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全面起底ASML的EUV光刻技術

作者:時間:2019-01-18來源:網絡收藏

  用于高端邏輯半導體量產的(Extreme Ultra-Violet,極紫外線光刻)曝光技術的未來藍圖逐漸“步入”我們的視野,從7nm階段的技術節點到今年(2019年,也是從今年開始),每2年~3年一個階段向新的技術節點發展。

本文引用地址:http://www.opuaih.live/article/201901/396889.htm

  

  高端邏輯半導體的技術節點和對應的曝光技術的藍圖。

  也就是說,在曝光技術的開發比較順利的情況下,5nm的量產日程時間會大約在2021年,3nm的量產時間大約在2023年。關于更先進的2nm的技術節點,還處于模糊階段,據預測,其量產時間最快也是在2026年。

  決定解像度(Half Pitch)的是波長和數值孔徑、工程系數

  技術節點的發展推動著半導體曝光技術解像度(Half Pitch)的發展,ArF液浸曝光技術和EUV曝光技術等的解像度(R)和曝光波長(λ)成正比,和光學的數值孔徑(NA,Numerical Aperture)成反比,也就是說,如果要增大解像度,需要在縮短波長的同時,擴大數值孔徑。

  實際上,解像度和被稱為“工程系數(k1)”的定數也成一定的比例關系。如果降低工程系數,解像度就會上升。但是,工程系數如果降低到最小極限值(0.25),就無法再降低了。

  

  ArF液浸曝光技術、EUV曝光技術中的解像度(Half Pitch)(R)和波長、數值孔徑(NA)、工程系數(k1)的關系。

  在ArF液浸曝光技術、EUV曝光技術中,光源的波長是固定的,無法改變。順便說一下,ArF液浸曝光的波長是193nm,EUV曝光的波長是13.5nm。兩者有超過10倍的差距,單純計算的話,EUV曝光絕對是占優勢。

  對ArF液浸曝光技術以前的光制版(lithography)技術來說,提高數值孔徑是提高解像度的有效手段。具體來說,就是通過改良作為曝光設備的Stepper和Scanner,來提高數值孔徑。

  與之相反,運用EUV曝光技術的話,不怎么需要改變數值孔徑,EUV曝光技術利用X線的反射光學系統,光學系統擁有非常復雜的構造,同時光學系統的變化也會伴隨著巨額的開發投資。所以,過去一直以來EUV曝光設備方面從沒有更改過數值孔徑。最初的EUV scanner的數值孔徑是0.25,現行設備的數值孔徑是0.33,不管怎么說,和ArF Dry曝光技術的最高值(0.93)相比,都是很低的。

  正如在本欄目中去年(2018年)12月報道的一樣(使用EUV曝光的高端邏輯半導體和高端DRAM的量產終于開始了!),用于量產7nm的最尖端邏輯半導體的EUV scanner--“NXE:3400B”內置的數值孔徑是0.33。

  而且,今后數年內,都會在使用數值孔徑為0.33的EUV scanner的同時,提高解像度。換句話說,也就是通過使用同樣數值孔徑的曝光設備來使解像度(Half Pitch)更細微化。

  通過階段性地降低工程系數來提高解像度

  所以,很多用來提高細微化的辦法都被限制了,因為波長和數值孔徑是固定的,剩下的就是工程系數。光學方面,通過降低工程系數,可以提高解像度。和ArF液浸曝光技術一樣,通過和Multi-patterning 技術組合起來,就可以達到實質上降低工程系數的效果。而且,機械方面,有必要降低曝光設備的重合誤差。

  

  提高EUV曝光技術的解像度的方法(2019年以后)

  據EUV曝光設備廠商說,他們把未來EUV曝光技術方面的細微化工作分為“四代”。現行技術水平是第一代,同時也是7nm邏輯半導體的量產是用的技術。工程系數是0.45左右。

  第二代是把工程系數降低到0.40以下,通過改良曝光技術的硬件(光學方面)和軟件(阻焊層,resist)得以實現。其技術核心也不過是改良現行技術。

  第三代是把工程系數降低到0.30以下,要得以實現,只改良現行技術比較困難,需要導入像Multi-pattering、新型mask材料、新型resist材料等這些基本要素。

  第四代,由于工程系數無法再降低,所以開發新的光學系統,它可以數值孔徑提高到0.55。

  

  EUV曝光設備廠家公布的EUV曝光技術的發展。

  公布的技術發展資料里面沒有提到工程系數的具體數值,不過我們把工程系數的假設值放進去計算了一下,看看解像度可以提到何種程度,現行(第一代)的工程系數是0.46,其對應的解像度(Half Pitch)是19nm。

