联系我们   Contact
你的位置:首页 > 新闻动态 > 公司新闻

EUV来了!

2015-6-14 0:03:11      点击:

EUV来了!
 出自:秦文芳(wqin@semi.org)

 
曾经看过这样一个寓言故事:一棵苹果树终于结果了。第一年,它结了10个苹果,9个被拿走,自己得到1个。第二年,它结了100个果子,被拿走90个,自己得到10个。但没关系,它还可以继续成长,第三年结1000个果子。其实,得到多少果子不是最重要的。最重要的是,苹果树在成长!等苹果树长成参天大树的时候,那些曾阻碍它成长的力量都会微弱到可以忽略。不要太在乎果子,成长是最重要的。

日本人H.Kinoshita也许不曾读过这个“做一棵永远成长的苹果树”的故事,但是,他于1986年首次提出的采用极紫外光(Extreme Ultraviolet,EUV)作为新的芯片图形制作的理念却不断的成熟发展着,虽然历程并不平坦。

EUV技术原本被寄希望于在65nm技术节点被采用,但是随着浸入式光刻、双重图形等技术的不断涌现,它崭露头角的日子不断的推迟。甚至有人质疑是否真的需要EUV?时至今日,在22nm步步紧逼的时候,早已习惯了DUV光刻的同行们多少有些沮丧的发现,原有的光刻技术已有些“鸡肋”的味道,这是不是意味着EUV的“好日子”即将到来?

所谓EUV
市场的殷切需求和技术节点的不断进步仿佛是悬在光刻技术头顶的“利剑”,虽然不至于“随时冷汗涔涔”,但是在某种程度上督促着光刻要永远走在前面。商品化光刻机分辨率从1.0μm到0.1μm的演变过程和光源波长从436nm(G-line),经历356nm(I-line)和248nm(KrF),到如今193nm(ArF)的过程;NA从0.35经历了0.45、0.55、0.6到0.85;K1因子的变化由0.8~0.4。20世纪末开始,微处理器和DRAM特征尺寸的缩减呈现了加速和偏离摩尔定律的趋势,这更加速了光刻机的变革步伐。然而,短波光学系统设计加工及相关材料的开发、NA的继续增加和K1的不断减小正面临着一系列的挑战。例如:大NA光学系统将导致焦深的减少,造成工件台和环境的控制更加苛刻,要求物镜波面差更小;较低的K1导致掩膜误差因子的增大,造成复制图形精度和保真度的下降。

使用DUV光刻技术的问题在于,随着光波长的变小,光会被用来聚光的玻璃透镜吸收。结果是光到达不了硅片,也就无法在晶圆上生成任何图案。这也正是EUV光刻技术将取代它的原因。在EUV光刻技术中,玻璃透镜将被反射镜取代以用于聚光。EUV光刻技术早期有波长10~100nm和波长1~25nm的软X光两种,两者的主要区别是成像方式,而非波长范围。前者以缩小投影方式为主,后者以接触/接近式为主。目前的EUV技术使用的是激光等离子源产生的约13.5nm的紫外波长,这种光源工作在真空环境下以产生极紫外射线,然后又光学聚焦形成光束。光束经由用于扫描图形的反射掩膜版反射。

图1展示了EUV的基本工作原理:激光对准氙气喷嘴。当激光击中氙气时,会使氙气变热并产生等离子体;一旦产生等离子体,电子便开始逃逸,从而发出波长为13.5nm的光;接着这种光进入聚光器,然后后者将光汇聚并照到掩膜上;通过在反射镜的一些部分施加而其它部分不施加吸收体,在反射镜上形成芯片一个平面的图案的光学表示,这样就产生了掩膜;掩膜上的图案被反射到四到六个曲面反射镜上,从而将图像微缩,并将图像聚投到硅晶圆上;每个反射镜使光线稍微弯曲以形成晶圆上的图像,这就像照相机中的透镜将光弯曲以在胶片上形成图像一样。

整个工艺必须在真空中进行,因为这些光波长太短,甚至空气都会将它们吸收。此外,EUV使用涂有多层钼和硅的凹面和凸面镜——这种涂层可以反射将近70%的波长为13.5nm的极紫外线光,其它30%被反射镜吸收。如果没有涂层,光在到达晶圆之前几乎就会被完全吸收。镜面必须近乎完美,即使涂层中的小缺陷也会破坏光学形状并扭曲电路图案,从而导致芯片功能出现问题。

光源能量问题首当其冲
“射人先射马,擒贼先擒王”,既然EUV主打的是更短的波长这张牌,那么其核心理所当然是光源的相关问题。开发EUV光源面临的最大挑战在于,如何在提高EUV光源瓦数的同时,降低等离子气氛中微粒、高速粒子和其它污染物,否则光源将会快速恶化。EUV光源可以分为光产生、光收集、光谱纯化三个部分。通常来说,EUV光源的产生有两种方法:激光等离子体光源(LPP)和放电等离子体光源(DPP)。

