給芯片“續(xù)命”的一臺(tái)機(jī)器 讓高數(shù)值孔徑EUV發(fā)揮作用

在過(guò)去的半個(gè)世紀(jì)中，我們開(kāi)始將摩爾定律（即給定硅面積中的晶體管數(shù)量大約每?jī)赡攴环苿?dòng)計(jì)算向前發(fā)展）視為剛剛發(fā)生的事情，就好像它是自然發(fā)生的一樣。

一個(gè)自然的、不可避免的過(guò)程，類(lèi)似于進(jìn)化或衰老。當(dāng)然，現(xiàn)實(shí)卻大不相同。跟上摩爾定律的步伐需要花費(fèi)幾乎難以想象的時(shí)間、精力和人類(lèi)的聰明才智——跨越多個(gè)大陸的數(shù)千人以及地球上一些最復(fù)雜的機(jī)器的無(wú)盡土地。

也許這些機(jī)器中最重要的是執(zhí)行是極紫外（EUV）光刻。EUV 光刻是數(shù)十年研發(fā)的產(chǎn)物，現(xiàn)已成為過(guò)去兩代尖端芯片背后的驅(qū)動(dòng)技術(shù)，在過(guò)去三年中用于每一款高端智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦和服務(wù)器。

然而摩爾定律必須繼續(xù)前進(jìn)，芯片制造商繼續(xù)推進(jìn)他們的路線(xiàn)圖，這意味著他們需要進(jìn)一步縮小設(shè)備的幾何尺寸。

因此，在 ASML，我（指代本文作者JAN VAN SCHOOT，下同）和我的同事正在開(kāi)發(fā)下一代光刻技術(shù)。它被稱(chēng)為高數(shù)值孔徑 EUV 光刻，涉及對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部光學(xué)器件的重大檢修。

高數(shù)值孔徑 EUV 將于 2025 年投入商業(yè)使用，芯片制造商將依靠其能力在本十年末保持其承諾的進(jìn)步。

光刻的3個(gè)因素

摩爾定律依賴(lài)于提高光刻分辨率，以便芯片制造商可以鋪設(shè)越來(lái)越精細(xì)的電路。在過(guò)去 35 年里，工程師們通過(guò)綜合研究以下三個(gè)因素，將分辨率降低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)：光的波長(zhǎng)；k 1，封裝過(guò)程相關(guān)因素的系數(shù)；數(shù)值孔徑 (NA)，衡量系統(tǒng)發(fā)光角度范圍的指標(biāo)。

臨界尺寸（即使用某種光刻曝光工具可以打印的最小特征尺寸）與光的波長(zhǎng)除以光學(xué)器件的數(shù)值孔徑成正比。因此，您可以通過(guò)使用較短的光波長(zhǎng)或較大的數(shù)值孔徑或兩者的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)更小的臨界尺寸。例如，通過(guò)改進(jìn)制造過(guò)程控制，可以將k 1值推至盡可能接近其物理下限0.25。

一般來(lái)說(shuō)，提高分辨率的最經(jīng)濟(jì)的方法是增加數(shù)值孔徑并改進(jìn)工具和工藝控制以實(shí)現(xiàn)更小的 k 1。只有當(dāng)芯片制造商沒(méi)有辦法進(jìn)一步提高 NA 和 k 1時(shí)，他們才會(huì)采取減小光源波長(zhǎng)的方法。

然而，業(yè)界不得不多次改變波長(zhǎng)。波長(zhǎng)的歷史進(jìn)程從使用汞燈產(chǎn)生的 365 納米，到 20 世紀(jì) 90 年代末通過(guò)氟化氪激光器產(chǎn)生的 248 納米，然后在 20 世紀(jì) 90 年代初期，通過(guò)氟化氬激光器產(chǎn)生的 193 納米。對(duì)于每一代波長(zhǎng)，光刻系統(tǒng)的數(shù)值孔徑都在逐漸增加，然后工業(yè)界才轉(zhuǎn)向更短的波長(zhǎng)。

