半導(dǎo)體代工廠，在先進(jìn)制程獨(dú)占鰲頭，其開(kāi)發(fā)所有新技術(shù)的目的只有一個(gè)：最終用于量產(chǎn)。而開(kāi)發(fā)用于量產(chǎn)的EUV 光刻技術(shù)就落到了我的肩上。

量產(chǎn)的要求極高，要知道EUV 光刻技術(shù)的種種瓶頸，就必須在當(dāng)時(shí)僅有的EUV 光刻設(shè)備上做實(shí)驗(yàn)。2006 年，標(biāo)志著EUV 實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段的結(jié)束。那年，我現(xiàn)在的東家ASML 交出了兩臺(tái)EUV 樣機(jī)，叫做Alphademo tool （ADT）。其中一臺(tái)由紐約州的Albany 納米中心獲得，另一臺(tái)落戶(hù)比利時(shí)微電子研發(fā)中心（imec）──ASML 的長(zhǎng)期合作伙伴。因?yàn)榕_(tái)積電是imec 的「核心伙伴」成員，我派了一位光刻技術(shù)專(zhuān)家去那里蹲點(diǎn)。盡管那臺(tái)樣機(jī)故障頻頻，但從他寄回來(lái)的芯片中，我們看到了一線(xiàn)希望，決定繼續(xù)往下走。

2010 年的春天，在當(dāng)時(shí)臺(tái)積電研發(fā)組長(zhǎng)蔣尚義博士（后為臺(tái)積電共同營(yíng)運(yùn)長(zhǎng)）的主導(dǎo)下，我們向ASML 訂了一臺(tái)型號(hào)為NXE:3100（數(shù)值孔徑為0.25）的EUV 光刻機(jī)臺(tái)。那款機(jī)型是繼ADT 后的EUV 研發(fā)機(jī)臺(tái)。ASML 一共做了六臺(tái)，分別運(yùn)往了三星、imec、英特爾、東芝、海力士和臺(tái)積電。光源是美國(guó)Cymer 公司提供的。

因?yàn)槭堑谝淮尾捎眉?a href="http://srfitnesspt.com/v/tag/2800/" target="_blank">光電漿（laser-producedplasma，LPP）技術(shù)來(lái)產(chǎn)生波長(zhǎng)為13.5 納米的EUV 光，3100 的光源非常弱，最佳狀態(tài)時(shí)只能輸出10 瓦的功率，是現(xiàn)在量產(chǎn)機(jī)臺(tái)（輸出功率250 瓦）的二十五分之一，而且可靠性低，經(jīng)常故障。但我相信它是可以進(jìn)步的，因?yàn)檠邪l(fā)中的下一代光源在Cymer 的實(shí)驗(yàn)室里已經(jīng)演示出高于10 瓦數(shù)倍的功率，雖然只是短暫的瞬間，而不是七天二十四小時(shí)持續(xù)發(fā)光。

而且那時(shí)我們第一要關(guān)心的不是光源的輸出功率，而是光刻機(jī)臺(tái)鏡頭的解析度。鏡頭是ASML 的合作伙伴ZEISS 做的。雖然數(shù)值孔徑都是0.25，NXE：3100 的鏡頭比起ADT 來(lái)有很大的進(jìn)步，我們看到它已經(jīng)可以在芯片上曝出10 納米世代需要的圖案！再者，ASML 的下一代機(jī)型NXE：3300 有更高的0.33 的數(shù)值孔徑，意味著更高的解析度。還是在蔣先生的全力支持下，我們訂購(gòu)了NXE：3300，繼續(xù)往前沖。

2012 年底，張忠謀董事長(zhǎng)問(wèn)我：「你覺(jué)得EUV 成功的機(jī)率有多少？」我答「80%」，他說(shuō)：「那你很樂(lè)觀噢！某人說(shuō)只有50%」。回想起來(lái)，當(dāng)時(shí)在大老板前面講出80% 的成功機(jī)率確實(shí)是有點(diǎn)膽大。但我還是信心滿(mǎn)滿(mǎn)。為什么？

義無(wú)反顧，全力以赴，合作無(wú)間

ASML 從一開(kāi)始就認(rèn)知到開(kāi)發(fā)EUV 量產(chǎn)光刻機(jī)臺(tái)是個(gè)極高風(fēng)險(xiǎn)但又是高回報(bào)的事業(yè)。而且延續(xù)摩爾定律是它的社會(huì)責(zé)任。因?yàn)轱L(fēng)險(xiǎn)極高，所以ASML 的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手從一開(kāi)始就沒(méi)有打算要開(kāi)發(fā)量產(chǎn)的EUV 技術(shù)。它的社長(zhǎng)對(duì)我說(shuō)：「EUV 是不會(huì)成功的；ASML 會(huì)蝕掉所有的開(kāi)發(fā)成本」。其實(shí)那時(shí)有這樣的想法是很正常的，持這樣觀點(diǎn)的人也很多。