LPP EUV系统主要包括激光器、汇聚透镜、负载、光收集器、掩膜、投影光学系统和芯片。其原理是利用高功率激光加热负载(Xe或Sn)形成等离子体,等离子体辐射出紫外线,利用多层膜反射镜多次反射净化能谱,获得13.5nm的EUV光。LPP EUV光源的优点是光源尺寸小,产生碎片或粒子的种类少,光收集效率高以及较容易放大EUV输出功率。当然它也有缺点,主要是系统设计复杂,价格昂贵。

DPP EUV光源利用放电使负载(Xe或Sn)形成等离子体,辐射出紫外线,利用多层膜反射镜多次反射净化能谱,获得13.5nm的EUV光。DPP EUV光源的优点是产生EUV的能量转换效率高,造价低;缺点是电极热负载高,产生碎片多,机制复杂,光学器件易于受损,光收集角小。

据Cymer应用工程部处长林思闽博士介绍,Cymer自1997年开始进行EUV光源的相关研发工作。研发范围包括了业界产生EUV光源的两种方式:放电等离子体(DPP)和激光等离子体(LPP)。Cymer的EUV光源经研发评估后采用较容易放大EUV输出功率的LPP技术。他指出,相对于DPP技术,LPP采用多级放大的CO2激光和一个液态锡制滴靶(liquid Sn droplet targets)产生光源,转换效率可到到3%,从而使光源更稳定,能量也更容易提高。但锡碎片对昂贵的光源采集器易造成破坏,这也是Cymer重点解决的难题之一。

林博士表示,在过去的一年中,Cymer的光源技术已经取得了相当大的进展。目前Cymer拥有针对193nm浸入式光刻机所使用60W的激光XLR500i和可在60W/90W间转换的XLR600ix。60W的激光XLR500i目前是Cymer针对单次曝光光刻技术的主打产品,而可在60W/90W间转换的XLR600ix则可以同时满足单次曝光光刻技术和双重图形技术所需要的瓦数和速度。比起前代产品,波长和带宽稳定性提升了1.5倍,光束稳定性提高了2倍。在EUV光源方面, 由Cymer研发制造的全球第一套全集成的激光等离子(LPP)EUV光源已成功运往ASML,将安装于ASML的相关EUV光刻机上。目前EUV光源的能量还未能达到量产规模时的需求,比较现实的光源能量为中间能量级20W-40W,已经获得了客户的认可。Cymer在今年年底或明年初能够为其用户发送100W的EUV光源。

“EUV光源目前仍有不少困难急需解决,”林思闽博士坦陈。“首当其冲的就是光源的高能量问题。目前全球第一套全集成的激光等离子光源的最高能量已经可以达到75W,在今年的随后几个月内有望实现大于100W的目标。其次是MLM收集器的寿命和超平坦MLM收集器的制造问题。最后是如何实现锡制滴靶的高稳定性。”此外,等离子体的产生、提高输出功率、延长光源的寿命、测量和在线监测技术研究等也将会是研发的重点。

掩膜技术成为“短板”?
“短板”的概念来自经济学领域著名的“木桶理论”,即一件事情的成功不只是其最突出的部分起作用,而是取决于它的整体状况,取决于其它的薄弱环节。同理,光刻技术的发展并非光刻机一枝独秀即可,其它环节的互相配合与优化,如光刻胶和掩膜版等,才能使EUV尽早投入量产。尽管EUV使用的曝光波长比ArF光刻缩小了10倍以上,但是EUV波段的光极易被各种光学材料吸收也是不争的事实,全新的掩膜版技术开发如箭在弦上。

由于采用透射曝光时掩膜版会吸收EUV光线,其光强将被大幅削弱。因此,相对于目前的投影式光学系统而言,EUV掩膜版将采用反射技术,而非透射技术。要使EUV顺利进入量产,无缺陷的掩膜是必不可少的。如何解决掩膜版表面多层抗反射膜的无缺陷问题成为关键(图3)。EUV掩膜版的制作一般是采用多层堆叠的Mo/Si薄膜,每一Mo层与Si层都必须足够平滑,误差容许范围为一个原子大小。如果掩膜上存在大颗粒时,通常需要采用掩膜修正技术进行处理。另外,掩膜版还涉及到储存、运输等难题。

