EUV光刻究竟難在哪裡？看完本文你就明白了

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n n 這些年來，一個承擔起縮小晶體管尺寸，延續摩爾定律的設備——EUV光刻讓行業都頭疼，在行業巨頭投入了數量龐大的基金和資源研發數年之後，依然是沒見到大規模投入使用，顯而易見的問題，業界在EUV光刻這裡碰到問題了。n n

n n 但看起來EUV光刻離第一次大規模應用腳步更近了。Intel和三星已經把EUV光刻寫進了他們的Roadmap，分別是在2018和2019年。除此之外，三星也希望把EUV應用大1Xnm級別的DRAM上。n n

n n 但並不是每一個晶元製造商都把希望寄托在EUV光刻上，TSMC表示在7nm的時候會依賴於193nm沉浸式光刻和多重pattern，去到5nm的時候才會寄望於EUV。GlobalFoundries也有同樣的規劃。n n

n n 當然，這些Roadmap並不是一成不變的，是可以根據實際情況做修改了。尤其是過去一兩年，EUV已經讓人失望了很多次。現在EUV離真正投產似乎還有一段時間，業界也有一些人開始對其有所懷疑了。n n

n n 無論如何，晶元製造商基本上一致認同，到7nm和5nm的時候，半導體對EUV的需求是很迫切的。n n

n n 「從現在的狀況看來，業界似乎都在做好兩手準備，預防EUV最終流產，並在先進位程上依賴於沉浸式光刻」。三星半導體晶圓業務高級VP HongHao表示。n n

n n 在過去幾年，晶元製造商還可以依靠於沉浸式和多重pattern將工藝製程從16nm/14nm推到10nm甚至7nm，但是到了7nm之後，這些技術就不能保證工藝可以向前推進了。從技術上來看，我們可以使用一種叫做八倍pattern的技術去延伸傳統光刻，但這種方式具有不確定性，同時有點得不償失。n n

n n 「但一切皆有可能」，光刻專家Chris Mack表示。如果價格在某一個能接受的範圍，沒有什麼是不可能的，他補充說。n n

n n 這是一個有爭議性的話題。n n

n n 但有一點需要肯定的是，沒有EUV光刻，晶元不能按照摩爾定律那樣約定俗成去降低尺寸，甚至會逐漸停止縮小尺寸，到時摩爾定律就真正失效了。n n

n n EUVn n n n 碰到的問題n n

n n 事實證明，EUV比想像中難控制。縱觀整個IC產業的發展，EUV光刻算得上是迄今為止碰到最難解決的問題。n n

n n EUV的電源將等離子體轉換成13.5nm波長的光線，然後經過鏡子的幾重反射之後，再打落到晶圓上。現在的EUV可以在晶圓上「列印」一些小功能，但現在EUV碰到的主要問題是電源。現在的電源並不能產生足夠的功率讓EUV大幅度提高效率，且不能滿足經濟可行性。也因為這個重要原因，EUV的面世時間從上一個節點延誤到現在。n n

n n 從eBeam Initiative最近的一個調查中可以看出，事情似乎正在轉變，業界對EUV的信心似乎正在逐漸提升。光刻機的主要供應商ASML似乎也在電源問題上取得了重大進展。光刻膠和光罩似乎也取得了長足進步。n n

n n 但關於EUV的討論依然沒有停止，現在關注的問題轉移到工具價格、運行時間和隨機現象。n n

n n 很多人都在聲稱，EUV將會在2018或者2019年大批量投產。如果真的是這樣，業界肯定會熱烈擁抱這個技術。但我們也要對EUV抱有悲觀態度，畢竟任何事都有可能發生。n n

n n 為什麼要用EUV？n n

n n 關於EUV技術可以溯源到20世紀70年代，那時候業界剛好開發出X光光刻，那是一種依賴於大型同步回旋加速器的技術。但由於X光光刻比較高，最終在上世紀80年代，宣告失敗。n n

n n 然後X光光刻轉變成一種叫做軟性X光，或者稱作EUV的技術。通過使用多層的鏡子，讓這個技術變得更實際。於是從上世紀80年代開始，業界就投入到了EUV光刻的研發，但直到21世紀出，這個技術才取得了業界認可的突破性進展。也就是在那時，晶元製造商表示，傳統光刻將會在65nm或者45nm的時候遇到障礙，由此亟需下一代的光刻技術，去縮小晶體管的規模，延續摩爾定律。n n

