高數(shù)值孔徑EUV光刻：引領(lǐng)下一代芯片制造的革命性技術(shù)

可實(shí)現(xiàn)更小晶體管的下一代技術(shù)是高數(shù)值孔徑EUV光刻。 ?

摩爾定律是指在給定面積的硅片上，晶體管的數(shù)量大約每?jī)赡攴环?，這種增益推動(dòng)了計(jì)算技術(shù)的發(fā)展。在過去半個(gè)世紀(jì)里，我們將該定律視為一種類似進(jìn)化或衰老的不可避免的自然過程。然而，現(xiàn)實(shí)卻大不相同。要跟上摩爾定律的步伐，需要花費(fèi)幾乎難以想象的時(shí)間、精力和人類智慧，地球上無數(shù)的人和無數(shù)臺(tái)最復(fù)雜的機(jī)器都被裹挾其中。?

其中最重要的可能就是極紫外（EUV）光刻機(jī)了。EUV光刻技術(shù)是幾十年研發(fā)工作的產(chǎn)物，是過去兩代尖端芯片背后的驅(qū)動(dòng)技術(shù)，過去3年里，每一款高端智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦和服務(wù)器中都有它的身影。然而，摩爾定律必須繼續(xù)前進(jìn)，芯片制造商也在繼續(xù)推進(jìn)他們的路線圖，這意味著需要進(jìn)一步縮小設(shè)備的幾何尺寸。?

而下一代光刻技術(shù)——高數(shù)值孔徑EUV光刻，涉及了對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部光學(xué)系統(tǒng)的重大改造，在這個(gè)十年結(jié)束前，芯片行業(yè)有望依靠它來持續(xù)進(jìn)步。

分辨率與數(shù)值孔徑 ? ?

摩爾定律的維系有賴于光刻技術(shù)分辨率的提高，這樣一來，芯片制造商就可以制造越來越精細(xì)的電路。在過去的35年里，通過研究光的波長、封裝過程相關(guān)因素的系數(shù)k1以及衡量系統(tǒng)發(fā)光的角度范圍的數(shù)值孔徑（NA）這3個(gè)因素的組合，工程師們已經(jīng)將分辨率提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

臨界尺寸是使用某種光刻曝光工具可以打印的最小產(chǎn)品尺寸，它與光的波長除以光學(xué)元件的數(shù)值孔徑所得的值成正比。因此，我們可以通過使用更短的光波長或更大的數(shù)值孔徑，或者兩者的結(jié)合來實(shí)現(xiàn)更小的臨界尺寸。例如，通過改進(jìn)制造過程控制，k1值可以盡可能地接近其物理下限0.25。

一般來說，提高分辨率最經(jīng)濟(jì)的方法是提高數(shù)值孔徑，以及改進(jìn)工具和過程控制以實(shí)現(xiàn)更小的k1。芯片制造商只有在無法進(jìn)一步提高數(shù)值孔徑和k1時(shí)，才會(huì)想辦法縮短光源波長。

不過，半導(dǎo)體行業(yè)已經(jīng)多次修改了波長。波長歷史的發(fā)展從使用汞燈產(chǎn)生的365納米開始，到20世紀(jì)90年代后期通過氪-氟激光器生產(chǎn)的248納米，再到本世紀(jì)初通過氬-氟激光器生產(chǎn)的193納米。對(duì)于每一代波長，在行業(yè)采用更短的波長之前，光刻系統(tǒng)的數(shù)值孔徑都是逐漸增大的。

例如，隨著193納米的使用即將結(jié)束，人們又引入了一種新的方法來擴(kuò)大數(shù)值孔徑：浸沒式光刻。通過在透鏡底部和晶圓之間放置水，數(shù)值孔徑可以從0.93大幅提高到1.35。自2006年左右推出以來，193納米浸沒式光刻技術(shù)一直是業(yè)界領(lǐng)先的主力光刻技術(shù)。

提高數(shù)值孔徑迫在眉睫 ? ?

