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EUV光刻:即将迈入量产时代

发布时间: 2018-03-10 10:42:12   作者:本站编辑   来源: 本站原创   浏览次数:

  最新一代光刻设备已确定将在明年投入生产线,但EUV光刻技术的未来全面布局仍有问题亟待解决。 

  

  图4 ASML公司的EUV光刻机在产能上的提升趋势

  在SPIE先进光刻大会上全场报告的主讲人表示,极紫外光刻技术(EUV)即将跨入全产量产时代,并投入到下一代半导体芯片的生产中——但同时也表示,在接下来的十年中,该技术的全面影响力如何仍是未知数。 

  来自关键设备生产商ASML公司、芯片代工厂GlobalFoundries以及其它一些厂商的众多专家们纷纷表示,在近三十年的持续研发后——花费了超过几十亿美元——EUV光刻的产能及性能开始达到了进行初步大规模生产(HVM)所需的要求。 

  回顾在过去30年间的关键技术研发,从1996年第一个使用EUV光刻技术生产的晶体管诞生,到ASML公司最新出品的“NXE:3400B”型光刻机,GlobalFoundries的技术研发副总裁George Gomba告诉与会代表,EUV光刻技术已完成在“7 nm(芯片制造)节点上的布局”,并且将指引未来更小节点的技术创新和下一代微处理器的设计方向——而前提条件是,与光刻产能、掩模技术和统计学上的随机效应等相关的一系列技术挑战被成功克服。 

  “三十年来人们一直在为之努力,并做出了很多坚苦卓绝的工作,”Gomba在为这项举办于San Jose的大会所准备的演示文稿中谈到,“但依然有更多的工作在等待着研究人员。” 

  在另一个主题演讲中,ASML的EUV产品管理总监Roderik van Es表示,他“非常有信心”该公司正在采取正确的举措,以确保该技术在2019年可用于大规模生产——这一年被视为关键的一年,因为台积电、三星和其它一些厂商的EUV系统将于这一年正式启动。 

  van Es补充道,就在前不久,ASML公司配备最新激光光源的EUV光刻机在工厂中达到了史无前例的140片/小时的产能水平。 

  ASML的产能路线图

  最新的进展,即从一年前的每小时104片的产能水平提高至2017年末每小时126片的水平,要归功于全新的高功率CO2激光系统的设计,该系统利用激光照射一系列锡液滴的方法而在光刻机光源腔中生成EUV光线。 

  “我们完成了对CO2激光系统的一项重要的重新设计,以支持250W的EUV光源水平,”van ES说。他补充道,该光源的最终工业级版本在2017年底完成,在此前的一年时间内,研究人员对原型机进行了持续改进,内容包括将光源体积减小了20倍,从而可以适用于商用的EUV光刻设备组件的布局,并使得光源的在线升级成为可能。 

  “我们对于这款光源十分满意,”他补充说,并展示了数据,以表明该款250W级光源实现了75小时的稳定运行——足以应对50万片晶圆的曝光量需求,且99.995%的曝光满足所需的EUV“曝光剂量”参数。 

  van Es和ASML的研发团队正朝着300W光源功率的目标迈进,一部分原因是为了确保在有、无掩模薄膜的情况下都能满足125片/小时的产能水平,这类薄膜部件被用于防止小型粒子团对晶片造成缺陷,但同时也会衰减部分EUV的光源功率。 

  对于产能是如何从IMEC在2006年使用的EUV原型机仅有的0.05片/小时的水平,提升到2014年早期ASML公司“NXE:3350B”型光刻机的9片/小时,再到目前最新演示的140片/小时的水平,van Es总结道: 

  “我们取得了稳固的进步,我们很高兴走对了研究的方向,并且很乐意尽快将这一切带给我们的用户。” 

  他补充说,我们的合作伙伴们在套刻、对焦、均匀性和其它一些高功率光源的关键指标上取得了“极好的”EUV光刻性能成绩,因此,我们已经在通往大规模量产(HVM)道路上的各项关键领域取得了长足的进步。 

