EUV光刻機何去何從?

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ASML 一直處於高度戒備狀態。

去年,該公司兩次提高了生產目標:它希望到 2025 年出貨約 600 臺 DUV 和 90 臺 EUV 光刻機,而去年分別為不到 200 臺和 35 臺。在典型的一週內,數百人在 Veldhoven 開始他們的新工作。由於持續的晶片短缺,交付問題每天都在發生。更不用說像今年年初柏林工廠發生火災這樣的挫折,導致 EUV 晶圓夾具的生產暫時癱瘓。

儘管如此,Martin van den Brink 還是很滿足和放鬆的。儘管EUV 光刻機的生產力還沒有達到客戶的預期,但幾年來,EUV 光刻機已經成為世界上最先進晶片的生產過程中不可或缺的一部分。“經過比計劃多十年的努力,這讓我鬆了一口氣。”Martin van den Brink說。

最新一代的 EUV 裝置——High NA 系統的開發也進展順利。“今天下午我參觀了工廠車間。那臺機器是我職業生涯中的一個亮點,”van den Brink在他的辦公室裡說道,其中展出了一系列平版印刷製品。根據 ASML 的路線圖,世界上第一臺High-NA 光刻機的交付日期是明年某個時候,Van den Brink 認為這個目標將會實現,儘管供應鏈問題仍可能會打亂時間。

事實證明,van den Brink甚至或多或少地規劃了未來十年的技術路線。這可能是他對 ASML 的最後一次戰略貢獻,因為這位與公司並肩作戰多年的高管預計將於 2024 年退休。

無論如何,現在van den Brink的任何事情似乎都是可以管理的——幾乎一切照舊,對於一家組裝世界上最複雜的生產機器的公司來說,這是可能的。唯一似乎困擾van den Brink的是他的辦公椅。“看看這個爛東西。它有太多的調整選項,”他坐下時抱怨道,示範性地搖晃著扶手。

微不足道

五年前van den Brink與他的來訪者交談時,他的心情同樣好。在仍然需要所有人齊心協力才能讓 EUV 走上正軌的時候,他已經推進了他的High-NA 計劃。ASML 的管理和監事會支援所需的十億美元投資,關鍵光學合作伙伴蔡司也加入了進來。“他們一開始並不想,”Van den Brink 承認。

“當時,我認為High NA 將是 EUV 的最後一個 NA。但存在相當大的風險,因為它來得太晚,沒有足夠的時間週期來收回投資。我覺得在我們明確 EUV 之前,我們不能推遲高數值孔徑的開發。”

“光刻技術的過渡期非常糟糕。如果你搞砸了,事情就會變得混亂。尤其是現在這個組織已經變得這麼大,我感到責任重大。我非常偏執。我們有一個成功的提議嗎?我們能搞定這件事嗎?” Van den Brink 最終確信高數值孔徑是正確的前進方向,並贏得了懷疑論者的支援。但他忽略了一件事。“在我的傲慢中,我認為顧客會排隊,但讓我告訴你:這確實不容易。”

2018 年 4 月左右,一切就緒。EUV 在大批量生產中蓄勢待發,不久之後,第一批High NA 系統訂單接踵而至。從那時起,另一個過渡期的準備工作總體上相當順利。這位首席技術官透露,這比以前的任何光刻轉換都“容易得多”。

“為什麼?首先,我們現在對 EUV 光子的作用有了很好的瞭解。今天,我們仍然在短波系統的穩定性方面存在問題,並且生產力沒有達到標準。但我們需要理解和清理的主要物理問題——基本上已經被我們拋在腦後了。”

此外,在任何光刻轉換中,ASML 都需要依賴外部的創新。“光刻膠發生變化,掩模發生變化,你會得到新型別的缺陷。這些東西都會影響基礎設施。對於High NA,基礎設施的變化相對來說微不足道。因此所涉及的風險要低得多。”

絕望的

Van den Brink 表示,到目前為止,開發High NA 技術的最大挑戰是為 EUV 光學器件構建計量工具。High NA 反射鏡的尺寸是其前身的兩倍,需要將其平整度控制在20 皮米內。這需要在一個“可以容納半個公司”的真空容器中進行驗證。

“構建這個工具的問題是你不能確定它是否足夠準確。你可以做各種各樣的測試來提供一些保證,但你永遠不能完全確定。這就是我們現在所處的階段。我們認為它有效,但要等到明年我們拿到第一支鏡頭,真相才會浮出水面。”

如果鏡頭不符合規格,我們將採取緊急程式。“我們有備用計劃。如果它不起作用,我們有足夠的自由度來修復它。我們可以在一定範圍內重新拋光表面並在必要時更換單個鏡子。” 一個 EUV 鏡頭由幾個反射鏡組成——確切的數量是商業機密。

