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了不起的EUV光刻机

半导体行业观察 ·2022-04-18 09:04·半导体行业观察
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来源:内容由半导体行业观察(ID:icbank)转载 自公众号 悦智网 ,作者: Rachel Courtland ,谢谢。


即使穿上工作服深入Fab8晶圆厂内部,你也很难体会其规模。格罗方德斥资120亿美元建造的这座工厂坐落在纽约州奥尔巴尼北部的森林里,一排排高大的机器作为工具耸立其中。装有硅晶圆的运送斗如同倒立的微型过山车,沿着头顶天花板上安装的架空轨道快速行进。如果你位置合适,时机又恰到好处,就会有一只运送斗降下来,与你身旁的工具机器交接,将晶圆送到下一道将历时3个月的工序:把餐盘大小的硅碟变成智能手机、个人电脑和服务器中的芯片。没错,新年开始制造微处理器,开春的时候大概就可以完成。

将晶圆的表面涂上感光物质,然后将其放入一只不透光的扫描仪中,该过程将在这一先进的制造流程中重复60多次。在光刻过程中,激光穿过有图案的表面,并把这种图案缩小后映射到晶圆上,创造出尖端处理器内微小晶体管和布线所需的超精确功能。
在这个浩瀚的自动化海洋中,光刻机和其他种种工具之间几乎没有区别。没有闪烁着“在这里见证非常重要的一步!”的红色大标志灯。但Fab8的总经理汤姆•考尔费尔德(TomCaulfield)解释说,光刻是“晶圆厂的核心技术”。
可以将这些扫描仪视为摩尔定律的前线。集成电路元件密度成倍增加定义了50多年来的惊人技术进步。几十年来所取得的一系列重大突破中有许多都是光刻技术方面的,从而使芯片制造商可以不断缩小芯片特征尺寸,控制研发周期,以更经济的方式在芯片上集成更多的晶体管。随着技术进步与发展,我们20世纪70年代早期在芯片中只能集成数千晶体管,而如今的容纳数量则已经发展到数十亿个。
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但要保持良好的增长势头,格罗方德公司和其他先进芯片制造商不能只依赖过去辉煌的光刻研究成果。因此,他们正在考虑另一个大胆的转变,那可能是迄今为止最具挑战性的转变。
从整体上说,半导体光刻一直通过电磁辐射完成,这种电磁辐射差不多可被看成是光。但对于制造商正在酝酿的改变来说,辐射指的又是另一码事了。辐射在这里是指远紫外线(EUV)辐射,但不要让这个名字欺骗了你。不同于如今扫描仪中使用的紫外线,EUV不可以在空气中传播,也不能通过透镜或传统的反射镜聚焦。
EUV的生产过程也很困难。该过程首先通过液锡微滴的速射流发射激光。人们希望扫描仪可采用13.5纳米(不足当今最先进扫描仪所用波长的1/10)的光,这种光可在一个单独步骤中刻印多层,而不用多次曝光,从而节省芯片制造商的资金。
但事实证明,要制造出能够一年365天每天近24小时地在工厂中可靠运行且亮度足够的EUV系统,无异于一个里程碑式的工程挑战。多年来,EUV一直面临重大的质疑,一再辜负人们对其大好时光已至的期待。
不过现在,这一技术似乎真的来到了一个转折点。由荷兰光刻工具制造商ASML控股公司制造的EUV光源亮度似乎已接近商业化生产的标准。ASML公司已成为该技术标准的旗手,目前正在交付EUV扫描仪,据称从2018年开始,该扫描仪将可就绪,用于先进微处理器和内存的大规模制造。世界上最先进的芯片制造商正在努力筹划何时以及如何将这些机器纳入它们的生产线。
风险是高昂的。摩尔定律面临着重大的挑战,没有人知道半导体产业未来5~10年的走向,也没有人知道后摩尔定律时代的半导体行业形势如何。2015年,半导体产业总收入3300多亿美元。收入下降是不可避免的事情。但如果能努力使摩尔定律继续生效,比方说,避免行业收入下降15%,那么就能够让该行业维持相当于美国视频游戏产业总收入2倍的资金流总量。
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光刻系统的精细度取决于好几个因素。但做出重大改进的有效方法就是缩短其所采用的光波长。这正是几十年来光刻技师们一直在做的事情,即将晶圆曝光工具所用的光,由人眼可见的蓝光转变为波长较短的紫外波段。
