20年EUV光刻機量產(chǎn)歷程挽救摩爾定律

2019 年底在舊金山舉辦的年度國際電子元件會議（IEDM）上，臺積電公布的兩個報告標志著集成電路制造邁入了EUV 光刻時代。第一個報告宣布了應(yīng)用EUV 光刻技術(shù)的7 納米世代的改良版芯片已經(jīng)于2019 年正式量產(chǎn)，我們知道這個技術(shù)已經(jīng)用在2019 年生產(chǎn)的麒麟990 5G 這顆有多于100 億個晶體管的芯片上。

第二個報告宣布了2020 年量產(chǎn)的5 納米世代將會有十幾層的制程用EUV 光刻技術(shù)來完成，取代多于它四倍（四十幾層）的193 納米浸潤式光刻技術(shù)。果然，2020 年秋天，華為mate40和蘋果公司的5G 旗艦手機已經(jīng)搭載臺積電制造的5 納米世代的芯片。日前，蘋果更宣布用于Mac PC 的新芯片：這片5 納米世代的芯片上含有160 億個晶體管。EUV 光刻技術(shù)使摩爾定律得以延續(xù)。

ASML 上周財報中指出該公司于2020 年底慶祝第100 臺EUV 極紫外光光刻系統(tǒng)出貨。中國臺灣目前更是全球EUV最大的裝機基地。EUV 光刻技術(shù)歷經(jīng)20 余年的實驗室研發(fā)，以及12 年的量產(chǎn)研發(fā)，至今成為半導(dǎo)體先進制程中最重要的生產(chǎn)工具。ASML 全球副總裁暨技術(shù)開發(fā)中心主任嚴濤南，正是推動EUV 應(yīng)用在量產(chǎn)階段的靈魂人物。

接下來我們看一下由嚴濤南先生撰寫的文章：ASML 極紫外光（EUV）光刻技術(shù)的量產(chǎn)歷程

ASML 全球副總裁暨技術(shù)開發(fā)中心主任嚴濤南博士

EUV 光刻技術(shù)采用錫的電漿來產(chǎn)生波長為13.5 納米的光源，以及用鉬硅多層反射薄膜來把光傳遞到芯片上。不同于一般的紫外光光刻技術(shù)，EUV 光刻技術(shù)得在低真空中運作，技術(shù)難度更高。

EUV 光刻技術(shù)以實驗室形式的研發(fā)（日本，美國，歐洲，包括ASML和Cymer）已經(jīng)走過了二十多年卻仍達不到量產(chǎn)的技術(shù)要求，但也沒有被放棄。理由只有一個：因為沒有showstopper（明顯的重大問題）。當時業(yè)界普遍認為如果EUV 能用于量產(chǎn)就可以讓摩爾定律延續(xù)生命。這是個巨大的誘惑。臺積電是全球最大的半導(dǎo)體代工廠，在先進制程獨占鰲頭，其開發(fā)所有新技術(shù)的目的只有一個：最終用于量產(chǎn)。而開發(fā)用于量產(chǎn)的EUV 光刻技術(shù)就落到了我的肩上。

量產(chǎn)的要求極高，要知道EUV 光刻技術(shù)的種種瓶頸，就必須在當時僅有的EUV 光刻設(shè)備上做實驗。2006 年，標志著EUV 實驗室研發(fā)階段的結(jié)束。那年，我現(xiàn)在的東家ASML 交出了兩臺EUV 樣機，叫做Alphademo tool （ADT）。其中一臺由紐約州的Albany 納米中心獲得，另一臺落戶比利時微電子研發(fā)中心（imec）──ASML 的長期合作伙伴。因為臺積電是imec 的「核心伙伴」成員，我派了一位光刻技術(shù)專家去那里蹲點。盡管那臺樣機故障頻頻，但從他寄回來的芯片中，我們看到了一線希望，決定繼續(xù)往下走。

2010 年的春天，在當時臺積電研發(fā)組長蔣尚義博士（后為臺積電共同營運長）的主導(dǎo)下，我們向ASML 訂了一臺型號為NXE:3100（數(shù)值孔徑為0.25）的EUV 光刻機臺。那款機型是繼ADT 后的EUV 研發(fā)機臺。ASML 一共做了六臺，分別運往了三星、imec、英特爾、東芝、海力士和臺積電。光源是美國Cymer 公司提供的。

