用于高端邏輯半導體量產的EUV(Extreme Ultra-Violet，極紫外線光刻)曝光技術的未來藍圖逐漸“步入”我們的視野，從7nm階段的技術節(jié)點到今年(2019年，也是從今年開始)，每2年~3年一個階段向新的技術節(jié)點發(fā)展。

　　高端邏輯半導體的技術節(jié)點和對應的EUV曝光技術的藍圖。

　　也就是說，在EUV曝光技術的開發(fā)比較順利的情況下，5nm的量產日程時間會大約在2021年，3nm的量產時間大約在2023年。關于更先進的2nm的技術節(jié)點，還處于模糊階段，據(jù)預測，其量產時間最快也是在2026年。

　　決定解像度(Half Pitch)的是波長和數(shù)值孔徑、工程系數(shù)

　　技術節(jié)點的發(fā)展推動著半導體曝光技術解像度(Half Pitch)的發(fā)展，ArF液浸曝光技術和EUV曝光技術等的解像度(R)和曝光波長(λ)成正比，和光學的數(shù)值孔徑(NA，Numerical Aperture)成反比，也就是說，如果要增大解像度，需要在縮短波長的同時，擴大數(shù)值孔徑。

　　實際上，解像度和被稱為“工程系數(shù)(k1)”的定數(shù)也成一定的比例關系。如果降低工程系數(shù)，解像度就會上升。但是，工程系數(shù)如果降低到最小極限值(0.25)，就無法再降低了。

　　ArF液浸曝光技術、EUV曝光技術中的解像度(Half Pitch)(R)和波長、數(shù)值孔徑(NA)、工程系數(shù)(k1)的關系。

　　在ArF液浸曝光技術、EUV曝光技術中，光源的波長是固定的，無法改變。順便說一下，ArF液浸曝光的波長是193nm，EUV曝光的波長是13.5nm。兩者有超過10倍的差距，單純計算的話，EUV曝光絕對是占優(yōu)勢。

　　對ArF液浸曝光技術以前的光制版(lithography)技術來說，提高數(shù)值孔徑是提高解像度的有效手段。具體來說，就是通過改良作為曝光設備的Stepper和Scanner，來提高數(shù)值孔徑。

　　與之相反，運用EUV曝光技術的話，不怎么需要改變數(shù)值孔徑，EUV曝光技術利用X線的反射光學系統(tǒng)，光學系統(tǒng)擁有非常復雜的構造，同時光學系統(tǒng)的變化也會伴隨著巨額的開發(fā)投資。所以，過去一直以來EUV曝光設備方面從沒有更改過數(shù)值孔徑。最初的EUV scanner的數(shù)值孔徑是0.25，現(xiàn)行設備的數(shù)值孔徑是0.33，不管怎么說，和ArF Dry曝光技術的最高值(0.93)相比，都是很低的。

　　正如在本欄目中去年(2018年)12月報道的一樣(使用EUV曝光的高端邏輯半導體和高端DRAM的量產終于開始了!)，用于量產7nm的最尖端邏輯半導體的EUV scanner--“NXE:3400B”內置的數(shù)值孔徑是0.33。

　　而且，今后數(shù)年內，都會在使用數(shù)值孔徑為0.33的EUV scanner的同時，提高解像度。換句話說，也就是通過使用同樣數(shù)值孔徑的曝光設備來使解像度(Half Pitch)更細微化。

　　通過階段性地降低工程系數(shù)來提高解像度

　　所以，很多用來提高細微化的辦法都被限制了，因為波長和數(shù)值孔徑是固定的，剩下的就是工程系數(shù)。光學方面，通過降低工程系數(shù)，可以提高解像度。和ArF液浸曝光技術一樣，通過和Multi-patterning 技術組合起來，就可以達到實質上降低工程系數(shù)的效果。而且，機械方面，有必要降低曝光設備的重合誤差。

　　提高EUV曝光技術的解像度的方法(2019年以后)

　　據(jù)EUV曝光設備廠商ASML說，他們把未來EUV曝光技術方面的細微化工作分為“四代”?，F(xiàn)行技術水平是第一代，同時也是7nm邏輯半導體的量產是用的技術。工程系數(shù)是0.45左右。

　　第二代是把工程系數(shù)降低到0.40以下，通過改良曝光技術的硬件(光學方面)和軟件(阻焊層，resist)得以實現(xiàn)。其技術核心也不過是改良現(xiàn)行技術。

　　第三代是把工程系數(shù)降低到0.30以下，要得以實現(xiàn)，只改良現(xiàn)行技術比較困難，需要導入像Multi-pattering、新型mask材料、新型resist材料等這些基本要素。

　　第四代，由于工程系數(shù)無法再降低，所以開發(fā)新的光學系統(tǒng)，它可以數(shù)值孔徑提高到0.55。

　　EUV曝光設備廠家ASML公布的EUV曝光技術的發(fā)展。

　　ASML公布的技術發(fā)展資料里面沒有提到工程系數(shù)的具體數(shù)值，不過我們把工程系數(shù)的假設值放進去計算了一下，看看解像度可以提到何種程度，現(xiàn)行(第一代)的工程系數(shù)是0.46，其對應的解像度(Half Pitch)是19nm。