在20世纪80年代末,半导体行业开始将光源由汞灯改成激光,在这一过程中将波长从365纳米降低到248纳米。但当时已有一些研究人员在考虑更大的跨越,即降低到X射线的波长范围。后来日本电报电话公共公司(NTT)的木下广尾(Hiroo Kinoshita)在报告中称,有关这个想法的早期工作成果可追溯到1986年,那时采用的是11纳米的辐射。其他在AT&T贝尔实验室和劳伦斯•利弗莫尔国家实验室的人员也独立研究了这项技术。1989年,其中的一些研究人员在一次光刻技术会议上会面并交换了报告成果。在随后的几年中,对这一概念进行的研究得到了来自政府和行业的资助。
ASML公司和几个合作伙伴于20世纪90年代后期开始研究我们如今所说的EUV光刻技术。当时安东•凡•迪西多克(Anton van Dijsseldonk)刚刚成为这家公司第一位从事该项目的全职员工。凡•迪西多克出生在费尔德霍芬,那是座荷兰小城,ASML公司总部就坐落于此。他回忆说:“人们那时就预测摩尔定律要终结了。”半导体行业正在寻找方法来提高精细度。芯片制造商也在努力提高套刻技术,这项技术能保证在完成一系列工艺后,把晶圆精确地送回扫描仪内原来的位置,以便刻录另一组图形。凡•迪西多克说:“那时大家都在寻找替代方法,可并没有把EUV考虑在内。”
但从一开始,ASML的EUV研究人员就确信他们能让这项技术生效,而且这将是芯片制造商最经济的选择。还不到10年,该公司已决定建立示范扫描仪,供其他研究人员来测试这个方法。
这种事情不是那么容易的。工程师希望通过本质上是X射线的辐射来刻录图案,但物理学上的支持不多。该公司最终选择了波长为13.5纳米的光,这种光很容易被许多材料吸收。凡•迪西多克在笔记中写道,即便我们呼吸的空气“也是浓黑色的”,能吸收每一点辐射。所以他和他的同事们很早就意识到,EUV扫描仪唯一的工作环境便是真空,每个晶圆通过空气闸进出扫描仪。
然后就是改变辐射方向的问题。玻璃也吸收EUV,要想引导辐射穿过机器,就需要将透镜改为反射镜。并不是什么样的反射镜都可以的。简单的抛光表面没有足够的反射能力,所以不得不使用布拉格反射镜,这种多层反射镜可以有效地将许多弱反射合成单一的强反射。
现在,ASML公司在EUV机器中使用的反射镜由40对只有几纳米厚的硅和钼交替层组成。这些由蔡司公司生产的反射镜的非球面精度极高。但在一天晚上,凡•迪西多克说:“如果你做到了极致,反射镜的反射率将能达到70%。”那个水平的反射率意味着,光照射到系统中的每对镜子后,都会被削减为原来的一半。一台扫描仪动辄要用十几面反射镜把光从光源反射到掩模板——而掩模板本身也是反射镜——然后才能到达晶圆。EUV经过一路曲折后,大概只能剩下不足2%的光线。
晶圆接收到的光越少,其在扫描仪中曝光的时间越长。对于一个晶圆制造厂而言,时间就是金钱。如果要将EUV用于商业用途,则需要其成本能够与现有光刻方法竞争。因此,反射造成的光损失必须由极其明亮的辐射源来补偿。这对于工程师来说真的很难很难。
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在早期,EUV研究人员使用一切他们能想到的东西来产生X射线,包括激光和粒子加速器。但最终采用的是能获得足够亮度的经济实用的方式,即等离子体。如果用足够强大的激光或电能冲击合适的材料,就可以分离那些依附在原子上的电子。在超热的液滴冷却至受到冲击之前的状态的过程中,产生的等离子体会辐射EUV。
对于这种基于等离子体的光源,其一再重复的目标是让中间焦点位置的功率达到250瓦,EUV光会在这个位置离开光源进入扫描仪。机器可以通过这种程度的光每小时生产大约125个晶圆,这个批量生产目标,约是当今193纳米机器生产速度的一半。
但多年来进展十分缓慢,亮度的提高也一直没有达到预想的目标。到2011年,也就是ASML为两个客户交付首款测试扫描仪约5年后,总部位于圣地亚哥的光源开发领导者Cymer成功开发出一种能够持续提供11瓦功率的光源。ASML公司负责EUV产品营销的汉斯•梅林(Hans Meiling)承认:“我们可能低估了这项工作的难度。”最后,为了加快发展,ASML出价收购Cymer,于2013年以31亿欧元正式完成收购。