但ASML 不是一般的公司。決定它在EUV 光刻機(jī)臺(tái)技術(shù)上成功的因素有三個(gè)：

決定開(kāi)發(fā)EUV 光刻機(jī)臺(tái)后，公司將全力以赴，投入了所有可能的資源來(lái)降低風(fēng)險(xiǎn)，使它成功。

技術(shù)長(zhǎng)Martin van den Brink 親自?huà)鞄?，事無(wú)巨細(xì)，都一一過(guò)問(wèn)。

和像臺(tái)積電這樣的重要客戶(hù)共同開(kāi)發(fā)。

對(duì)臺(tái)積電來(lái)說(shuō)也一樣。因?yàn)橐呀?jīng)決定了，就要全方位的投入。蔣先生和我們分享過(guò)這樣一段話(huà)：「我一生中做過(guò)許多技術(shù)方面的決定。我決定的方向可能當(dāng)時(shí)來(lái)說(shuō)不是最好的。但是我一旦決定了，就會(huì)把所有的資源投入到那里，讓它成功。另一個(gè)或許是當(dāng)時(shí)更好的方向已經(jīng)無(wú)關(guān)緊要了，因?yàn)樗呀?jīng)出局了」。

我義無(wú)反顧，全心全意地投入EUV 的開(kāi)發(fā)。每天一定會(huì)穿好無(wú)塵衣進(jìn)入無(wú)塵室去看我的機(jī)器：了解它們的狀況，做出相應(yīng)的決定。公司內(nèi)部有人說(shuō)我是公司里唯一一位每天進(jìn)無(wú)塵室的處長(zhǎng)。不知是褒義還是貶義。但我知道：絕對(duì)不能只聽(tīng)報(bào)告，然后在辦公室或會(huì)議室里隔空指揮，特別是當(dāng)機(jī)器的可靠性還很低時(shí)。為了讓機(jī)器的利用率達(dá)到最高，我需要看了機(jī)器當(dāng)時(shí)的狀況后，決定讓它接著曝實(shí)驗(yàn)芯片，或是把它拉下來(lái)做機(jī)器本身的實(shí)驗(yàn)。為了趕進(jìn)度，我們和ASML 共同開(kāi)發(fā)：很多實(shí)驗(yàn)都是在荷蘭或美國(guó)初步進(jìn)行一下，然后直接在臺(tái)積電的3300 光刻機(jī)臺(tái)上完成的。

在通往量產(chǎn)的路上，人們最擔(dān)心的是光源的輸出功率是否最終能達(dá)到250 瓦。這是量產(chǎn)機(jī)臺(tái)所必須有的。因?yàn)閱蝺r(jià)很高，EUV 光刻機(jī)臺(tái)要有高的稼動(dòng)率來(lái)壓制芯片的生產(chǎn)成本。上面提到，光刻機(jī)臺(tái)最要緊的是鏡頭的解析度。那時(shí)ZEISS 做的鏡頭已經(jīng)不是問(wèn)題。光源的輸出功率變成了主要問(wèn)題。

2013 年十月底，我們的第一臺(tái)NXE：3300 開(kāi)始曝光，但從十一月開(kāi)始的好長(zhǎng)一段時(shí)間，光源的功率都無(wú)法超越10 瓦。透過(guò)不斷的實(shí)驗(yàn)，到了2014 年第二季，功率爬到了40 瓦左右。然后接著一連串的實(shí)驗(yàn)都沒(méi)法讓它繼續(xù)提升：主要表現(xiàn)在高于40 瓦輸出功率的穩(wěn)定性欠佳。整個(gè)夏天，我們和ASML 在新竹、荷蘭、美國(guó)不停地做實(shí)驗(yàn)。

EUV 光的產(chǎn)生是用二氧化碳激光每秒5 萬(wàn)次去轟擊液態(tài)錫滴。出來(lái)的EUV 光通過(guò)一個(gè)直徑為0.65 公尺的橢球反光鏡送進(jìn)光刻機(jī)臺(tái)里頭。錫滴位于橢球反光鏡的一個(gè)焦點(diǎn)，機(jī)器的進(jìn)口位于它的另一個(gè)焦點(diǎn)。所以，保持這塊反光鏡不被霧化就成了關(guān)鍵中的關(guān)鍵。

為什么會(huì)霧化？因?yàn)殄a滴被激光轟擊后氣化，在腔內(nèi)擴(kuò)散，會(huì)沉積在鏡子上。因此，我們?cè)诜垂忡R周?chē)斎霘錃狻UV 光能把氫分子分離為氫原子。而氫原子又能與錫結(jié)合，變成氣態(tài)的氫化錫，然后被抽出腔體。不讓反光鏡霧化的關(guān)鍵是把二氧化碳激光的功率，氫氣的流量和氫氣的壓力調(diào)到最佳組合。當(dāng)然還有其他關(guān)鍵的地方?？傊?，這個(gè)十億美元的游戲就是要怎樣把EUV 光的穩(wěn)定的輸出功率調(diào)高，再調(diào)高，調(diào)得更高。

