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EUV光刻技术发展态势

供稿人:杜渐  供稿时间:2018-10-30   关键字:EUV  极紫外光刻  

光刻(lithography)为集成电路微细化的最关键技术。当前在16/14nm节点乃至10及7nm节点,芯片制造商普遍还在使用193nm ArF浸润式光刻机+多重成像技术,但采用多重成像技术后将增加曝光次数,导致成本显著上升及良率、产出下降等问题。根据相关企业的规划,在7/5nm节点,芯片生产将导入极紫外(EUV)光刻技术,EUV光刻使用13.5nm波长的极紫外光,能够形成更为精细的曝光图像。芯片厂商计划将EUV光刻应用到最困难的光刻工序,即金属1层以及过孔生成工序,而其他大部分工序则仍将延用193nm ArF浸润式光刻机+多重成像来制作。据EUV光刻机生产商阿斯麦(ASML)称,相比浸润式光刻+三重成像技术,EUV光刻技术能够将金属层的制作成本降低9%,过孔的制作成本降低28%。

EUV光刻的关键技术包括EUV光源和高数值孔径(NA)镜头,前者关乎光刻机的吞吐量(Throughput),后者关乎光刻机的分辨率(Resolution)和套刻误差(Overlay)能力等。目前,全球EUV光刻机生产基本上由荷兰阿斯麦公司所垄断,其最新 NXE:3400B EUV机型,采用245W光源,在实验条件下,未使用掩膜保护膜(pellicle),已实现每小时曝光140片晶圆的吞吐量;该机型在用户端的测试中,可达到每小时曝光125片晶圆的吞吐量,套刻误差2nm;按照阿斯麦公司EUV技术路线规划,公司将在2018年底前,通过技术升级使NXE:3400B EUV机型的套刻误差减小到1.7nm以下,满足5nm制程的工艺需求;在2019年中,采用250W EUV光源,达到每小时145片晶圆的量产吞吐量;在2020年,推出升级版的NXE:3400C EUV机型,采用250W EUV光源达到155片/时的量产吞吐量。总体上,目前的250W EUV光源已经可以满足7nm甚至5nm制程的要求,但针对下一代的EUV光源仍有待开发。据估算,在3nm技术节点,对EUV光源的功率要求将提升到500W,到了1nm技术节点,光源功率要求甚至将达到1KW。

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ASML公司EUV技术路线规划

高数值孔径(High-NA)光学系统方面,由于极紫外光会被所有材料(包括各种气体)吸收,因此极紫外光光刻必需在真空环境下,并且使用反射式透镜进行。目前,阿斯麦公司已开发出数值孔径为0.33的EUV光刻机镜头,阿斯麦正在为3nm及以下制程采开发更高数值孔径(NA)光学系统,公司与卡尔蔡司公司合作开发的数值孔径为0.5的光学系统,预计在2023-2024年后量产,该光学系统分辨率(Resolution)和生产时的套刻误差(Overlay)比现有系统高出70%,每小时可以处理 185 片晶圆。

除光刻机之外,EUV光刻要在芯片量产中应用仍有一些技术问题有待进一步解决,如:光刻胶、掩膜、掩膜保护薄膜(pellicle)。

光刻胶方面,要实现大规模量产要求光刻胶的照射反应剂量水平必须不高于20mJ/cm2。而目前要想得到完美的成像,EUV光刻胶的照射剂量普遍需要达到30-40mJ/cm2。在30mJ/cm2剂量水平,250w光源的EUV光刻机每小时吞吐量只能达到90片,显著低于理想的125片。由于EUV光刻产生的一些光子随机效应,要想降低光刻胶的照射剂量水平仍需克服一系列挑战。其中之一是所谓的光子发射噪声现象。光子是光的基本粒子,成像过程中照射光光子数量的变化会影响EUV光刻胶的性能,因此会产生一些不希望有的成像缺陷,比如:线边缘粗糙(line-edge roughness:LER)等。

光掩膜版,EUV光刻使用镜面反射光而不是用透镜折射光,因此EUV光刻采用的光掩膜版也需要改成反射型,改用覆盖在基体上的硅和钼层来制作。同时,EUV光刻对光掩膜版的准确度、精密度、复杂度要求比以往更高。当前制作掩膜版普遍使用的可变形状电子束设备(VSB),其写入时间成为最大的挑战,解决方案之一是采用多束电子束设备。包括IMS公司、NuFlare公司等已在开发相关多束电子束产品,多束电子束设备能够提高光掩膜版制作效率,降低成本,还有助于提高光掩膜版的良率。未来,大部分EUV光掩膜版仍可以使用可变形状电子束设备来制作,但是对少数复杂芯片而言,要想保持加工速度,必须使用多束电子束设备。

EUV薄膜,EUV薄膜作为光掩膜的保护层,提供阻隔外界污染的实体屏障,可以防止微尘或挥发气体污染光掩膜表面,减少光掩膜使用时的清洁和检验。阿斯麦公司已经开发出83%透射率的薄膜,在采用245W光源,测试可达到100 片晶圆/时吞吐量,阿斯麦的目标是开发出透射率90%的透明薄膜,可承受300W的EUV光源,实现125片晶圆/时的吞吐量。

初期,EUV光刻还是主要应用于高端逻辑芯片、存储芯片的生产,主要芯片企业已相继宣布了各自导入EUV光刻的计划。三星宣布将在2018年下半年量产的7nm Low Power Plus工艺中采用EUV光刻技术,台积电和格芯(Global foundries)也宣布计划于2019年开始使用EUV光刻机进行商业化生产。

http://iknow.stpi.narl.org.tw/Post/Figures/2018/market/ic_14467_20180523.png

主要集成电路产品导入EUV光刻的计划

 参考文献:

1、华创证券《半导体设备深度报告(三):详解光刻机》

2、ASML《Enabling Semiconductor Innovation and Growth》


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