n n 多年以後，EUV已經成為下一代光刻技術中的佼佼者，其他的競爭技術，如自組裝技術、電子束直寫和納米列印技術都現實不見了。n n

n n 業界指望下一代光刻技術能給業界帶來新的顛覆，但從目前的狀況看來，似乎還沒準備好。n n

n n 傳統的光刻技術開始逐漸違背物理定律了，但無奈地還得充當Fab的主流技術。現在應用在Fab的先進光刻技術，就只有193nm沉浸式光刻，但也只能在晶圓上列印一下細小的功能部件，並不能大規模應用。n n

n n 按理說，193nm光刻在80nm的時候就會碰到瓶頸。但晶元製造商通過應用解析度增強技術（RETs）,將193nm光刻技術應用在遠低於這個波長的場景。n n

n n 有了RETs，光刻機在28nm的時候只需要一次的光刻曝光就可以實現了。但到了22nm/20nm，單次曝光有時候就不能給臨界層提供足夠的解析度。晶元製造商就通過多重pattern的方式解決問題。這也就是增加了一個簡單的兩步流程。n n

n n 應用材料的VP Uday Mitra表示，現在的pattern也就需要兩個基本的操作。第一步就是line/space；第二步是cut。n n

n n 第一步就是光刻機在設備上刻下很小的線。Mitra還表示，現在的公司都在使用line/space，之後還會繼續使用基於spacer的SADP和SAQP多重pattern技術。n n

n n 這當中的主要的挑戰就是刻這些細線圖案。為了達到目標，晶元製造商只好使用雙重pattern技術。在這個步驟里會需要兩次光刻和刻蝕步驟去確定一個單層。這就是我們聲稱的LELE技術。n n

n n 使用這種雙重pattern技術，可以節省30%的pitch，而三重pattern則需要三次曝光，也就是需要三次刻蝕步驟（LELELE），當然，SADP和SAQP也可以在刻的時候應用上。n n

n n 除此之外，業界在10nm和7nm還會碰到其他問題。在45nm和40nm的時候，設計的時候需要用到40層光罩，而到了14nm和10nm，光罩的需求量則上升到60層。「如果沒有EUV，只是靠沉浸式去實現三倍甚至四倍pattern，那麼我們認為在7nm的時候，光罩數量會上升到80到85層之間」。三星的晶圓製造資深主管Kelvin Low表示。n n

n n 光罩層數的增加，也就代表著成本的水漲船高。同時覆蓋物也將會成為Fab的災難。覆蓋物需要把光罩層有秩序的精確地放置在彼此的身上。而隨著mask的增加，覆蓋層也就會成為噩夢。如果沒對齊，覆蓋層問題就夠你喝一壺了。n n

n n 另外，現在做一層光罩需要1到1.5天，在7nm的時候使用多重pattern，那就需要差不多五個月的時間才能做好晶圓。n n

n n 但不妨礙很多人把EUV當做現代半導體的救星。n n

n n 有了EUV，你就不需要那麼多層，ASML的產品市場主管Applied』s Mitra說。屆時你會把光罩的層數降到60左右，而晶圓的出廠時間也會縮短到一個月。n n

n n 同時我們要明白到，並不是每層光罩都需要EUV，沉浸式/多重pattern在很多場景下都能用得上。n n

n n 雖然已經投入了那麼多去研發，但現在看來EUV還沒準備好。在正式投產之前，EUV還需要獲得更多的信息，去推動發展。EUV也有另外的路徑，但改善率不高，沒有很明顯的優勢，也不能滿足大型晶元製造商的需求，因此EUV需要進一步發展，滿足需求。n n

n n 我們也要明確一點，並不是所有的層都會用到EUV，沉浸式/多重pattern也會在很多功能件上用到。n n

n n 我們也要明白這一點，對於未來的某些功能，只有EUV才能做到，因為其他方案還沒能實現，比EUV更不堪。n n

n n 通過八倍pattern去擴展光刻是很有問題的。這事你會面臨很多問題，最大的挑戰則是cut。n n

n n 在過去的幾年，ASML已經推出過幾個版本的EUV光刻機，但目前來說，這些光刻機都是只能用於研究，ASML也將其光源功率共80瓦提升到123瓦特。而工作效率也提升到60~85wph。n n

