EUV光刻机将走向何方?ASML是这样看的!

来源:本文由公众号半导体行业观察(ID:icbank)翻译自「fuse.wikichip」,作者David Schor,谢谢。在上周的Semicon West,ASML提供了有关当…

来源:本文由公众号半导体行业观察(ID:icbank)翻译自「fuse.wikichip」,作者David Schor,谢谢。
在上周的Semicon West,ASML提供了有关当前EUV系统以及正在开发的0.55high-NA系统的最新信息。
Anthony Yen是ASML的全球技术开发中心副总裁兼负责人。在过去的两年里,我们必须在各种会议上参加十几场演讲。他总是以同样的话语开场:“EUV几乎已经为量产做好了准备。”这次是不同的。
“截至目前,EUV正在量产中。”
ASML本周早些时候召开了财报会议。他们今年又推出了7套NXE:3400B系统,共计11套新设备。这使得该领域的EUV系统总数达到50套,尽管并非所有机台都被认为具备量产能力。ASML预计,第三季度将增加7台新设备,到第四季度将增加12台新设备,到今年年底,设备总数将达到30台。
主要模块
当提到当前3300/3400系统的主要模块时,有一些关键组件。如液滴发生器(droplet generator),锡液滴就是从这里产生的。这些液滴被击中,激发产生EUV等离子光波,并被定向到中间的焦点。
这里,我们需要特别关注一些影响系统正常运行时间和光源效率的关键因素。为了改进这个系统,需要一个高功率CO2激光器,CO2激光器生成的激光将轰击锡滴激发生成EUV等离子光源。在这样的工作机制情况下,需要高转换效率和高收集效率。这是通过椭球体EUV光源采集电镜完成的。在生成EUV等离子光源时,需要发生两次激光轰击,第一次是CO2激光击中锡液滴使之变形扁平化,第二次是再次轰击变形的液滴激发生成等离子光波。最后,没有被击中的液滴将被液滴收集器收集起来。因此,提高转换效率和降低光刻胶曝光能量是量产的关键。
在实验室里,Yen报告说ASML已经实现了超过300瓦的光源功率。目前客户现场安装的光源功率仍为250w。在250w的功率下,客户可以达到每小时155片晶圆的最大产量。今年早些时候,英特尔的Britt Turkot在2019年EUVL研讨会上证实了这些数字。
阻碍系统可用性与可靠性的组件之一是液滴发生器。据ASML报道,自2014年以来,液滴发生器的连续无故障工作时间从2014年的100小时左右增加到2019年的1000小时以上。自去年以来,他们已经把液滴发生器的寿命提高了30%。值得注意的是,还可以在其他方面进行改进。例如重新注满锡罐还需要额外的停机时间。稍后您将看到,这将在今年晚些时候得到解决。
另一个需要关注的领域是EUV光源收集器本身。这是一个650毫米直径的多层梯度反射镜,旨在最大限度地提高反射率。这里的关键问题是如何保持它尽可能的干净,防止它雾化或受到污染。随着他们目前的客户安装了NXE:3400B系统,Yen报告说每千兆脉冲的有效功率衰减率约为0.15%。ASML希望在相同功率(250 W)的情况下将其降低到0.1%/GP以下,所以他们是可以达到这个目标的。
今天,收集器遵循一个相当可预测的寿命,其衰减趋势大致为线性。一旦收集器被充分衰减,就需要更换它。这本身就是个问题。几年前,这可能需要长达一周的时间。今天,它仅需要一天多一点的时间。ASML打算在下一代NXE:3400C将这一过程缩短到8小时以内。
所有这些改进都为目前安装的EUV设备中机况最差的20%的机台提升到70%左右的正常运行时间,而机况最好的20%的机台正常运行时间(up time)接近85%。他们的目标是超过95%的正常运行时间(up time),这就是今天所有DUV设备所能达到的标准正常运行时间(up time)。
NXE:3400C
今年下半年,ASML将开始推出他们的下一代EUV系统。NXE:3400C是一个进阶的平台,旨在进一步解决前面描述的一些缺陷。这个新平台在20毫焦/平方厘米的曝光能量下额定生产率可以达到每小时175片晶圆。在第二季度财报会议上,ASML报告说,该系统在实验室中,采用与客户相同的生产条件下运行,以175 WPH(每小时产出率),达到了每天2000片晶圆的连续曝光产能。
新系统的一个特点是组件模块化,经过重新设计,更容易维护。Yen说,他们希望这套系统能将收集器的更换时间从一天多一点减少到少于8小时。此外,他们还改变了液滴发生器的灌装程序。重新充满气罐不再需要关闭系统电源,完成后再使系统重新联机。现在可以通过内联方式重新填充新系统。总之,结合所有这些变化,他们希望达到95%的正常运行时间目标。
EUV Pellicle
EUV的另一个问题是杂质颗粒物带来的光罩掩膜版表面缺陷。Yen报道说,当涉及到光罩区域的清洁度时,它们每10,000次曝光接近1个杂质颗粒物。
对于每10000次暴露中甚至不能容忍一个杂质颗粒物的客户,可以选择EUV光罩保护薄膜。这是一种超薄透明膜,覆盖在掩模上,旨在防止杂质颗粒物直接到达掩模。虽然这有助于弥补缺陷,但目前使用薄膜的问题是透光率下降。当一些EUV光被薄膜吸收时,就意味着能量的丧失。这方面的进展极为缓慢。在过去的一年半里,平均透过率只提高了3.5%到83%。业界的目标是超过90-93%的透光率,但目前还不清楚该行业将如何达到这一目标。