以往的研究表明,EUV掩膜缺陷密度应为18nm节点0.003defects/cm2,最新的数据认为,最终量产时的目标达到0.01defects/cm2即可。但如今的EUV掩膜缺陷仍高达1defect/cm2,任务非常艰巨。要使检测机台的水平满足芯片制造的要求,EUV光源的亮度而非能量,仍需大幅改善。这是因为EUV光刻机的NA非常小,测量机台只能覆盖光源较小的一部分,高能量光源对于测量机台来说太大太昂贵。在这一点上,LPP光源更小更亮,较DPP更有优势。
 
22nm光刻技术之争
EUV技术曾经在65nm节点被寄予厚望,但由于光源不足、光刻胶和掩膜版等相关技术不到位等原因,其进入量产的时间不断被推迟。同时,常规光刻技术仍在进步,目前尚未真的需要EUV光刻。不过,随着芯片产商们开始关注22nm技术节点,人们对关键层可采用哪些技术存在疑惑,包括对双重图形的成本、高折射率浸入式光刻缺乏支撑以及EUV量产的准备程度等问题仍存疑虑。有观点认为22nm可能是EUV大展拳脚的时间点,也有较为悲观的人认为至少要到2016年EUV才会为量产所用。Intel的光刻技术总监Sam Sivakumar在国际EUV光刻研讨会(International Workshop on EUV Lithography)上说,Intel计划2011年投入22nm节点的量产,采用的光刻技术是193nm ArF浸入式光刻。到2013年,ArF双重图形技术和EUV都是热门的候选方案。

相较而言,EUV更具有延展性,极有希望支持小于10nm的技术节点。还是那个著名的Rayleigh方程: R=K1λ/NA  显而易见,减小曝光光源的波长并增加投影透镜的NA都可以提高分辨率。浸入式光刻的出发点是保持193nm的波长,在增大NA上做文章。而EUV则是大大减小了波长,使NA有更大的调整空间,对工艺窗口而言则更具优势。

ASML的台湾区战略市场总监Peter Cheang认为,EUV技术所采用的波长比现有的光刻设备缩小了超过10倍,可使未来技术节点达到10nm甚至更小。换而言之,EUV光刻极有希望在未来的10年内继续支持摩尔定律的前进。目前业界在光刻领域讨论最多的莫过于EUV究竟何时才能投入大规模量产。Peter Cheang的观点是,浸入式光刻加上双重图形技术应该是前进至22nm节点的一个过渡。主要原因还是出于成本考量,即如何才能真正做到cost effective。双重图形技术虽然把一个较复杂的图形拆开成两次曝光显影,从而实现更小的曝光尺寸,但是随之而来的高成本和生产时间的加长却如影随形。同时,节点缩小也意味着工艺窗口的缩小,光刻中极其重要的参数“overlay budget”则会在两次曝光后大大减小,无疑削弱了双重图形技术原本的技术优势。

若EUV光刻技术能大规模投产,可带来多方面的好处。不仅可提高K1系数和使用较简易的光刻技术,还能再利用传统的OPC技术,简化掩膜资料处理流程。为制作高端芯片,晶圆厂使用增进分辨率的技术使K1因子越来越低,而低K1因子让工艺窗口逐步缩减导致良率变低。并且这种方法越来越依赖复杂的OPC机制,使得掩膜越来越复杂,数据资料的大小难以管理。EUV带来的其它好处还包括一次曝光印刷,以及对严格设计规则的放松。

林思闽博士说,未来K1因子越来越小,193nm光刻和双重图形需要克服图形分辨率和更低的K1的问题,而双重图形制程非常昂贵,最终用户出于成本的考虑,比较22nm浸入式和双重图形技术,EUV光刻会带来巨大的成本节约,所以未来EUV将代替昂贵的双重图形技术。业界在寻找提升各种技术的方案,目前看来EUV仍是大多数的选择。EUV的throughput有望达到180w/h,2013年投入量产也是“水到渠成”。当然,前提是高能量且可靠的光源、高产能的光刻机、高灵敏度的光刻胶以及无缺陷的EUV掩膜版等能够“各就各位”。

EUV光刻还面临着throughput的问题。根据Hynix在2009年SPIE的报告指出,如果throughput可以达到>30w/h,那么对于制造成本来说就已经可以实现cost effective,若能达到80-100w/h则与浸入式光刻相比具有极大的竞争力。ASML计划于2010年中期推出其NA为0.25的EUV机台。针对更小节点,如16nm,则会在提高NA和throughput方面做更多的研发工作,相关机台的推出也已提上日程(图4)ASML也已接到逻辑和存储器客户的共5笔EUV设备订单,预计2010年开始发货(图5)。

EUV光刻未来的路并不轻松。目前,其优势很大程度上确立在更小技术节点的工艺延伸性上。它需要让市场相信,眼下很多人做出的巨大努力最终将被证明是值得的。