为了制造EUV所需的光,Cymer公司采用了一种被称为激光产生等离子体的方法。利用该方法,在真空室以每秒5万滴的速度发射高纯度液态锡的微小液滴,一组激光功率放大器(最初用于金属切割)发射出强大的二氧化碳-激光脉冲轰击每一个液滴,使液滴被加热成为可发出EUV的等离子体。反射镜将这个过程中产生的光反射到扫描仪里。因为这种方法不只产生EUV光,还会产生锡屑,所以利用氢气不断流经收集器反射镜,防止其被锡快速覆盖。
ASML公司的阿尔波特•皮哈蒂(Alberto Pirati)承认:“第一次听到这个想法时,我认为很疯狂。”他于2013年初加入公司EUV光源项目。但慢慢地,这个团队完成了这个看似不可能的任务。其中一个最大的突破就是引进原Cymer团队在被收购前开始探索的一项技术。他们发现,如果在主激光之前发射一个“前置脉冲”,就可以把每个液锡微滴压成薄饼,扩展出更多可供主激光进行轰击的表面积,增加液锡微滴转化为等离子体的数量。这一做法将激光到EUV的转换效率从原来的不足1%提高到如今的5%。2016年年初,ASML的报告显示,得益于前置脉冲以及其他优化,实验室内的光源功率已经达到200瓦。另一家光源开发商Gigaphoton也报告称自己取得了很大进步。期待已久的250瓦的生产目标似乎不再遥远。但对EUV能否投入生产的真正检验,将在于其在ASML芯片制造客户的实验室、车间以及财务报表中表现如何。
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毋庸置疑,EUV机器可以拥有优良特性。如果参加半导体会议,你可能会见到将采用EUV制作的轮廓清晰的图案与采用现在常规方法制作的模糊图案放在一起的对比。
现在的问题是,EUV将在主要商业芯片批量生产中发挥什么作用,以及何时发挥作用。当然,采用EUV的成本似乎让人望而却步。ASML公司的发言人尼科拉斯•米卡(Niclas Mika)说,ASML最新EUV机器的报价超过1亿欧元,这是193纳米扫描仪平均价格的两倍还多。其高度和宽度大约和纽约公交车差不多,需要好几架747飞机运输。客户估计其电力负荷将达1.5兆瓦,明显高于193纳米机器。
但规格的简单对比不能概括全部的制造成本。目前最先进的193纳米光刻系统可制造出比所用光波长小很多的芯片尺寸功能。这一壮举要归功于两项重大突破。第一是浸没式光刻技术,在硅晶圆和投射图形的光学设备之间加入水。第二是多重曝光,把一次曝光成型的过程分为两个或更多步骤。例如,要想留出一组排列紧密的孔,晶圆可以通过扫描仪先成型这些孔的一半,然后稍稍偏移后再运行一次,成型另一半。由于晶圆的定位可以非常精确,多重曝光技术能让工程师生产出比单次曝光排列更紧密的图案。原则上,步骤越多,功能越精细。但增加步骤会使芯片价格更昂贵、工艺更复杂。
现在,格罗方德公司采用三重曝光技术生产14纳米的芯片,这是目前Fab8工厂生产的最先进的芯片。这意味着,对于某些重要的层,一个芯片需要额外两次通过扫描仪以及合成这一层所需的其他工具。格罗方德公司的乔治•贡巴(George Gomba)说,公司预计将采用四重曝光技术生产下一代7纳米芯片。他正与IBM的同僚进行合作,牵头完成对奥尔巴尼州立大学理工学院设备的技术评价任务。
现在,格罗方德公司计划于2018年推出不采用EUV技术的7纳米芯片,但公司对最终决策持保留态度,如果条件就绪,就应用这项技术。贡巴和他的同事们所面临的关键问题是,EUV技术的成本何时能够与多重曝光持平。这是个非常棘手的问题,因为它取决于许多未知因素,包括EUV的光源亮度将达到何种层次,以及整个EUV光刻系统的正常运行时间,即实际可用时间的百分比。
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并不只有格罗方德公司和IBM把钱投入到EUV技术上。2012年,英特尔、三星和台积电(TSMC)投资13.8亿欧元资金帮助ASML研发下一代光刻技术(同时ASML公司也占有38.5亿欧元无投票权的股份)。ASML的梅林估计有约4000名工作人员在从事公司EUV技术的研发,这一数字不包括在主要芯片制造商和研究机构自身从事EUV项目的研究人员。
