下一代EUV光刻機(jī)何時能見到？ASML這樣說

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

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)的首臺設(shè)備TWINSCAN NXT:870和第一臺 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，在歷經(jīng)六年的研發(fā)后，他們在2022年收到了供應(yīng)商提供的第一個高數(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（wafer stage）。這些模塊將用于EXE:5000的初始測試和集成，是一個重要的步驟。

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

關(guān)于未來的EUV光刻機(jī)發(fā)展路徑，ASML首席技術(shù)官M(fèi)artin van den Brink在財報中透露，他認(rèn)為Hyper-NA EUV有望在這個十年結(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；NA為數(shù)值孔徑，表示光線的入射角；k1 一個是與光學(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。這也正是過去多年光刻機(jī)光源從波長為365nm的i-line、KrF、ArF、ArF Immersion向波長為13.5nm的EUV演進(jìn)的原因。

至于NA方面，按照ASML所說，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還通過在最后一個鏡頭元件和晶圓之間保持一層薄薄的水膜，利用水的breaking index 來增加 NA（所謂的浸沒系統(tǒng)），從而增加了我們 ArF 系統(tǒng)的 NA。而在波長向 EUV 邁進(jìn)之后，ASML 也正在開發(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)上是一個投影系統(tǒng)。例如在其DUV 系統(tǒng)中，光線通過將要打印的圖案藍(lán)圖（稱為“mask”或“reticle”）投射；而在EUV 系統(tǒng)中，光通過reticle反射。通過在光中編碼圖案（pattern encoded），系統(tǒng)的光學(xué)器件會收縮（shrink）并將圖案聚焦到光敏硅片上。圖案打印完成后，系統(tǒng)會稍微移動晶圓，并在晶圓上制作另一份副本。

在芯片制造過程中，光刻機(jī)不斷重復(fù)這個過程，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)此過程，堆疊圖案以創(chuàng)建集成電路 (IC)。按照ASML解析說，最簡單的芯片有大約 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悾@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在財報中說。

如上文所說，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采訪的時候Martin van den Brink曾直言：“光刻技術(shù)的過渡期很糟糕。因?yàn)槿绻愀阍伊耍虑榫蜁兊靡粓F(tuán)糟，尤其是現(xiàn)在這個組織已經(jīng)這么大了。”他同時也指出，和從DUV向EUV演進(jìn)不一樣，對于High-NA光刻機(jī)，風(fēng)險會小很多，這主要是因?yàn)樵O(shè)備上的基礎(chǔ)設(shè)施改變不大。

“開發(fā)High-NA 技術(shù)的最大挑戰(zhàn)是為 EUV 光學(xué)器件構(gòu)建計量工具。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，需要在一個大到‘你可以在其中容納半個公司’的真空容器中進(jìn)行驗(yàn)證。”Martin van den Brink說。

Martin van den Brink表示，在2017年剛開始啟動High NA EUV項目的時候，他認(rèn)為這將是EUV光刻機(jī)的最后一個NA，因?yàn)楫?dāng)時的他認(rèn)為，High NA來得太晚了，沒有足夠的微縮能夠來收回投資。

他同時還透露，最開始其合作伙伴蔡司也不是很想?yún)⑴c這個項目。

雖然困難重重，但High NA EUV光刻機(jī)就快成為現(xiàn)實(shí)了。正如報道中所說，半導(dǎo)體業(yè)界還想知道的一個事情是，High-NA是否還有繼任者。

報道指出，ASML 的技術(shù)副總裁 Jos Benschop 已經(jīng)在2021年的 SPIE 高級光刻會議上透露，可能的替代方案，即波長的新臺階，不是一個選擇。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。波長的降低會改變角度范圍，這樣透鏡就必須變得太大而無法補(bǔ)償。雖然ASML 正在研究它，但Van den Brink表示，就個人而言，他不認(rèn)為 hyper-NA 會被證明是可行的。“我們正在研究它，但這并不意味著它會投入生產(chǎn)。多年來，我一直懷疑 high-NA 將是最后一個 NA，而且這個信念沒有改變。”Van den Brink說。

據(jù)他所說，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。但他也同時提出：市場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)時還強(qiáng)調(diào)，如果Hyper-NA 的成本增長速度與我們在 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，在日前的財報中，Van den Brink說，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的解決方案更簡單、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)向下一個產(chǎn)品是不負(fù)責(zé)任的。這也正是ASML對將于 2023 年上市的新型光學(xué)計量系統(tǒng)所做的。公司在緊張的成本參數(shù)范圍內(nèi)重新審視了這個項目，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)我們開發(fā) High-NA 時，我們無法想象 NA 超過 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)能力可以同時處理所有這些事情。我們可以開發(fā)像 Hyper-NA 這樣的技術(shù)，同時關(guān)注成本控制、簡單性、可持續(xù)性、可制造性和可維護(hù)性。”Van den Brink在財報中說。

換而言之，Hyper-NA EUV光刻機(jī)可能真的要成為現(xiàn)實(shí)了。