EUV光刻機將走向何方？ASML是這樣看的

來源：本文由公眾號半導體行業觀察（ID：icbank）翻譯自「fuse.wikichip」，作者David Schor，謝謝。

在上周的Semicon West，ASML提供了有關當前EUV系統以及正在開發的0.55high-NA系統的最新信息。

Anthony Yen是ASML的全球技術開發中心副總裁兼負責人。在過去的兩年里，我們必須在各種會議上參加十幾場演講。他總是以同樣的話語開場：「EUV幾乎已經為量產做好了準備。」這次是不同的。

「截至目前，EUV正在量產中。」

ASML本周早些時候召開了財報會議。他們今年又推出了7套NXE:3400B系統，共計11套新設備。這使得該領域的EUV系統總數達到50套，儘管並非所有機台都被認為具備量產能力。ASML預計，第三季度將增加7台新設備，到第四季度將增加12台新設備，到今年年底，設備總數將達到30台。

主要模塊

當提到當前3300/3400系統的主要模塊時，有一些關鍵組件。如液滴發生器（droplet generator），錫液滴就是從這裡產生的。這些液滴被擊中，激發產生EUV等離子光波，並被定向到中間的焦點。

這裡，我們需要特別關注一些影響系統正常運行時間和光源效率的關鍵因素。為了改進這個系統，需要一個高功率CO2激光器，CO2激光器生成的激光將轟擊錫滴激發生成EUV等離子光源。在這樣的工作機制情況下，需要高轉換效率和高收集效率。這是通過橢球體EUV光源採集電鏡完成的。在生成EUV等離子光源時，需要發生兩次激光轟擊，第一次是CO2激光擊中錫液滴使之變形扁平化，第二次是再次轟擊變形的液滴激發生成等離子光波。最後，沒有被擊中的液滴將被液滴收集器收集起來。因此，提高轉換效率和降低光刻膠曝光能量是量產的關鍵。

在實驗室里，Yen報告說ASML已經實現了超過300瓦的光源功率。目前客戶現場安裝的光源功率仍為250w。在250w的功率下，客戶可以達到每小時155片晶圓的最大產量。今年早些時候，英特爾的Britt Turkot在2019年EUVL研討會上證實了這些數字。

阻礙系統可用性與可靠性的組件之一是液滴發生器。據ASML報道，自2014年以來，液滴發生器的連續無故障工作時間從2014年的100小時左右增加到2019年的1000小時以上。自去年以來，他們已經把液滴發生器的壽命提高了30%。值得注意的是，還可以在其他方面進行改進。例如重新注滿錫罐還需要額外的停機時間。稍後您將看到，這將在今年晚些時候得到解決。

另一個需要關注的領域是EUV光源收集器本身。這是一個650毫米直徑的多層梯度反射鏡，旨在最大限度地提高反射率。這裡的關鍵問題是如何保持它儘可能的乾淨，防止它霧化或受到污染。隨著他們目前的客戶安裝了NXE:3400B系統，Yen報告說每千兆脈衝的有效功率衰減率約為0.15%。ASML希望在相同功率(250 W)的情況下將其降低到0.1%/GP以下，所以他們是可以達到這個目標的。

今天，收集器遵循一個相當可預測的壽命，其衰減趨勢大致為線性。一旦收集器被充分衰減，就需要更換它。這本身就是個問題。幾年前，這可能需要長達一周的時間。今天，它僅需要一天多一點的時間。ASML打算在下一代NXE:3400C將這一過程縮短到8小時以內。

所有這些改進都為目前安裝的EUV設備中機況最差的20%的機台提升到70%左右的正常運行時間，而機況最好的20%的機台正常運行時間(up time)接近85%。他們的目標是超過95%的正常運行時間(up time)，這就是今天所有DUV設備所能達到的標準正常運行時間(up time)。

NXE:3400C

今年下半年，ASML將開始推出他們的下一代EUV系統。NXE:3400C是一個進階的平台，旨在進一步解決前面描述的一些缺陷。這個新平台在20毫焦/平方厘米的曝光能量下額定生產率可以達到每小時175片晶圓。在第二季度財報會議上，ASML報告說，該系統在實驗室中，採用與客戶相同的生產條件下運行，以175 WPH(每小時產出率)，達到了每天2000片晶圓的連續曝光產能。

新系統的一個特點是組件模塊化，經過重新設計，更容易維護。Yen說，他們希望這套系統能將收集器的更換時間從一天多一點減少到少於8小時。此外，他們還改變了液滴發生器的灌裝程序。重新充滿氣罐不再需要關閉系統電源，完成後再使系統重新聯機。現在可以通過內聯方式重新填充新系統。總之，結合所有這些變化，他們希望達到95%的正常運行時間目標。

EUV Pellicle

EUV的另一個問題是雜質顆粒物帶來的光罩掩膜版表面缺陷。Yen報道說，當涉及到光罩區域的清潔度時，它們每10,000次曝光接近1個雜質顆粒物。

對於每10000次暴露中甚至不能容忍一個雜質顆粒物的客戶，可以選擇EUV光罩保護薄膜。這是一種超薄透明膜，覆蓋在掩模上，旨在防止雜質顆粒物直接到達掩模。雖然這有助於彌補缺陷，但目前使用薄膜的問題是透光率下降。當一些EUV光被薄膜吸收時，就意味著能量的喪失。這方面的進展極為緩慢。在過去的一年半里，平均透過率只提高了3.5%到83%。業界的目標是超過90-93%的透光率，但目前還不清楚該行業將如何達到這一目標。

