挺进次世代：ASML披露更多EUV光刻机研发新进展

在最近举办的SPIE高级光刻技术会议上，尽管EUV光刻工具的发展现状仍显得不够成熟，但目前唯一一家推出商用EUV光刻设备的厂商ASML还是给我们带来了一些下一代EUV光刻机的新信息，而我们也趁此机会给大家总结一下ASML已经上市和正在研发阶段的EUV光刻机的部分性能参数。IMEC工作人员正在安装NXE:3100如我们以前介绍的那样，ASML目前上市的试产型EUV光刻机型号为NXE:3100，这款机型号称最高成像能力为18nm，尽管这款机型在曝光功率和产出量方面还存在一些问题，但ASML表示他们会进一步优化下一代机型的性能，他们预定于2012年推出3100的后续机型。我们先来看看他们刚刚推出的试产型NXE:3100机型的情况，之所以称为“试产型”，主要是因为这款机型在产出量方面还不能达到芯片制造厂商量产芯片时的产出量要求。NXE:3100机型的主要客户和光源系统/产出量指标：目前已经有两台NXE:3100在客户处安装完成，其中首家安装的客户是三星公司，第二家则是比利时的IMEC研究机构。需要说明的是，目前ASML公司有两家EUV光源供应商，其一是Cymer公司，他们生产的EUV光源系统采用的是LPP激光等离子体光源，这种光源使用高功率激光来加热负载产生等离子体，据ASML透露，目前Cymer提供的光源系统其持续曝光功率为11W；另外一种则是Ushio生产的基于DPP放电等离子体技术的光源系统，这种光源利用放电来加热负载(极微小的锡滴)产生等离子体，据ASML称Ushio正在开发过程中的一套DPP光源系统的曝光功率可达12W。而三星公司安装的那台NXE3100配用的是Cymer的光源系统，IMEC的那台则采用Ushio的光源系统。另外还有一家生产EUV光源系统的主要厂商Gigaphoton，据ASML公司透露，这家公司制造的EUVLPP光源系统据称曝光功率可达20W左右。接触孔(contacthole)的形状据说三星采购这台EUV光刻机的目的是准备将其用于内存芯片的生产制造，原因是如果使用193nm液浸光刻+双重成像技术来制造更高密度的内存芯片中的接触孔结构，其制造成本会很高，因此三星正在寻找其它的制造方案。产出量方面，NXE3100机型到今年年底可实现60片晶圆/小时的产出量，而目前则每小时只能加工出5片晶圆。按照ASML公司高级产品经理ChristianWagner的说法，只有将光源的持续曝光功率提升到100W等级，才有望实现60片/小时的产出量目标。而按KLA-Tencor公司高管的说法，EUV光刻机的每小时产出量必须能维持在80片晶圆，光刻机厂商才有可能从中获得稳定的收入。NXE3100其它主要技术参数：其它参数方面，按照ASML公司高级产品经理ChristianWagner的说法，NXE:3100分辨率可达27nm级别，可以成像的最小线宽尺寸和最小线间距尺寸则达到27/24nm，最小接触孔(contacthole)的孔径尺寸则为30nm；数值孔径则为0.25，曝光视场尺寸则为26mmx33mm(原文为26nm，似乎有误)，套刻误差为4nm，杂散光斑比例（Flare）为5%。Wagner还表示，NXE:3100光刻机目前已经可以刻制出32/40nm直径尺寸的接触孔。而如果使用偶极离轴照明式分辨率增强技术(dipoleresolutiontechnique)，系统的分辨率还可以进一步提高到可刻制直径在20nm以下的接触孔结构。至于在逻辑器件中的应用，这款机器则据称可用于制造18nm制程的SRAM芯片。NXE3100售价及主要客户：价格方面，NXE:3100机型的售价据称约在1亿美元左右。光是EUV光刻工具一项业务，ASML公司目前为止从中获利的数额便已经达到了10亿美元之巨。除了三星和IMEC两家客户之外，还有另外四家公司也已经向ASML公司订购了NXE:3100机型，这四家公司分别是Intel，台积电，韩国Hynix以及日本东芝公司。而Globalfoundries公司则跳过了NXE:3100，已经提前订购了ASML尚未开发完成的量产型NXE:3300机型。下一代机型NXE3300B的主要技术指标及订货状况：据ASML表示，NXE:3100之后，他们还在开发其下一代可供量产的机型NXE:3300.该机型的初始型号将命名为NXE:3300B，这款机型数值孔径NA为0.33(原来计划的NA值为0.32，不过ASML公司后来提升了这项规格)，图像解析度可达22nm(原文为0.22nm，似乎有误)。该机型的产出量目标是每小时加工125片晶圆，这意味着其所配套的光源的持续功率必须达到250W。目前ASML公司已经收到了10份这款机型的订单。