High-NA systems
再进一步看,ASML已经开始使用 high-NA高数值孔径系统。第一套系统预计要到2021年底才能交付使用。high-NA系统比目前的3400系统更大、更重。这台机器使用了一个明显不同的镜头系统,它使用了0.55 NA的形变镜头。这些镜头的成像解析能力目标为半周期8纳米的光刻图形feature size,新的镜头系统在x方向上放大4倍,在y方向上放大8倍。由于这种镜头设计是半光场成像的,因而特别增加了几个额外的工件台stage来增加运动速度。
有一件事不会随着High-NA 系统而改变,那就是源代码仍然与3400系统兼容。值得指出的是,在High-NA 系统中,与现在的情况相比,光源的实际入射角实际上会相对应的减小因而更加水平,这将使他们能够移除一面镜子。其效果类似于将功率提高30%以上。
增加镜头的放大倍率是为了减少阴影效果。然而,水平与垂直方向的4x / 8x , 1:2放大率的设计将影响电路设计本身。使用标准的6英寸光掩模,在标准0.33 NA机器上,您可获得水平/垂直方向对称的4x / 4x光罩,这意味着26mm*33 mm的全光场,最大光罩曝光面积尺寸为858mm2。对于采用形变光学器件的0.55 NA,您在y方向上是8倍成像,因此您的曝光光场就将减半。对于电路设计人员而言,这意味着有效曝光面积将减小为26mm x 16.5 mm ,最大光罩曝光面积尺寸为429mm2。向我们已经习惯的英特尔和英伟达的超大面积芯片说再见。当然,这是众所周知的,这也是为什么先进封装已经成为一个如此重要的话题。顺便说一下,现在减半的有效曝光区域,会对单位生产率产生影响。这在一定程度上是通过实现2倍曝光扫描速度来解决因为high NA光刻机系统所带来的2倍的曝光次数。
正在进行的基础设施设计-High-NA掩模和光刻胶
目前,与基础设施相关的主要挑战仍然存在。用于High-NA的光罩掩膜版基础设施还没有出现。下面列出了掩模生产中必须处理的所有工序中的一些主要需求。
一个值得注意的问题前面提到的是光罩掩模的3D效应,这是之前谈到的。它需要新型吸收层设计,以减小光罩3D效应。当芯片设计人员完成集成电路设计时,设计图形从文件传输到光罩掩模。这个掩模作为一个主模板,光刻机可以通过光刻机重复曝光成像在一片晶圆片生成多个相同的重复的芯片图案。通常,这是通过光罩掩模投影成像来完成的。这个过程非常像一个典型的投影仪,除了缩小成像的方式(从一个大的图像缩小成像得到一个小的图像)。对于EUV来说,光罩掩模与传统光罩成像是非常不同的。这里,EUV掩模实际上是基于镜像类型的反射式成像。通过使用吸收材料和抗反射涂层(ARC)在掩模上“绘制”不同的电路图案。吸收材料和抗反射图层位于掩膜版镜面顶部,呈三维结构。
在曝光过程中,当光线照射到掩模版上(通常以一个很小的角度,大约6度),有时这些3D结构的反射会导致阴影效果和像差。
虽然这一问题早已为人所知,但研发主要集中在EUV的其他方面,如主模块和光源。此外,这种效应在7纳米节点上也没有太大的问题。然而,随着向5纳米和3纳米方向发展,掩模3D效果将会更加明显。
光刻胶的研发与High-NA掩模处于同一情景。还有很多事情要做。
用于 High-NA系统的500 W功率
再看远一点。Yen说,在他们位于圣地亚哥的实验室里,ASML已经成功达到了450瓦的光源功率。“当我们的High-NA光刻机出现时,我确信我们将超过500瓦,”他补充说。500 W大约可以允许ASML在其High-NA半场成像光刻机上在60毫焦/平方厘米曝光能量条件下,达到150 WPH每小时生产率。
**点击文末阅读原文,可阅读英文原文。
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