因為是第一次采用激光電漿（laser-producedplasma，LPP）技術(shù)來產(chǎn)生波長為13.5 納米的EUV 光，3100 的光源非常弱，最佳狀態(tài)時只能輸出10 瓦的功率，是現(xiàn)在量產(chǎn)機臺（輸出功率250 瓦）的二十五分之一，而且可靠性低，經(jīng)常故障。但我相信它是可以進步的，因為研發(fā)中的下一代光源在Cymer 的實驗室里已經(jīng)演示出高于10 瓦數(shù)倍的功率，雖然只是短暫的瞬間，而不是七天二十四小時持續(xù)發(fā)光。

而且那時我們第一要關(guān)心的不是光源的輸出功率，而是光刻機臺鏡頭的解析度。鏡頭是ASML 的合作伙伴ZEISS 做的。雖然數(shù)值孔徑都是0.25，NXE：3100 的鏡頭比起ADT 來有很大的進步，我們看到它已經(jīng)可以在芯片上曝出10 納米世代需要的圖案！再者，ASML 的下一代機型NXE：3300 有更高的0.33 的數(shù)值孔徑，意味著更高的解析度。還是在蔣先生的全力支持下，我們訂購了NXE：3300，繼續(xù)往前沖。

2012 年底，張忠謀董事長問我：「你覺得EUV 成功的機率有多少？」我答「80%」，他說：「那你很樂觀噢！某人說只有50%」。回想起來，當時在大老板前面講出80% 的成功機率確實是有點膽大。但我還是信心滿滿。為什么？

義無反顧，全力以赴，合作無間

ASML 從一開始就認知到開發(fā)EUV 量產(chǎn)光刻機臺是個極高風險但又是高回報的事業(yè)。而且延續(xù)摩爾定律是它的社會責任。因為風險極高，所以ASML 的競爭對手從一開始就沒有打算要開發(fā)量產(chǎn)的EUV 技術(shù)。它的社長對我說：「EUV 是不會成功的；ASML 會蝕掉所有的開發(fā)成本」。其實那時有這樣的想法是很正常的，持這樣觀點的人也很多。

但ASML 不是一般的公司。決定它在EUV 光刻機臺技術(shù)上成功的因素有三個：

決定開發(fā)EUV 光刻機臺后，公司將全力以赴，投入了所有可能的資源來降低風險，使它成功。

技術(shù)長Martin van den Brink 親自掛帥，事無巨細，都一一過問。

和像臺積電這樣的重要客戶共同開發(fā)。

對臺積電來說也一樣。因為已經(jīng)決定了，就要全方位的投入。蔣先生和我們分享過這樣一段話：「我一生中做過許多技術(shù)方面的決定。我決定的方向可能當時來說不是最好的。但是我一旦決定了，就會把所有的資源投入到那里，讓它成功。另一個或許是當時更好的方向已經(jīng)無關(guān)緊要了，因為它已經(jīng)出局了」。

我義無反顧，全心全意地投入EUV 的開發(fā)。每天一定會穿好無塵衣進入無塵室去看我的機器：了解它們的狀況，做出相應(yīng)的決定。公司內(nèi)部有人說我是公司里唯一一位每天進無塵室的處長。不知是褒義還是貶義。但我知道：絕對不能只聽報告，然后在辦公室或會議室里隔空指揮，特別是當機器的可靠性還很低時。為了讓機器的利用率達到最高，我需要看了機器當時的狀況后，決定讓它接著曝實驗芯片，或是把它拉下來做機器本身的實驗。為了趕進度，我們和ASML 共同開發(fā)：很多實驗都是在荷蘭或美國初步進行一下，然后直接在臺積電的3300 光刻機臺上完成的。

在通往量產(chǎn)的路上，人們最擔心的是光源的輸出功率是否最終能達到250 瓦。這是量產(chǎn)機臺所必須有的。因為單價很高，EUV 光刻機臺要有高的稼動率來壓制芯片的生產(chǎn)成本。上面提到，光刻機臺最要緊的是鏡頭的解析度。那時ZEISS 做的鏡頭已經(jīng)不是問題。光源的輸出功率變成了主要問題。

2013 年十月底，我們的第一臺NXE：3300 開始曝光，但從十一月開始的好長一段時間，光源的功率都無法超越10 瓦。透過不斷的實驗，到了2014 年第二季，功率爬到了40 瓦左右。然后接著一連串的實驗都沒法讓它繼續(xù)提升：主要表現(xiàn)在高于40 瓦輸出功率的穩(wěn)定性欠佳。整個夏天，我們和ASML 在新竹、荷蘭、美國不停地做實驗。