例如，隨著 193 nm 的使用即將結(jié)束，引入了一種增加 NA 的新方法：浸沒(méi)式光刻。通過(guò)在透鏡底部和晶圓之間放置水，NA 可以從 0.93 顯著增大到 1.35。自 2006 年左右推出以來(lái)，193 納米浸沒(méi)式光刻技術(shù)一直是尖端光刻技術(shù)的行業(yè)主力。

在過(guò)去四十年中，光刻技術(shù)的分辨率提高了約 10,000 倍。這在一定程度上是由于使用了越來(lái)越小的光波長(zhǎng)，但它也需要更大的數(shù)值孔徑和改進(jìn)的處理技術(shù)。

EUV 的黎明

但隨著打印小于 30 nm 的特征的需求增加，并且由于 193 nm 光刻的 NA 已達(dá)到極限，遵循摩爾定律變得越來(lái)越復(fù)雜。要?jiǎng)?chuàng)建小于 30 nm 的特征，需要使用多個(gè)圖案來(lái)生產(chǎn)單層芯片特征（這在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上都是一項(xiàng)繁瑣的技術(shù)），或者需要改變波長(zhǎng)。我們花了 20 多年的時(shí)間和無(wú)與倫比的開(kāi)發(fā)努力才將下一個(gè)新波長(zhǎng)上線(xiàn)：13.5 納米 EUV。

EUV 需要一種全新的發(fā)光方式。這是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，需要使用強(qiáng)大的CO 2激光撞擊飛行中的熔融錫滴，然后將錫蒸發(fā)成等離子體，發(fā)射出光子能量光譜。EUV 光學(xué)器件從該光譜中獲取所需的 13.5 nm 波長(zhǎng)，并將其引導(dǎo)通過(guò)一系列鏡子，然后從圖案掩模反射，將該圖案投影到晶圓上。所有這些都必須在超凈真空中完成，因?yàn)?13.5 nm 波長(zhǎng)會(huì)被空氣吸收。（在前幾代光刻技術(shù)中，光線(xiàn)通過(guò)掩模將圖案投射到晶圓上。但 EUV 很容易被吸收，因此掩模和其他光學(xué)器件必須是反射性的。）

在真空室中，EUV 光 [紫色] 在從光掩模 [頂部中心] 反射之前經(jīng)過(guò)多個(gè)鏡子反射。從那里，光繼續(xù)它的旅程，直到它被投射到帶有光掩模圖案的晶圓上[底部中心]。插圖顯示了當(dāng)今數(shù)值孔徑為 0.33 的商業(yè)系統(tǒng)。NA 為 0.55 的未來(lái)系統(tǒng)中的光學(xué)器件將會(huì)有所不同。

從 193 納米光轉(zhuǎn)向 EUV 在一定程度上降低了臨界尺寸。一種稱(chēng)為“制造設(shè)計(jì)”的過(guò)程，涉及設(shè)置電路塊的設(shè)計(jì)規(guī)則以利用光刻的限制，在降低 k 1方面發(fā)揮了很大作用 ?，F(xiàn)在是時(shí)候再次提高數(shù)值孔徑了，從現(xiàn)在的 0.33 提高到 0.55。

讓高數(shù)值孔徑 EUV 發(fā)揮作用

將 NA 從今天的 0.33 增加到目標(biāo)值 0.55 不可避免地需要進(jìn)行一系列其他調(diào)整。EUV 光刻等投影系統(tǒng)在晶圓和掩模處都有 NA。當(dāng)您增加晶圓上的 NA 時(shí)，也會(huì)增加掩模上的 NA。因此，在掩模處，入射和出射的光錐變得更大，并且必須彼此成一定角度以避免重疊。重疊的光錐會(huì)產(chǎn)生不對(duì)稱(chēng)的衍射圖案，從而導(dǎo)致令人不快的成像效果。

