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EUV光刻机何去何从?

2022-09-23 10:26:48

ASML 一直处于高度戒备状态。

去年,该公司两次提高了生产目标:它希望到 2025 年出货约 600 台 DUV 和 90 台 EUV 光刻机,而去年分别为不到 200 台和 35 台。在典型的一周内,数百人在 Veldhoven 开始他们的新工作。由于持续的芯片短缺,交付问题每天都在发生。更不用说像今年年初柏林工厂发生火灾这样的挫折,导致 EUV 晶圆夹具的生产暂时瘫痪。

尽管如此,Martin van den Brink 还是很满足和放松的。尽管EUV 光刻机的生产力还没有达到客户的预期,但几年来,EUV 光刻机已经成为世界上最先进芯片的生产过程中不可或缺的一部分。“经过比计划多十年的努力,这让我松了一口气。”Martin van den Brink说。

最新一代的 EUV 设备——High NA 系统的开发也进展顺利。“今天下午我参观了工厂车间。那台机器是我职业生涯中的一个亮点,”van den Brink在他的办公室里说道,其中展出了一系列平版印刷制品。根据 ASML 的路线图,世界上第一台High-NA 光刻机的交付日期是明年某个时候,Van den Brink 认为这个目标将会实现,尽管供应链问题仍可能会打乱时间。

事实证明,van den Brink甚至或多或少地规划了未来十年的技术路线。这可能是他对 ASML 的最后一次战略贡献,因为这位与公司并肩作战多年的高管预计将于 2024 年退休。

无论如何,现在van den Brink的任何事情似乎都是可以管理的——几乎一切照旧,对于一家组装世界上最复杂的生产机器的公司来说,这是可能的。唯一似乎困扰van den Brink的是他的办公椅。“看看这个烂东西。它有太多的调整选项,”他坐下时抱怨道,示范性地摇晃着扶手。

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微不足道

五年前van den Brink与他的来访者交谈时,他的心情同样好。在仍然需要所有人齐心协力才能让 EUV 走上正轨的时候,他已经推进了他的High-NA 计划。ASML 的管理和监事会支持所需的十亿美元投资,关键光学合作伙伴蔡司也加入了进来。“他们一开始并不想,”Van den Brink 承认。

“当时,我认为High NA 将是 EUV 的最后一个 NA。但存在相当大的风险,因为它来得太晚,没有足够的时间周期来收回投资。我觉得在我们明确 EUV 之前,我们不能推迟高数值孔径的开发。”

“光刻技术的过渡期非常糟糕。如果你搞砸了,事情就会变得混乱。尤其是现在这个组织已经变得这么大,我感到责任重大。我非常偏执。我们有一个成功的提议吗?我们能搞定这件事吗?” Van den Brink 最终确信高数值孔径是正确的前进方向,并赢得了怀疑论者的支持。但他忽略了一件事。“在我的傲慢中,我认为顾客会排队,但让我告诉你:这确实不容易。”

2018 年 4 月左右,一切就绪。EUV 在大批量生产中蓄势待发,不久之后,第一批High NA 系统订单接踵而至。从那时起,另一个过渡期的准备工作总体上相当顺利。这位首席技术官透露,这比以前的任何光刻转换都“容易得多”。

“为什么?首先,我们现在对 EUV 光子的作用有了很好的了解。今天,我们仍然在短波系统的稳定性方面存在问题,并且生产力没有达到标准。但我们需要理解和清理的主要物理问题——基本上已经被我们抛在脑后了。”

此外,在任何光刻转换中,ASML 都需要依赖外部的创新。“光刻胶发生变化,掩模发生变化,你会得到新类型的缺陷。这些东西都会影响基础设施。对于High NA,基础设施的变化相对来说微不足道。因此所涉及的风险要低得多。”

绝望的

Van den Brink 表示,到目前为止,开发High NA 技术的最大挑战是为 EUV 光学器件构建计量工具。High NA 反射镜的尺寸是其前身的两倍,需要将其平整度控制在20 皮米内。这需要在一个“可以容纳半个公司”的真空容器中进行验证。

“构建这个工具的问题是你不能确定它是否足够准确。你可以做各种各样的测试来提供一些保证,但你永远不能完全确定。这就是我们现在所处的阶段。我们认为它有效,但要等到明年我们拿到第一支镜头,真相才会浮出水面。”

如果镜头不符合规格,我们将采取紧急程序。“我们有备用计划。如果它不起作用,我们有足够的自由度来修复它。我们可以在一定范围内重新抛光表面并在必要时更换单个镜子。” 一个 EUV 镜头由几个反射镜组成——确切的数量是商业机密。