EUV 光的產(chǎn)生是用二氧化碳激光每秒5 萬次去轟擊液態(tài)錫滴。出來的EUV 光通過一個直徑為0.65 公尺的橢球反光鏡送進光刻機臺里頭。錫滴位于橢球反光鏡的一個焦點，機器的進口位于它的另一個焦點。所以，保持這塊反光鏡不被霧化就成了關(guān)鍵中的關(guān)鍵。

為什么會霧化？因為錫滴被激光轟擊后氣化，在腔內(nèi)擴散，會沉積在鏡子上。因此，我們在反光鏡周圍輸入氫氣。EUV 光能把氫分子分離為氫原子。而氫原子又能與錫結(jié)合，變成氣態(tài)的氫化錫，然后被抽出腔體。不讓反光鏡霧化的關(guān)鍵是把二氧化碳激光的功率，氫氣的流量和氫氣的壓力調(diào)到最佳組合。當然還有其他關(guān)鍵的地方。總之，這個十億美元的游戲就是要怎樣把EUV 光的穩(wěn)定的輸出功率調(diào)高，再調(diào)高，調(diào)得更高。

EUV光源

2014 年10 月的一個晚上是個分水嶺。 那晚我在公司餐廳匆匆用了餐，就進入無塵室和ASML 的伙伴們一起用Cymer 那里先調(diào)出來的初步數(shù)據(jù)做一個嶄新的實驗。 經(jīng)過參數(shù)的微調(diào)，輸出功率持續(xù)上升。 九點過后，我們第二臺3300 上的EUV 光源第一次輸出了90瓦的穩(wěn)定功率。 這是全世界的第一次！ 能達到90 瓦，250 瓦就希望很大，因為只差不到三倍，而我們已經(jīng)從10 瓦走到了90 瓦，那是九倍。 我立即意識到，EUV 光刻技術(shù)的量產(chǎn)應(yīng)該會成功。 頓時一股暖流涌上心頭，我一生都會記得那一個晚上。

接下來的任務(wù)更加艱巨：為了證明光源的輸出功率不只是最佳的的實驗數(shù)據(jù)，我被長官要求證明這部光刻機臺能連續(xù)一個月平均每天曝光五百片芯片。我去和ASML 商量。我們決定：加快步伐把錫滴管和橢球反光鏡的更換頻率降低，因為它們的更換在那個時候需要幾十個小時。期間光刻機臺不能曝光。其中最重要的改進是把錫滴的體積減半，來減少錫滴管的消耗及橢球反光鏡的污染，從而降低它們的更換頻率，但不能讓每次激光轟擊產(chǎn)生的EUV 能量降低。

臺積電和ASML 成立了One Team，日夜不停地改進光源的各項參數(shù)。這項任務(wù)在2015 年上半年完成了。在那之后，One Team 在各個方面都取得了進步，包括一次又一次地改進各項參數(shù)來延長反光鏡的壽命。在這里我要感謝我以前的EUV 研發(fā)團隊及和我們緊密合作的ASML 的伙伴──我現(xiàn)在的同事們。

打造一個全新的生態(tài)系統(tǒng)

以上的工作是艱難的，但是還是不足的。EUV 光刻量產(chǎn)技術(shù)是到目前為止半導(dǎo)體工業(yè)最大的開發(fā)計劃，它的成功需要整個半導(dǎo)體業(yè)界的力量。為了說服ASML 開發(fā)，從2013 年起的五年內(nèi)，臺積電、三星、英特爾加在一起付給了ASML 超過十億歐元研發(fā)費用來共襄盛舉。為了達成此任務(wù)，ASML 援助它的供應(yīng)商：2012 年，它花了二十五億美元收購了美國Cymer 公司；2016 年，它花了十億歐元入股德國ZEISS 公司，并在之后的六年內(nèi)提供ZEISS 七點六億歐元研發(fā)費用。這些舉動都是為了確保EUV 光刻技術(shù)的成功。

要成功將EUV 技術(shù)導(dǎo)入芯片的量產(chǎn)階段，除了光刻機臺外，還需要開發(fā)一個EUV 光刻技術(shù)專門的生態(tài)系統(tǒng)。這個系統(tǒng)包括光阻與光罩。其實光罩本身就是一個子系統(tǒng)，它在臺積電的開發(fā)也是由我負責。