这些投资的原因不仅在于EUV难攻克,还在于芯片制造商一致认同这个观点:如果没有EUV,公司很快就不能继续发展了。如果你问TSMC EUV光刻技术发展的负责人安东尼•严(Anthony Yen),EUV对摩尔定律有多么关键,他不会绕圈子,而是会直接回答:“绝对关键。100%关键。非常非常关键。”TSMC预计在2020年采用EUV,到那时公司的目标将是着手建立5纳米芯片的生产线。
但现在,仍然存在一些工程难题。严最关心的是如何保护掩模板。掩模板的表面呈模板状,并带有需在晶圆上刻录的图案。正如EUV扫描仪的光学元件具有反射性,掩模板也具有反射效果。在这里,令人讨厌的反射问题再次成为一个难题。
在193纳米浸没式光刻机中,掩模板受到一层薄膜保护,薄膜浮起一小段距离,像一块塑料包装一样覆盖在掩模板上。在目前的特征尺寸中,小到无法用肉眼看到的灰尘也足以遮盖数百个晶体管。由于光学特性,哪怕有一丝丝尘埃落在薄膜上,也会因为失焦而无法在晶圆上打印出清晰明了的图案。
但根据设计,13.5纳米的光不能通过193纳米的薄膜;EUV会覆盖在薄膜上。ASML计划研发没有薄膜的扫描仪,但芯片制造商对其潜在不利影响感到不适。严解释说:“如果灰尘微粒落到掩模板上,晶圆上每个单晶粒都会受到损坏。基本上,你将颗粒无收。”几个月的工作(根据晶圆数量不同会有所不同),以及价值几万甚至几十万美元的芯片都将作废。
ASML一直在研究如何使薄膜可以承受EUV辐射的猛烈攻击。薄膜必须尽可能透明,这样在到达晶圆之前不会损失额外的光。要解决这一问题,困难会成倍增加:因为EUV掩模板具有反射性而不具有透射性,光必须经过薄膜两次——进入一次,出去一次。
EUV还面临其他的挑战,潜在用户想先得到解决方案,然后才会认可这项技术。首先是制造无瑕疵掩模板的能力,以及确认掩模板无瑕疵的有效方法。另一个就是光刻胶问题,即涂布在晶圆上的感光涂层,其用以获得掩模板上的图案。
现在的抗蚀剂在化学上被称为增强抗蚀剂,其由分子聚合链组成,以提高射入光子的效果。EUV抗蚀剂新兴公司Inpria的首席执行官安德鲁•格伦维尔(Andrew Grenville)解释说,这些材料都无法有效地吸收EUV光。更重要的是,如果光触发的扩增反应沿着材料扩散,刻蚀的图像往往会产生轻微的模糊。格伦维尔说,为了使功能更精细,“就真的需要更小、抗蚀性更强的材料”。Inpria公司正在研究如何用更小的锡氧化物制成抗蚀剂,旨在能容易地吸收5倍的EUV,产出没有扩增的图形。
这一切能否及时就绪,避免摩尔定律的消亡?如果能,是暂时的还是永久的?光刻技术专家克里斯•麦克(Chris Mack)怀疑芯片制造商到2018年依然无法解决所有问题。开发新一代芯片是多年前提出的计划。他说,如果承诺在短短的几年时间就采用EUV,那么“这太冒险了”。
作为EUV怀疑论者,麦克反对这项技术,并且曾经用莲花爱丽斯跑车作为赌注,不过他也承认还有“一线希望”。芯片制造商都在努力维持小型化的发展趋势,并把成本保持在可控范围内;芯片换代时间似乎越来越长,并且芯片尺寸减小也不再那么显著。这些都给了EUV机会,他说:“这种可能性会让摩尔定律慢下来,给EUV足够的时间赶上去。”
“足够的时间”,是指在成本使摩尔定律陷入停滞之前。麦克说,EUV可能在某一时间点被人们采用,并且可以降低制造成本。他说,但就这一点来说,下一代芯片的整体成本可能会过高,可获取的利润不足以吸引芯片制造商去追逐。麦克说,老一代芯片制造方式还将存在较长时间,“我认为我们将看到市场分化,众多公司会去做不同的事情”。
和过去一样,摩尔定律的命运不只维系在刻印功能的精确性上,还取决于物理学家和工程师对晶体管和电路的改造程度。哪怕是锡等离子速射流也无法发出精确的光线来判定这世上最伟大的技术连胜将在何时终结。不过它依然可能照亮前方的道路。

*免责声明:本文由作者原创。文章内容系作者个人观点,半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点,不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持,如果有任何异议,欢迎联系半导体行业观察。


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