但這個(gè)角度是有限制的。由于 EUV 光刻所需的反射掩模實(shí)際上是由多層材料制成的，因此無(wú)法確保在特定反射角度以上獲得適當(dāng)?shù)姆瓷?。EUV掩模的最大反射角為11度。還有其他挑戰(zhàn)，但反射角度是最大的。

如果 EUV 光以太陡的角度照射光掩模，它將無(wú)法正確反射

當(dāng)今 EUV 中掩模處的反射角已達(dá)到極限 [左] 增加 EUV 的數(shù)值孔徑將導(dǎo)致反射角過(guò)寬 [中]。因此，高數(shù)值孔徑 EUV 使用變形光學(xué)器件，該光學(xué)器件允許角度僅在一個(gè)方向上增加 [右]。以這種方式成像的場(chǎng)是一半大小，因此掩模上的圖案必須在一個(gè)方向上扭曲，但這足以維持通過(guò)機(jī)器的吞吐量。

克服這一挑戰(zhàn)的唯一方法是提高稱(chēng)為縮小的質(zhì)量（The only way to overcome this challenge is to increase a quality called demagnification）?？s小就像它聽(tīng)起來(lái)的那樣——從掩模上獲取反射圖案并將其縮小。為了補(bǔ)償反射角問(wèn)題，我和我的同事必須將縮小倍率加倍至 8 倍。因此，晶圓上掩模的成像部分將小得多。這種較小的像場(chǎng)意味著需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能產(chǎn)生完整的芯片圖案。事實(shí)上，這一要求會(huì)將我們的高數(shù)值孔徑掃描儀的吞吐量降低到每小時(shí) 100 個(gè)晶圓以下，這一生產(chǎn)率水平將使芯片制造變得不經(jīng)濟(jì)。

值得慶幸的是，我們發(fā)現(xiàn)只需要在一個(gè)方向上增加縮小倍數(shù)（demagnification），即發(fā)生最大反射角的方向。另一個(gè)方向的縮小率可以保持不變。這使得晶圓上的場(chǎng)尺寸可接受，約為當(dāng)今 EUV 系統(tǒng)中使用的尺寸的一半，即 26 x 16.5 毫米，而不是 26 x 33 毫米。這種方向相關(guān)的或變形的縮小構(gòu)成了我們高數(shù)值孔徑系統(tǒng)的基礎(chǔ)。光學(xué)器件制造商卡爾蔡司付出了巨大的努力來(lái)設(shè)計(jì)和制造符合我們新機(jī)器所需規(guī)格的變形鏡頭。

為了確保半尺寸場(chǎng)具有相同的生產(chǎn)率水平，我們必須重新開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的掩模版和晶圓臺(tái)（分別固定掩模和晶圓的平臺(tái)），并在掃描過(guò)程中使它們彼此同步移動(dòng)。重新設(shè)計(jì)產(chǎn)生了納米級(jí)精度的平臺(tái)，加速度提高了四倍。

高數(shù)值孔徑 EUV 將于 2025 年投產(chǎn)

第一個(gè)高數(shù)值孔徑 EUV 系統(tǒng) ASML EXE:5000 將安裝在我們與比利時(shí)納米電子研究機(jī)構(gòu) Imec 于 2024 年初聯(lián)合開(kāi)設(shè)的新實(shí)驗(yàn)室中。該實(shí)驗(yàn)室將允許客戶(hù)、掩模制造商、光刻膠供應(yīng)商和其他公司開(kāi)發(fā)使高數(shù)值孔徑 EUV 成為現(xiàn)實(shí)所需的基礎(chǔ)設(shè)施。

我們必須使其成為現(xiàn)實(shí)，因?yàn)楦邤?shù)值孔徑 EUV 是維持摩爾定律的關(guān)鍵組成部分。不過(guò)，達(dá)到 0.55 NA 并不是最后一步。從那時(shí)起，ASML、蔡司和整個(gè)半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)將以我們難以想象的方式進(jìn)一步向更好、更快和創(chuàng)新的技術(shù)延伸。

審核編輯：劉清