當初，雖然193 納米光阻那時已是成熟的技術(shù)，也是日本供應(yīng)商的天下，但是由于已看到EUV 要走到量產(chǎn)不是一、兩年的事，一般光阻供應(yīng)商都不愿意在EUV光阻上投入太多資源。唯有JSR 有戰(zhàn)略眼光。在小柴社長的支持下，我們和JSR 進行了長期的不間斷的合作，確保了我們的EUV 光刻機臺有光阻可用，以及EUV 光阻本身的開發(fā)。

光罩技術(shù)的開發(fā)更加困難。唯二的光罩基材（maskblank）供應(yīng)商也是日本公司。這里要提一下Hoya 公司。我們努力地合作，但它做的EUV 光罩基材一開始充滿了缺陷。而且它自己沒法全然知道，因為它自己的檢測設(shè)備解析度沒有我們的高。所以他們的工程師要靠我們的反饋來改進他們的制程。Hoya 的光罩基材事業(yè)部部長堀川先生提出請求，讓我們每個月能有固定的采購來維持它小小的EUV光罩基材生產(chǎn)線。為了量產(chǎn)，不能只用實驗室里做出來的東西; 有了生產(chǎn)線，制程才能改進。

我們答應(yīng)了他的請求。為了提高光罩基材缺陷的檢測解析度，我們和KLA 的工程師合作，把一臺光罩檢測機改良為光罩基材缺陷專用的檢測機。然后我們可以一次次地反饋給Hoya 的工程師們，而他們就按照我們的反饋調(diào)參數(shù)，又一次次地把新的光罩基材送過來。到了2016年，光罩基材的缺陷已經(jīng)降到十到二十顆左右。

我們也和本地供應(yīng)商合作，例如和家登精密合作開發(fā)EUV 用的雙層光罩盒。與此同時，臺積電2011 年加入的國際半導(dǎo)體聯(lián)盟SEMATECH 及日本半導(dǎo)體聯(lián)盟EIDEC，也來共襄盛舉。這兩個組織都百分之百致力于EUV 生態(tài)系統(tǒng)的開發(fā)。ZEISS 的EUV AIMS 光罩影像機及Lasertec 的EUV 光罩基材檢測機器就是在這些聯(lián)盟的資助下完成開發(fā)的。

總之，EUV 量產(chǎn)的開發(fā)是光刻機臺加上生態(tài)系統(tǒng)再加上制程的開發(fā)，缺一不可。在這里應(yīng)該感謝以前臺積電EUV 團隊里的每一位成員的辛勤付出，ASML 同事們頑強的拼搏，其他半導(dǎo)體公司的相關(guān)研發(fā)人員的不懈努力，以及所有開發(fā)EUV 相關(guān)技術(shù)的供應(yīng)商及研究單位。EUV 量產(chǎn)的成功歸功于我們的共同努力，唯有如此，這個技術(shù)才有成功的今天。

2015 年春SPIE 國際光電工程學(xué)會年會上有人問我：「你們的B 計劃是什么？」我回答：「我們沒有 B 計劃」，因為那時我已堅信我們的A 計劃會成功。

EUV 挽救了摩爾定律

二十多年的前期研發(fā)不算，僅量產(chǎn)用的EUV 光刻技術(shù)的開發(fā)就走了足足十二年。ASML 更是直接投入了大量人力物力，這還不算ASML 在光刻機臺方面多年的技術(shù)積累和產(chǎn)業(yè)界的全力合作。所以大事業(yè)的成功是成年累月不懈的努力。是不可能一步登天，一蹴而就的。

EUV 光刻技術(shù)最終是成功了。摩爾定律的生命被延續(xù)了。不然，集成電路的進步會在2018 年量產(chǎn)的7 納米那代就嘎然而止了。而現(xiàn)在呢，EUV 光刻技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于7 及5 納米世代的量產(chǎn)。2020 年十月，臺積電魏哲家執(zhí)行長宣布：3 納米世代將于2022 年下半年投入量產(chǎn)。正如193 納米浸潤式光刻技術(shù)讓摩爾定律延續(xù)了十年（五個世代的集成電路），EUV 光刻技術(shù)也將會讓摩爾定律至少延續(xù)再一個十年。屆時，集成電路制造已經(jīng)走到了埃米世代了。

原文標題：挽救摩爾定律：EUV光刻機20年量產(chǎn)歷程

文章出處：【微信公眾號：傳感器技術(shù)】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

責任編輯：haq