最后,van den Brink不想低估一个比典型公交巴士更大的系统的复杂性。“这是一个怪物。过去,一台光刻机需要几百千瓦。对于 EUV,它是 1.5 兆瓦(megawatts),主要是因为光源。我们为High NA 使用相同的光源,但舞台需要额外的 0.5 兆瓦。我们使用水冷铜线为其供电。我们推动了很多工程的发展。”

尽管如此,Van den Brink 并没有看到任何阻碍,尽管供应链问题使日程表变得模糊不清。“时机有点问题。High NA机器包含我们在生产系统中使用的相当多的组件,今天的meal优先于明天的meal。就时间而言,这仍然是一个危机项目,但我相信到明年年底我们会走得很远。”

第一个系统将留在 Veldhoven,ASML 和 Imec 已经在那里建立了一个联合High NA 研究实验室。我们的计划是到2024年,让客户拥有自己的机器用于研发目的。在那之后的一年,将交付第一批大批量制造工具。

这将在很大程度上免除 ASML 的客户因 EUV 开发延迟而造成的困难时期。

“他们越来越绝望,就这么简单,”van den Brink在 2017 年表示,他指的是他的客户宣布将 EUV 投入生产。必须使用两个或更多 193 纳米(浸没)曝光步骤进行图案化的芯片层数量越来越多,以至于半导体制造商继续使用 EUV 光刻机,尽管它们当时其生产力并不高。

尽管在 EUV 中已经使用了多重图案——顺便说一句,并非出于光刻的需要——但在这种不舒服的情况出现之前,预计可生产的High NA 光刻机就会出现。“客户并不绝望。但是,公平地说,如果High NA 现在准备好了,他们就会使用它。”

一切都值得

除了让High NA EUV光刻机尽快推出,ASML 目前的首要任务是继续降低 EUV 和High NA 图案化的成本。Van den Brink 认为,这还需要十年的努力。“只要性能还没有达到 193 纳米光刻的水平,就有很大的改进空间。我们仍然可以在转变获得很多收益,例如,可能是两倍。而且我们还没有从光学中挤出每一纳米的分辨率。使用 193 纳米光刻机,由于照明系统的操作,我们处于极限。EUV 光刻机还没有同样的复杂程度。”

ASML 还将继续专注于整体光刻技术。这套计量和计算技术使芯片制造商能够对其制造过程保持严格的控制。这降低了缺陷率,就像提高生产力一样,降低了成本。

然而,半导体界迫切想知道的是,高数值孔径是否会获得继任者。ASML 的技术副总裁 Jos Benschop 已在去年的 SPIE 高级光刻会议上透露,可能的替代方案,即降低波长不是一种选择。这与角度有关:EUV 反射镜反射光的效率很大程度上取决于入射角。波长的降低会改变角度范围,使得透镜必须变得太大而无法补偿。

这种现象也会随着镜头孔径(numerical aperture,NA)的增加而出现。那么NA是否有可能再次增加?van den Brink证实,ASML 正在研究此事。但是,就个人而言,他不相信 hyper-NA 会被证明是可行的。“我们正在研究它,但这并不意味着它会投入生产。多年来,我一直怀疑 high-NA 将是最后一个 NA,这种信念没有改变。”

对于“标准”EUV,NA 是 0.33,对于High NA,它是 0.55,对于hyper-NA,它会“高于 0.7,也许是 0.75。理论上是可以做到的。从技术上讲,这是可以做到的。但是更大的镜头市场还有多少空间呢?我们甚至可以出售这些系统吗?我对High NA 偏执,我对hyper-NA更加偏执。如果hyper-NA的成本增长得像我们在High NA 中看到的那样快,那么它在经济上几乎是不可行的。尽管这本身也是一个技术问题。而这正是我们正在研究的。”

因此,hyper-NA 研究计划的主要目标是提出智能解决方案,使技术在成本和可制造性方面保持可控。Van den Brink 不想建造更大的怪物,他说,他指着他收藏的计量容器的微型版本,但也提到了镜头等光刻机组件。“我们正试图在制造和设计方面做出根本性的改变,以确保如果我们要这样做,它在经济上是可行的。”

“所以这与我们的High NA 方法大相径庭。我们将确保实现高数值孔径。对于超 NA,我们承认可能存在无法克服的成本限制,至少因为晶体管缩小速度正在放缓。由于系统集成,继续开发新一代芯片仍然是值得的——这是个好消息。但在这一点上,问题变得非常现实:哪些芯片结构太小而无法经济地制造?”

本文来自微信公众号 “半导体行业观察”(ID:icbank),作者:Paul van Gerven。



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