EUV光源

2014 年10 月的一個(gè)晚上是個(gè)分水嶺。 那晚我在公司餐廳匆匆用了餐，就進(jìn)入無(wú)塵室和ASML 的伙伴們一起用Cymer 那里先調(diào)出來(lái)的初步數(shù)據(jù)做一個(gè)嶄新的實(shí)驗(yàn)。 經(jīng)過(guò)參數(shù)的微調(diào)，輸出功率持續(xù)上升。 九點(diǎn)過(guò)后，我們第二臺(tái)3300 上的EUV 光源第一次輸出了90瓦的穩(wěn)定功率。 這是全世界的第一次！ 能達(dá)到90 瓦，250 瓦就希望很大，因?yàn)橹徊畈坏饺?，而我們已?jīng)從10 瓦走到了90 瓦，那是九倍。 我立即意識(shí)到，EUV 光刻技術(shù)的量產(chǎn)應(yīng)該會(huì)成功。 頓時(shí)一股暖流涌上心頭，我一生都會(huì)記得那一個(gè)晚上。

接下來(lái)的任務(wù)更加艱巨：為了證明光源的輸出功率不只是最佳的的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我被長(zhǎng)官要求證明這部光刻機(jī)臺(tái)能連續(xù)一個(gè)月平均每天曝光五百片芯片。我去和ASML 商量。我們決定：加快步伐把錫滴管和橢球反光鏡的更換頻率降低，因?yàn)樗鼈兊母鼡Q在那個(gè)時(shí)候需要幾十個(gè)小時(shí)。期間光刻機(jī)臺(tái)不能曝光。其中最重要的改進(jìn)是把錫滴的體積減半，來(lái)減少錫滴管的消耗及橢球反光鏡的污染，從而降低它們的更換頻率，但不能讓每次激光轟擊產(chǎn)生的EUV 能量降低。

臺(tái)積電和ASML 成立了One Team，日夜不停地改進(jìn)光源的各項(xiàng)參數(shù)。這項(xiàng)任務(wù)在2015 年上半年完成了。在那之后，One Team 在各個(gè)方面都取得了進(jìn)步，包括一次又一次地改進(jìn)各項(xiàng)參數(shù)來(lái)延長(zhǎng)反光鏡的壽命。在這里我要感謝我以前的EUV 研發(fā)團(tuán)隊(duì)及和我們緊密合作的ASML 的伙伴──我現(xiàn)在的同事們。

打造一個(gè)全新的生態(tài)系統(tǒng)

以上的工作是艱難的，但是還是不足的。EUV 光刻量產(chǎn)技術(shù)是到目前為止半導(dǎo)體工業(yè)最大的開(kāi)發(fā)計(jì)劃，它的成功需要整個(gè)半導(dǎo)體業(yè)界的力量。為了說(shuō)服ASML 開(kāi)發(fā)，從2013 年起的五年內(nèi)，臺(tái)積電、三星、英特爾加在一起付給了ASML 超過(guò)十億歐元研發(fā)費(fèi)用來(lái)共襄盛舉。為了達(dá)成此任務(wù)，ASML 援助它的供應(yīng)商：2012 年，它花了二十五億美元收購(gòu)了美國(guó)Cymer 公司；2016 年，它花了十億歐元入股德國(guó)ZEISS 公司，并在之后的六年內(nèi)提供ZEISS 七點(diǎn)六億歐元研發(fā)費(fèi)用。這些舉動(dòng)都是為了確保EUV 光刻技術(shù)的成功。

要成功將EUV 技術(shù)導(dǎo)入芯片的量產(chǎn)階段，除了光刻機(jī)臺(tái)外，還需要開(kāi)發(fā)一個(gè)EUV 光刻技術(shù)專(zhuān)門(mén)的生態(tài)系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)包括光阻與光罩。其實(shí)光罩本身就是一個(gè)子系統(tǒng)，它在臺(tái)積電的開(kāi)發(fā)也是由我負(fù)責(zé)。

當(dāng)初，雖然193 納米光阻那時(shí)已是成熟的技術(shù)，也是日本供應(yīng)商的天下，但是由于已看到EUV 要走到量產(chǎn)不是一、兩年的事，一般光阻供應(yīng)商都不愿意在EUV光阻上投入太多資源。唯有JSR 有戰(zhàn)略眼光。在小柴社長(zhǎng)的支持下，我們和JSR 進(jìn)行了長(zhǎng)期的不間斷的合作，確保了我們的EUV 光刻機(jī)臺(tái)有光阻可用，以及EUV 光阻本身的開(kāi)發(fā)。