　　假設第二代的工程系數(shù)為0.39，對應的解像度為16nm，如果是最先進的邏輯半導體的技術節(jié)點的話，可以適用于7nm~5nm的量產品。

　　假設第三代的工程系數(shù)是0.29，對應的解像度是12nm，如果是最先進的邏輯半導體的技術節(jié)點的話，可以適用于5nm~3nm的量產品。

　　由于第四代大幅度更改了數(shù)值孔徑，工程系數(shù)假設為0.46，和第一代相同。假設數(shù)值孔徑為0.55，工程系數(shù)即使增加為0.46，相對應的解像度也和第三代基本相同，為11.3nm，可以適用于5nm~3nm的量產品。

　　EUV曝光技術發(fā)展和解像度的發(fā)展。以EUV曝光機廠商ASML發(fā)布的數(shù)據(jù)為基礎作者推測的數(shù)字。

　　把Multi-patterning(多重曝光)導入到EUV曝光技術里

　　不需要改良光學系統(tǒng)和阻焊層(resist)等曝光技術，把工程系數(shù)k1實質性地降低的辦法----Multi-patterning(多重曝光)技術。正在討論把ArF液浸曝光方面廣泛普及的多重曝光技術應用到EUV曝光技術里。

　　比方說，兩次曝光就是導入LELE技術，即重復兩次Lithography(L)和Etching(E)，如果把LELE技術導入到工程系數(shù)為0.46的EUV曝光技術(數(shù)值孔徑為0.33)上，解像度會變?yōu)?6nm，這和把單次曝光時的工程系數(shù)降到0.39得到的效果一樣。

　　三次曝光，即導入LELELE技術，重復三次Lithography(L)和Etching(E)，再次降低解像度，為12nm，這和把單次曝光時的工程系數(shù)降低到0.29得到的效果一樣。

　　但是，利用多重曝光技術的話，“吞吐量(through-put)”會大幅度降低，單次曝光(SE技術)的晶圓處理數(shù)量約為130片/小時，兩次曝光(LELE)曝光的話，下降為70片/小時，三次曝光(LELELE)曝光的“吞吐量”下降為單次的1/3，為40片/小時。

　　聯(lián)合運用EUV曝光和多重曝光的解像度和“吐出量”的變化(k1是0.46)，作者根據(jù)ASML公布的數(shù)據(jù)總結的數(shù)字。

　　總結一下，新型的5nm技術有兩個方向，第一、維持著單次曝光技術的同時，把工程系數(shù)下降到0.39;第二、通過利用兩次曝光(LELE技術)技術，實質性地降低工程系數(shù)。兩個的解像度都是16nm，預計量產開始時間為2021年。如果采用兩次曝光技術，預計量產時間可以提前到2020年。

　　第三代的3nm技術的節(jié)點稍微有點復雜，有三個方向：第一、把單次曝光的工程系數(shù)維持為0.29;第二、聯(lián)合兩次曝光(LELE技術)和把工程系數(shù)改為0.39的曝光技術;第三、利用三次曝光(LELELE)技術。三個方向的解像度都是12nm，預計量產時間為2023年。但是，如果采用三次曝光的話，量產時間有可能再提前。

　　關于第四代2nm技術節(jié)點，如果用數(shù)值孔徑為0.33的EUV曝光技術估計很難實現(xiàn)。應該是期待把數(shù)值孔徑提高到0.55的EUV曝光技術。

　　EUV曝光設備的組合運用，繼續(xù)改良精度和生產性能

　　EUV曝光技術的開發(fā)方面最重要的是EUV曝光設備(EUV scanner)的改良。EUV曝光設備廠商ASML已經公布了繼用于現(xiàn)行量產品7nm的EUV scanner--“NXE:3400B”之后的開發(fā)藍圖。

　　據(jù)ASML的技術藍圖預測，以“NXE:3400B”為基礎，首次開發(fā)降低重合誤差的版本，后面是以“降低重合誤差版本”為基礎，開發(fā)提高“吐出量”(生產性能)的版本。預計在今年(2019年)的上半年，完成這些改良。

　　基于以上改良成果的新產品“NXE:3400C”預計會在今年年末開始出貨，預計“NXE:3400C”將要“擔任”5nm的量產工作。

　　而且，降低重合誤差的同時，還要開發(fā)提高產能的新版本，ASML還沒有公布新版本的型號，出貨時間預計在2021年的下半年，新版本應該會承擔3nm的量產工作吧。

　　EUV曝光設備(EUV scanner)的開發(fā)藍圖，作者根據(jù)ASML公布的數(shù)據(jù)匯總的。

　　EUV曝光設備的開發(fā)藍圖，摘自2018年12月ASML在國際學會IEDM上發(fā)布的論文。

　　新一代用于量產的EUV曝光設備(EUV scanner)“NXE:3400C”的概要，出自ASML在2018年12月國際學會IEDM的演講資料。

　　這些曝光設備基本都是搭載了數(shù)值孔徑為0.33的光學系統(tǒng)。ASML同時也在致力于開發(fā)把數(shù)值孔徑提高到0.55的EUV曝光設備。

　　被ASML稱為“High NA”的、數(shù)值孔徑為0.55的EUV scanner的出貨時間預計在2023年的下半年，首批試驗設備預計在2021年年底做成。關于“High NA”設備的開發(fā)情況，我們后續(xù)會繼續(xù)報道。