  

  图5 60亿美元EUV工厂:三星动工开建

  三星的60亿美元EUV生产线

  上周来自三星的公告也给这项雄心壮志增添了一臂之力,作为ASML核心客户的一员,三星的一条全新EUV生产线已经在韩国汉城破土动工,基础建设正在进行之中。 

  “新工厂预计在2019年的下半年竣工,并在2020年投产运行,”三星宣布。“先期的投资总额将在2020年达到60亿美元,进一步的投资金额将根据市场环境而定。” 

  三星已经确定采用EUV光刻技术来制造7 nm节点“LPP”低功率芯片处理器中的特定层,而当芯片制造进入5 nm节点时,需要更精细的特征尺寸,“断边”技术将扮演更加重要的角色。 

  但即使EUV的应用前景——与更为传统的193 nm准分子激光深紫外光刻(DUV)相结合——应用在7 nm和5 nm节点的工艺中,看起来十分明朗,仍存在工艺设计上的一系列问题等待解决,正如三星公告中“市场情况”等字眼所表达的一样。 

  在SPIE先进光刻大会的全会主题演讲上,来自Intel的退休员工Yan Borodovsky表示,目前问题已经不再是“是否”或“何时”EUV技术能够投入使用,而是这项技术将会表现得“有多好”的问题。 

  对于花购买一架全新的波音737的价钱向ASML去订购一台光刻机的芯片制造商而言,该技术的可用性,即部署至越来越复杂的制造步骤和流程中去的难易程度,将直接决定未来在一片晶圆上刻写每一个“像素”的开销——并决定摩尔定律能否延续下去。 

  Borodovsky指出,所谓的“EUV投产”压力已经从光刻工具研发人员转移到了逻辑电路、内存芯片生产商上,他同时也表示,除了光刻胶和掩模薄膜上的技术挑战,还会有一些隐形的困难需要面对。 

  NA光学系统的EUV光刻设备

  全会发言人Stephen Hsu来自ASML旗下子公司睿初(Brion)的计算光刻研发组,提供了一些关于EUV光刻技术如何改进的建议,以应对将来的技术节点和工艺流程。 

  这些建议的技术路线为“分辨率提升技术”(RETs),基于DUV光刻技术,包括浸没式、多重曝光等一系列在EUV光刻面世前就已经成型的技术。 

  其它的选择包括通过波前调制以获得更好的相位,以及——在长期范围内——与ASML的核心合作伙伴蔡司(Zeiss)联合开展高数值孔径(高NA)反射物镜的研发工作。 

  高NA的EUV投影物镜的一个主要挑战在于,目前的镜组设计只适用于较小范围的入射光线夹角——在开发中采用“中心遮拦”的设计来克服该问题。 

  但Hsu依然表现出足够的信心,认为光学设计的创新将为EUV技术的改进提供持续源源不断且日益增长的动力,并告诉与会代表:“配合分辨率提升技术,高NA的EUV光刻将使单次曝光的亚5 nm节点推进成为可能。” 

  他的同事Roderik van Es所展示的一张ASML的产品路线图显示,高NA系统预计会在2023年末或2024年初问世,彼时的产能水平将期望达到185片/小时。那将是在该公司“NXE:3400C”型光刻机问世后,亦即离目前约两年时间。 

  产能的提升是否足以支持EUV技术与有着多重曝光技术支撑的DUV相竞争尚存争议,但Hsu和van Es都对EUV技术的短期未来前景发出了乐观的声音。 

  “EUV技术将我们重新带回了‘单像素成本’的工艺细化路线图上,”van Es说道,而Hsu补充说:“今年,EUV技术正朝着大规模生产全速迈进。让我们一起实现这一节点的推进,越快越好,越顺利越好。” 

  常哲编译自:http://optics.org/news/9/2/40 

    

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