光罩技術(shù)的開(kāi)發(fā)更加困難。唯二的光罩基材（maskblank）供應(yīng)商也是日本公司。這里要提一下Hoya 公司。我們努力地合作，但它做的EUV 光罩基材一開(kāi)始充滿(mǎn)了缺陷。而且它自己沒(méi)法全然知道，因?yàn)樗约旱?a target="_blank">檢測(cè)設(shè)備解析度沒(méi)有我們的高。所以他們的工程師要靠我們的反饋來(lái)改進(jìn)他們的制程。Hoya 的光罩基材事業(yè)部部長(zhǎng)堀川先生提出請(qǐng)求，讓我們每個(gè)月能有固定的采購(gòu)來(lái)維持它小小的EUV光罩基材生產(chǎn)線(xiàn)。為了量產(chǎn)，不能只用實(shí)驗(yàn)室里做出來(lái)的東西; 有了生產(chǎn)線(xiàn)，制程才能改進(jìn)。

我們答應(yīng)了他的請(qǐng)求。為了提高光罩基材缺陷的檢測(cè)解析度，我們和KLA 的工程師合作，把一臺(tái)光罩檢測(cè)機(jī)改良為光罩基材缺陷專(zhuān)用的檢測(cè)機(jī)。然后我們可以一次次地反饋給Hoya 的工程師們，而他們就按照我們的反饋調(diào)參數(shù)，又一次次地把新的光罩基材送過(guò)來(lái)。到了2016年，光罩基材的缺陷已經(jīng)降到十到二十顆左右。

我們也和本地供應(yīng)商合作，例如和家登精密合作開(kāi)發(fā)EUV 用的雙層光罩盒。與此同時(shí)，臺(tái)積電2011 年加入的國(guó)際半導(dǎo)體聯(lián)盟SEMATECH 及日本半導(dǎo)體聯(lián)盟EIDEC，也來(lái)共襄盛舉。這兩個(gè)組織都百分之百致力于EUV 生態(tài)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。ZEISS 的EUV AIMS 光罩影像機(jī)及Lasertec 的EUV 光罩基材檢測(cè)機(jī)器就是在這些聯(lián)盟的資助下完成開(kāi)發(fā)的。

總之，EUV 量產(chǎn)的開(kāi)發(fā)是光刻機(jī)臺(tái)加上生態(tài)系統(tǒng)再加上制程的開(kāi)發(fā)，缺一不可。在這里應(yīng)該感謝以前臺(tái)積電EUV 團(tuán)隊(duì)里的每一位成員的辛勤付出，ASML 同事們頑強(qiáng)的拼搏，其他半導(dǎo)體公司的相關(guān)研發(fā)人員的不懈努力，以及所有開(kāi)發(fā)EUV 相關(guān)技術(shù)的供應(yīng)商及研究單位。EUV 量產(chǎn)的成功歸功于我們的共同努力，唯有如此，這個(gè)技術(shù)才有成功的今天。

2015 年春SPIE 國(guó)際光電工程學(xué)會(huì)年會(huì)上有人問(wèn)我：「你們的B 計(jì)劃是什么？」我回答：「我們沒(méi)有 B 計(jì)劃」，因?yàn)槟菚r(shí)我已堅(jiān)信我們的A 計(jì)劃會(huì)成功。

EUV 挽救了摩爾定律

二十多年的前期研發(fā)不算，僅量產(chǎn)用的EUV 光刻技術(shù)的開(kāi)發(fā)就走了足足十二年。ASML 更是直接投入了大量人力物力，這還不算ASML 在光刻機(jī)臺(tái)方面多年的技術(shù)積累和產(chǎn)業(yè)界的全力合作。所以大事業(yè)的成功是成年累月不懈的努力。是不可能一步登天，一蹴而就的。

EUV 光刻技術(shù)最終是成功了。摩爾定律的生命被延續(xù)了。不然，集成電路的進(jìn)步會(huì)在2018 年量產(chǎn)的7 納米那代就嘎然而止了。而現(xiàn)在呢，EUV 光刻技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于7 及5 納米世代的量產(chǎn)。2020 年十月，臺(tái)積電魏哲家執(zhí)行長(zhǎng)宣布：3 納米世代將于2022 年下半年投入量產(chǎn)。正如193 納米浸潤(rùn)式光刻技術(shù)讓摩爾定律延續(xù)了十年（五個(gè)世代的集成電路），EUV 光刻技術(shù)也將會(huì)讓摩爾定律至少延續(xù)再一個(gè)十年。屆時(shí)，集成電路制造已經(jīng)走到了埃米世代了。

原文標(biāo)題：挽救摩爾定律：EUV光刻機(jī)20年量產(chǎn)歷程

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