  假設第二代的工程系數為0.39,對應的解像度為16nm,如果是最先進的邏輯半導體的技術節點的話,可以適用于7nm~5nm的量產品。

  假設第三代的工程系數是0.29,對應的解像度是12nm,如果是最先進的邏輯半導體的技術節點的話,可以適用于5nm~3nm的量產品。

  由于第四代大幅度更改了數值孔徑,工程系數假設為0.46,和第一代相同。假設數值孔徑為0.55,工程系數即使增加為0.46,相對應的解像度也和第三代基本相同,為11.3nm,可以適用于5nm~3nm的量產品。

  

  EUV曝光技術發展和解像度的發展。以EUV曝光機廠商ASML發布的數據為基礎作者推測的數字。

  把Multi-patterning(多重曝光)導入到EUV曝光技術里

  不需要改良光學系統和阻焊層(resist)等曝光技術,把工程系數k1實質性地降低的辦法----Multi-patterning(多重曝光)技術。正在討論把ArF液浸曝光方面廣泛普及的多重曝光技術應用到EUV曝光技術里。

  比方說,兩次曝光就是導入LELE技術,即重復兩次Lithography(L)和Etching(E),如果把LELE技術導入到工程系數為0.46的EUV曝光技術(數值孔徑為0.33)上,解像度會變為16nm,這和把單次曝光時的工程系數降到0.39得到的效果一樣。

  三次曝光,即導入LELELE技術,重復三次Lithography(L)和Etching(E),再次降低解像度,為12nm,這和把單次曝光時的工程系數降低到0.29得到的效果一樣。

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

  

  聯合運用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ASML公布的數據總結的數字。

  總結一下,新型的5nm技術有兩個方向,第一、維持著單次曝光技術的同時,把工程系數下降到0.39;第二、通過利用兩次曝光(LELE技術)技術,實質性地降低工程系數。兩個的解像度都是16nm,預計量產開始時間為2021年。如果采用兩次曝光技術,預計量產時間可以提前到2020年。

  第三代的3nm技術的節點稍微有點復雜,有三個方向:第一、把單次曝光的工程系數維持為0.29;第二、聯合兩次曝光(LELE技術)和把工程系數改為0.39的曝光技術;第三、利用三次曝光(LELELE)技術。三個方向的解像度都是12nm,預計量產時間為2023年。但是,如果采用三次曝光的話,量產時間有可能再提前。

  關于第四代2nm技術節點,如果用數值孔徑為0.33的EUV曝光技術估計很難實現。應該是期待把數值孔徑提高到0.55的EUV曝光技術。

  EUV曝光設備的組合運用,繼續改良精度和生產性能

  EUV曝光技術的開發方面最重要的是EUV曝光設備(EUV scanner)的改良。EUV曝光設備廠商ASML已經公布了繼用于現行量產品7nm的EUV scanner--“NXE:3400B”之后的開發藍圖。

  據ASML的技術藍圖預測,以“NXE:3400B”為基礎,首次開發降低重合誤差的版本,后面是以“降低重合誤差版本”為基礎,開發提高“吐出量”(生產性能)的版本。預計在今年(2019年)的上半年,完成這些改良。

  基于以上改良成果的新產品“NXE:3400C”預計會在今年年末開始出貨,預計“NXE:3400C”將要“擔任”5nm的量產工作。

  而且,降低重合誤差的同時,還要開發提高產能的新版本,ASML還沒有公布新版本的型號,出貨時間預計在2021年的下半年,新版本應該會承擔3nm的量產工作吧。

  EUV曝光設備(EUV scanner)的開發藍圖,作者根據ASML公布的數據匯總的。

  EUV曝光設備的開發藍圖,摘自2018年12月ASML在國際學會IEDM上發布的論文。

  新一代用于量產的EUV曝光設備(EUV scanner)“NXE:3400C”的概要,出自ASML在2018年12月國際學會IEDM的演講資料。

  這些曝光設備基本都是搭載了數值孔徑為0.33的光學系統。ASML同時也在致力于開發把數值孔徑提高到0.55的EUV曝光設備。

  被ASML稱為“High NA”的、數值孔徑為0.55的EUV scanner的出貨時間預計在2023年的下半年,首批試驗設備預計在2021年年底做成。關于“High NA”設備的開發情況,我們后續會繼續報道。



關鍵詞: ASML EUV

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