不過，隨著對(duì)印刷小于30納米產(chǎn)品的需求增加，以及193納米光刻技術(shù)的數(shù)值孔徑已經(jīng)達(dá)到極限，要跟上摩爾定律的步伐變得越來越復(fù)雜。要制造小于30納米的產(chǎn)品，要么需要使用多種圖案來制造單層芯片產(chǎn)品（這是一種技術(shù)成本和經(jīng)濟(jì)成本都很高的技術(shù)），要么需要改變波長。經(jīng)過20多年的時(shí)間和前所未有的開發(fā)研究，13.5納米EUV這一新波長才得以上線。

EUV需要一種全新的發(fā)光方式。這是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，需要用強(qiáng)大的二氧化碳激光撞擊在半空中滴落的熔錫液滴。激光會(huì)將錫蒸發(fā)成等離子體，發(fā)射出光子能量光譜。EUV光學(xué)元件可從這個(gè)光譜中獲得所需的13.5納米波長，并引導(dǎo)它通過一系列鏡子，再將其反射到有圖案的掩模上，將圖案投射到晶圓上。整個(gè)過程必須在超凈真空中完成，因?yàn)?3.5納米波長會(huì)被空氣吸收。（前幾代光刻技術(shù)都是引導(dǎo)光穿過掩模，將圖案投射到晶圓上。但是EUV非常容易被吸收，因此掩模和其他光學(xué)元件必須具有反射性。）

從193納米光轉(zhuǎn)變?yōu)镋UV在一定程度上縮小了臨界尺寸。一種名為“可制造性設(shè)計(jì)”的方法大大降低了k1。該方法設(shè)置了電路模塊的設(shè)計(jì)規(guī)則，利用了光刻技術(shù)的局限性?，F(xiàn)在是時(shí)候再次提高數(shù)值孔徑，從目前的0.33提高到0.55了。

在真空室中,EUV光（紫色）在從光掩模）反射之前，會(huì)被多面鏡子反射。光從那里繼續(xù)反射，直到被投射到晶圓上，且攜帶光掩模的圖案。這張插圖顯示了目前數(shù)值孔徑為0.33的商業(yè)系統(tǒng)。在數(shù)值孔徑為0.55的未來系統(tǒng)中，光學(xué)元件將有所不同。

面對(duì)的挑戰(zhàn) ? ?

要將數(shù)值孔徑從0.33提高到0.55的目標(biāo)值，不可避免地需要一系列其他調(diào)整。EUV光刻等投影系統(tǒng)在晶圓和掩模上都有數(shù)值孔徑。增大晶圓上的數(shù)值孔徑時(shí)，掩模上的數(shù)值孔徑也會(huì)增大。因此，掩模入射和出射的光錐會(huì)變得更大，且必須彼此斜向遠(yuǎn)離以避免重疊。重疊的光錐會(huì)產(chǎn)生不對(duì)稱的衍射圖案，進(jìn)而帶來不理想的成像效果。

但是這個(gè)角度是有限制的。因?yàn)镋UV光刻技術(shù)所需要的反射掩模實(shí)際上是由多層材料制成的，所以我們無法確保在某個(gè)反射角以上產(chǎn)生合適的反射。EUV掩模的最大反射角為11度。雖然還有其他困難，但反射角是最大的挑戰(zhàn)。

克服這個(gè)挑戰(zhàn)的唯一方法是增加一種叫做“縮倍”的特征。顧名思義，縮倍是指從掩模中取出反射圖案并縮小它。為了彌補(bǔ)反射角的問題，不得不將縮倍數(shù)提高到8。結(jié)果，在晶圓上成像的掩模部分小了很多。成像場(chǎng)較小意味著需要更長的時(shí)間來產(chǎn)生完整的芯片圖案。事實(shí)上，這一要求會(huì)使我們的高數(shù)值孔徑掃描儀的產(chǎn)出率降低到每小時(shí)100片晶圓以下，該生產(chǎn)率水平會(huì)使芯片制造變得不經(jīng)濟(jì)。

令人欣慰的是，研究人員發(fā)現(xiàn)只需要在一個(gè)方向上提高縮倍，也就是反射角最大的方向，另一個(gè)方向上的縮倍可以保持不變。如此一來，晶圓上就有了一個(gè)大小可以接受的成像場(chǎng)——大約是今天EUV系統(tǒng)所用尺寸的一半，即26毫米×16.5毫米，而不是26毫米×33毫米。這種方向相關(guān)或失真的縮倍形成了我們高數(shù)值孔徑系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

為了確保半尺寸場(chǎng)具有相同的生產(chǎn)率水平，還必須重新開發(fā)系統(tǒng)的掩模臺(tái)和晶圓臺(tái)（分別固定掩模和晶圓的兩個(gè)平臺(tái)），并在掃描過程中同步移動(dòng)它們。高數(shù)值孔徑EUV是維系摩爾定律的關(guān)鍵組成部分，但實(shí)現(xiàn)0.55數(shù)值孔徑并不是最終目標(biāo)，整個(gè)半導(dǎo)體生態(tài)將在此基礎(chǔ)上向更好、更快、更新穎的技術(shù)邁進(jìn)。

審核編輯：黃飛