n n 業界希望EUV在正式投入使用之前，能夠用上250瓦特的光源。屆時生產效率就提高到125wph。n n

n n 現在EUV工具的可用性是70%到80%，這離業界宣傳的的90%甚至以上的可用性目標還有一段距離。n n

n n 如果ASML真如他們所說，在明年推出其首個量產機器NEX：3400B，那麼會面臨很大的考驗。它的數控直徑是0.33，解析度是13nm，ASML也將其電源功率提升到200瓦特。n n

n n EUVn n n n 工作原理n n

n n 所有的關鍵就是它的「源」，基於激光等離子體的EUV「源」包括幾個部分，當中有二氧化碳laser，通過它給「源」提供能量，在實際使用中會被放置到Fab的地板下面。n n

n n Laser包括了兩部分，一個是seed laser（前脈衝和主脈衝），另一個是功率放大器。現在的EUV「源」使用一個20千瓦的laser。n n

n n 現在EUV的「源」都是被放置到FAB地板下面，而回到EUV掃描器，「源」包括液滴發生器，採集器和一個真空室。EUV的生產步驟是在真空環境中進行的，因為幾乎所有的東西都能夠吸收EUV光。n n

n n 液滴發生器是一個小的容器，在實際的使用過程中，錫被裝載入發生器里，然後被加熱。然後一系列的液態錫會從發生器中流出來，經過一個過濾器，然後進入「源」的真空室。液滴的直徑是25微米，而下降的速率也高達50000次/秒。n n

n n 在容器裡面，有一個攝像頭。液滴經過真空室某個位置的時候，攝像頭會告訴Fab底下的seed laser發一個激光脈衝到真空室裡面。這個就叫做前脈衝。n n

n n 然後就到了最難的一部分。前脈衝激光擊中圓形錫液體，將其變成薄餅型。然後激光單元又會激活，這就是主脈衝。然後主脈衝就會集中薄餅形的錫液滴，並將其氣化。n n

n n ASML的Lercel表示，他們希望在將來，前脈衝和主脈衝能夠擊中錫液滴2次，同時每秒鐘能夠擊50000次。n n

n n 這時候，錫蒸汽就會變成等離子體，然後等離子體會發射13.5nm波長的EUV光線。n n

n n 所以關鍵就是準確地集中錫液滴。因為這決定了有多少激光的能量可以轉變為EUV光線。我們把它叫做轉換效率（CE）。現在，ASML的電源轉換效率大概是5%。「隨著我們改變錫液滴的形狀和提高集中液滴的效率，我們才能比過往拿到更好的表現」。Lercel表示。n n

n n 與此同時，一旦EUV光線生成了，光子就會打到一個叫做採集器的多層鏡子上。光就會再採集器中反彈，然後穿過中間焦點單元，進入掃描器中。n n

n n EUV的原理n n

n n 隨著時間的流逝，飛濺的錫和採集器收集的材料會對轉換效率造成影響，這時候就需要換一個新的採集器，這是一個耗時且昂貴的過程。n n

n n 誠然，ASML正在定位這些問題:n n

n n （1）n n n 更好的液滴發生器n n

n n 液滴發生器可以連續工作1400小時，自去年以來，得到了五倍的提升。未來的目標是提升發生器的可預測性。n n

n n （2）n n n 採集器清潔n n

n n 採集器每三個月就要置換一次。未來的目標是一年換一次。此外，ASML為採集器推出了一種現場清潔系統，但這個系統還在完善當中。n n

n n 採集器是只是EUV保養中的一個問題。n n

n n 由於EUV是工作在真空黃牛的系統，刻蝕和沉積都是在真空完成的，因此你需要抽空環境。然後你打開真空室，去解決一些潛在的問題。而抽空一個EUV 真空管是一個頭疼的問題，因為這也會導致故障。n n