High-NA systems

再進一步看，ASML已經開始使用 high-NA高數值孔徑系統。第一套系統預計要到2021年底才能交付使用。high-NA系統比目前的3400系統更大、更重。這台機器使用了一個明顯不同的鏡頭系統，它使用了0.55 NA的形變鏡頭。這些鏡頭的成像解析能力目標為半周期8納米的光刻圖形feature size，新的鏡頭系統在x方向上放大4倍，在y方向上放大8倍。由於這種鏡頭設計是半光場成像的，因而特別增加了幾個額外的工件台stage來增加運動速度。

有一件事不會隨著High-NA 系統而改變，那就是源代碼仍然與3400系統兼容。值得指出的是，在High-NA 系統中，與現在的情況相比，光源的實際入射角實際上會相對應的減小因而更加水平，這將使他們能夠移除一面鏡子。其效果類似於將功率提高30%以上。

增加鏡頭的放大倍率是為了減少陰影效果。然而，水平與垂直方向的4x / 8x ， 1：2放大率的設計將影響電路設計本身。使用標準的6英寸光掩模，在標準0.33 NA機器上，您可獲得水平/垂直方向對稱的4x / 4x光罩，這意味著26mm*33 mm的全光場，最大光罩曝光面積尺寸為858mm2。對於採用形變光學器件的0.55 NA，您在y方向上是8倍成像，因此您的曝光光場就將減半。對於電路設計人員而言，這意味著有效曝光面積將減小為26mm x 16.5 mm ，最大光罩曝光面積尺寸為429mm2。向我們已經習慣的英特爾和英偉達的超大面積晶元說再見。當然，這是眾所周知的，這也是為什麼先進封裝已經成為一個如此重要的話題。順便說一下，現在減半的有效曝光區域，會對單位生產率產生影響。這在一定程度上是通過實現2倍曝光掃描速度來解決因為high NA光刻機系統所帶來的2倍的曝光次數。

正在進行的基礎設施設計-High-NA掩模和光刻膠

目前，與基礎設施相關的主要挑戰仍然存在。用於High-NA的光罩掩膜版基礎設施還沒有出現。下面列出了掩模生產中必須處理的所有工序中的一些主要需求。

一個值得注意的問題前面提到的是光罩掩模的3D效應，這是之前談到的。它需要新型吸收層設計，以減小光罩3D效應。當晶元設計人員完成集成電路設計時，設計圖形從文件傳輸到光罩掩模。這個掩模作為一個主模板，光刻機可以通過光刻機重複曝光成像在一片晶圓片生成多個相同的重複的晶元圖案。通常，這是通過光罩掩模投影成像來完成的。這個過程非常像一個典型的投影儀，除了縮小成像的方式(從一個大的圖像縮小成像得到一個小的圖像)。對於EUV來說，光罩掩模與傳統光罩成像是非常不同的。這裡，EUV掩模實際上是基於鏡像類型的反射式成像。通過使用吸收材料和抗反射塗層(ARC)在掩模上「繪製」不同的電路圖案。吸收材料和抗反射圖層位於掩膜版鏡面頂部，呈三維結構。

在曝光過程中，當光線照射到掩模版上(通常以一個很小的角度，大約6度)，有時這些3D結構的反射會導致陰影效果和像差。

雖然這一問題早已為人所知，但研發主要集中在EUV的其他方面，如主模塊和光源。此外，這種效應在7納米節點上也沒有太大的問題。然而，隨著向5納米和3納米方向發展，掩模3D效果將會更加明顯。

光刻膠的研發與High-NA掩模處於同一情景。還有很多事情要做。

用於 High-NA系統的500 W功率

再看遠一點。Yen說，在他們位於聖地亞哥的實驗室里，ASML已經成功達到了450瓦的光源功率。「當我們的High-NA光刻機出現時，我確信我們將超過500瓦，」他補充說。500 W大約可以允許ASML在其High-NA半場成像光刻機上在60毫焦/平方厘米曝光能量條件下，達到150 WPH每小時生產率。

**點擊文末閱讀原文，可閱讀英文原文。

*免責聲明：本文由作者原創。文章內容系作者個人觀點，半導體行業觀察轉載僅為了傳達一種不同的觀點，不代表半導體行業觀察對該觀點贊同或支持，如果有任何異議，歡迎聯繫半導體行業觀察。

今天是《半導體行業觀察》為您分享的第2016期內容，歡迎關注。

半導體行業觀察

『半導體第一垂直媒體』

實時 專業 原創 深度

華為｜台積電｜江北新區｜三星｜IC｜AI｜博世｜ARM

回復 投稿，看《如何成為「半導體行業觀察」的一員 》

回復 搜索，還能輕鬆找到其他你感興趣的文章！

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！