最後,van den Brink不想低估一個比典型公交巴士更大的系統的複雜性。“這是一個怪物。過去,一臺光刻機需要幾百千瓦。對於 EUV,它是 1.5 兆瓦(megawatts),主要是因為光源。我們為High NA 使用相同的光源,但舞臺需要額外的 0.5 兆瓦。我們使用水冷銅線為其供電。我們推動了很多工程的發展。”

儘管如此,Van den Brink 並沒有看到任何阻礙,儘管供應鏈問題使日程表變得模糊不清。“時機有點問題。High NA機器包含我們在生產系統中使用的相當多的元件,今天的meal優先於明天的meal。就時間而言,這仍然是一個危機專案,但我相信到明年年底我們會走得很遠。”

第一個系統將留在 Veldhoven,ASML 和 Imec 已經在那裡建立了一個聯合High NA 研究實驗室。我們的計劃是到2024年,讓客戶擁有自己的機器用於研發目的。在那之後的一年,將交付第一批大批量製造工具。

這將在很大程度上免除 ASML 的客戶因 EUV 開發延遲而造成的困難時期。

“他們越來越絕望,就這麼簡單,”van den Brink在 2017 年表示,他指的是他的客戶宣佈將 EUV 投入生產。必須使用兩個或更多 193 奈米(浸沒)曝光步驟進行圖案化的晶片層數量越來越多,以至於半導體制造商繼續使用 EUV 光刻機,儘管它們當時其生產力並不高。

儘管在 EUV 中已經使用了多重圖案——順便說一句,並非出於光刻的需要——但在這種不舒服的情況出現之前,預計可生產的High NA 光刻機就會出現。“客戶並不絕望。但是,公平地說,如果High NA 現在準備好了,他們就會使用它。”

一切都值得

除了讓High NA EUV光刻機儘快推出,ASML 目前的首要任務是繼續降低 EUV 和High NA 圖案化的成本。Van den Brink 認為,這還需要十年的努力。“只要效能還沒有達到 193 奈米光刻的水平,就有很大的改進空間。我們仍然可以在轉變獲得很多收益,例如,可能是兩倍。而且我們還沒有從光學中擠出每一奈米的解析度。使用 193 奈米光刻機,由於照明系統的操作,我們處於極限。EUV 光刻機還沒有同樣的複雜程度。”

ASML 還將繼續專注於整體光刻技術。這套計量和計算技術使晶片製造商能夠對其製造過程保持嚴格的控制。這降低了缺陷率,就像提高生產力一樣,降低了成本。

然而,半導體界迫切想知道的是,高數值孔徑是否會獲得繼任者。ASML 的技術副總裁 Jos Benschop 已在去年的 SPIE 高階光刻會議上透露,可能的替代方案,即降低波長不是一種選擇。這與角度有關:EUV 反射鏡反射光的效率很大程度上取決於入射角。波長的降低會改變角度範圍,使得透鏡必須變得太大而無法補償。

這種現象也會隨著鏡頭孔徑(numerical aperture,NA)的增加而出現。那麼NA是否有可能再次增加?van den Brink證實,ASML 正在研究此事。但是,就個人而言,他不相信 hyper-NA 會被證明是可行的。“我們正在研究它,但這並不意味著它會投入生產。多年來,我一直懷疑 high-NA 將是最後一個 NA,這種信念沒有改變。”

對於“標準”EUV,NA 是 0.33,對於High NA,它是 0.55,對於hyper-NA,它會“高於 0.7,也許是 0.75。理論上是可以做到的。從技術上講,這是可以做到的。但是更大的鏡頭市場還有多少空間呢?我們甚至可以出售這些系統嗎?我對High NA 偏執,我對hyper-NA更加偏執。如果hyper-NA的成本增長得像我們在High NA 中看到的那樣快,那麼它在經濟上幾乎是不可行的。儘管這本身也是一個技術問題。而這正是我們正在研究的。”

因此,hyper-NA 研究計劃的主要目標是提出智慧解決方案,使技術在成本和可製造性方面保持可控。Van den Brink 不想建造更大的怪物,他說,他指著他收藏的計量容器的微型版本,但也提到了鏡頭等光刻機元件。“我們正試圖在製造和設計方面做出根本性的改變,以確保如果我們要這樣做,它在經濟上是可行的。”

“所以這與我們的High NA 方法大相徑庭。我們將確保實現高數值孔徑。對於超 NA,我們承認可能存在無法克服的成本限制,至少因為電晶體縮小速度正在放緩。由於系統整合,繼續開發新一代晶片仍然是值得的——這是個好訊息。但在這一點上,問題變得非常現實:哪些晶片結構太小而無法經濟地製造?”

本文來自微信公眾號 “半導體行業觀察”(ID:icbank) ,作者:Paul van Gerven,36氪經授權釋出。