n n 光刻專家Ben Eynon表示，沒有任何人談過這個問題。我覺得我們需要談一下這些採集器的預計上線時間和購置花費等問題。n n

n n （3）n n n 250瓦特「源」n n

n n ASML和n n n Gigaphoton正在努力解決這個問題，但預計到2019年才能克服這個額外難題。n n

n n （4）n n n n n 薄膜n n

n n EUV薄膜是必須的，ASML和合作者正在這些領域進行努力。n n

n n 掃描晶圓n n

n n 上面提到，經過了一系列的路徑以後，EUV光會進入掃描器，在掃描器內，光會走過一段10個平面的複雜組合，或者走過一個多重鏡子組合。n n

n n 首先，光會經過一個可編程發光器。它形成了一個瞳孔形狀，把適當亮讀的光打向了EUV 光罩。n n

n n 然後EUV光會在光罩上「走」過，在投影光刻里，它會反射多達六層的鏡子，然後光會以6%的角度打在晶圓上。n n

n n 準確的反射光線n n

n n 每一個多層鏡子會反射70%的光。基於多樣的計算，EUV掃描器的傳輸率只有4%。n n

n n 在經歷過這一系列的動作以後，晶圓就被加工了。n n

n n 首先，光打在晶圓的光刻膠上。抗蝕劑則是光感材料。將其暴露在光纖之下，就會在平面上形成一個團。n n

n n 現在，EUV抗蝕劑的敏感度為每平方裡面31微焦耳，這比期待目標低了不少。n n

n n 如果我們的抗蝕劑敏感度能夠達到每平方厘米20微焦耳，那麼成本就會和沉浸式的三次pattern的成本差不多。格羅方德的高級Fellow Harry Levinson表示。n n

n n 如果抗蝕劑的敏感度是n n n 30mJ/cm2，在125瓦的電源的下，EUV光刻機的工作效率會達到70wph。但在實際應用中，實際效率只有50%左右，或者說每天只能加工840片晶圓。n n

n n 相同抗蝕劑的情況下，如果電源升到250瓦，那麼效率就可以提到90wph。n n

n n EUV抗蝕劑也會面臨其他問題。n n

n n 在EUV，光子的散射噪音會引起隨機現象、刻線邊緣粗糙度和接觸口粗糙度等困擾，並最終會對產能造成影響。光刻專家Mack表示。n n

n n 半導體刻線邊緣粗糙度（LER）是EUV的一個重要問題。LER是線寬問題的變種。Lam Research 的CTO Dve Hemker表示。n n

n n 我們還會碰到其他的問題。如果我們把這些問題都解決了，我們就可以真正用上EUV。n n

n n EUVn n n n 的實際使用n n

n n 很慶幸，現在的晶元製造商在16nm/14nm和10nm製程的時候還可以使用沉浸式和多重pattern技術。n n

n n 但在7nm的時候，對每個製造商來說都是一個困難的挑戰。n n

n n 三星方面表示，如果在7nm的時候沒有EUV，會帶來很多技術和成本的挑戰。具體來說在晶圓、光罩、設計和開發時間上面，都需要很高的時間和金錢成本。n n

n n 而TSMC為了更快的將產品推向市場，計劃將沉浸式和多層pattern推向7nm，並期望在7nm的時候打敗其競爭對手。n n

n n 這就給晶圓廠帶來了困難的選擇。n n

n n 如果你想學TSMC那樣，那麼你在晶元設計上就多了很多限制。它改變了你設計晶元的方法。n n

n n 如果你選擇EUV，你會開啟一個全新的設計，你需要看到兩三年前技術細節，因為這正是晶元設計的周期。n n

n n 如果EUV真的到來了，那麼晶元製造商會將其應用到哪裡呢？n n

n n 首先，它必須要有經濟意義。n n

n n 我們知道，7nm對EUV的渴求比任何時候都強，但我們只會在其到來之後才用。我們在應用EUV的時候一定要小心，因為我們畢竟要用它去替代三層的193nm光罩。n n

n n 其他人也同意這個觀點。n n

n n 在7nm的時候，我們或多或少會接觸到EUV。我們或許會在fin、柵極切割和Mx切割上用到，還可以在過孔的地方使用這個技術。n n

n n 所以說EUV並不會被應用到所有位置。n n

n n 當然，EUV還會很多困擾，例如EUV用到的是13.5nm技術，而現在晶元製造商提到的是7nm晶元，因此在這個情況下，是否需要兩次的pattern？n n

n n 簡單來說，7nm是市場的選擇。但還需要面臨各種各樣的挑戰。我們何事才能看到呢？n n n n

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