附：ASML开发的各型EUV光刻机参数汇总对比：说明：1-ADT指Alphademotool，是ASML出品的第一代EUV光刻试验机型；2-所谓常规照明形式，即指没有应用离轴光照技术的情况；2-所有三台机型均采用双工作台设计.GlobalFoundries公司的光刻技术专家ObertWood在最近召开的高级半导体制造技术会议ASMC2011上表示，尽管业界在改善EUV光刻机用光源技术方面取得了一定成效，但光源问题仍是EUV光刻技术成熟过程中最“忐忑”的因素。ObertWood现在GlobalFoundries任职技术经理，负责管理光刻技术的研发，同时他还在Albany研发技术联盟中担任管理职务。他早年还曾在贝尔实验室工作了30多年，而贝尔实验室则是最早开始支持EUV光刻技术的单位之一。EUV光刻技术所使用的光波波长要比现用的193nm光刻技术降低了15倍以上，仅13.4nm。Wood表示，目前EUV光刻机可用的光源及其功率等级有：1-Cymer公司生产的可用功率为11W的激光等离子体光源（LPP）；2-Xtreme公司生产的可用功率为7W的放电等离子体光源（DPP）；3-Gigaphoton公司生产的LPP光源。他同时提醒与会者注意，光源设备生产公司在宣传和销售光源产品时，应当标出光源的有用功率而不是用峰值功率或其它功率来忽悠客户。EUV光源功率问题仍然令人担忧：会上他还表示，EUV光刻机光源的可用功率必须增加到100W级别才能保证光刻机的产出量达到60片每小时，这也是芯片商业化生产的最低产出量要求，“然而，按目前EUV光源的研发状态，只能够达到每小时5片晶圆的产出量水平。”除了最近举办的ASMC2011之外，即将于7月13日开幕的SemiconWest大会上，EUV光刻技术研发的各界人士还将对这项技术的最新发展状态进行汇报。这次会议上将设置一个“高级光刻技术”的研讨环节，该环节则会邀请4位业内专家讨论EUV光刻技术的光源，光刻机本体，光掩膜板技术等方面的最近进展.另外这次会议上来自Cymer，XtremeTechnologies，ASML以及Sematech组织的多位技术专家将举办多场与EUV光刻技术的演讲汇报会。ASML公司已经售出了三台NXE:3100试产型EUV光刻机（严格地说应该是已经完成了在客户厂房内安装3台NXE:3100的任务），在推出升级版本的正式量产型NXE:3300B机型前，他们的计划是将NXE:3100机型的销售量增加到6台或7台水平,NXE:3300B机型的产出量预计为125片晶圆每小时。EUV光刻两种光源流派：LPP与DPPWood表示，在未来的几年内，EUV光源设备的可用功率必须进一步增加到350-400W水平。他并认为LPP光源在功率拓展方面的优势更大，但是设备的复杂程度也更高；而DPP光源则主要在设备寿命方面存在隐患。“EUV光刻设备的产出量要达到60-100片每小时水平范围，才能满足对经济性的最低要求。而大批量生产用的EUV光刻机则需要使用400W有用功率水平的光源设备，才能保证产出量达到或超过100片每小时的水平。这就是眼下EUV光刻技术所面临的挑战。”在这样的产出量水平上，EUV光刻机本体的功率消耗约在350千瓦，Wood认为：“从生产成本上看，耗电量是光刻机的大头，但这并非不可实现。”他表示：“除了EUV耗电量之外，最大的问题就是EUV光刻用光掩膜版的衬底制作技术，以及光源功率的问题。我个人认为这两个问题是很难搞定的。”EUV与193i+DP的实际成像对比EUV光刻技术相比现有的193nm液浸式光刻+双重成像技术（以下简称193i+DP）的组合在刻制小尺寸图像时有许多优点，这些优势不仅仅存在于与193i+DP技术昂贵的成本的对比中。Wood在会上展示了两张分别使用193i+DP和EUV光刻机刻制的电路图像，并称EUV光刻机在系统的k1值仅0.74，NA数值孔径值为0.25的水平上，刻制出的图像要比k1值0.28，NA值1.35的193i+DP所刻制的图像质量高很多。液浸式光刻系统的k1值极限约在0.25左右，超过这个限值，光阻胶的对比度参数便会急剧下降，因此“刻制10nm制程芯片（电路图像半节距尺寸为20nm）时，要想继续使用193i光刻（原文为ArF光刻，其实就是指193nm光刻）技术，其实现难度会非常之大。”掩膜坯瑕疵问题仍需改进：另外，要制作出无瑕疵的掩膜坯（maskblank：即尚未刻出图案的掩膜板）则是另外一个EUV光刻技术走向成熟需要解决的主要问题。“经过多年研究，业内制作光掩膜衬底的瑕疵水平已经达到每片24个瑕疵，这样的瑕疵控制水平对存储用芯片的制造来说已经可以满足要求，但是仍无法满足制作逻辑芯片的要求。”并非一片漆黑：ASML历代EUV设备参数对比当然EUV光刻技术也取得了许多成效。比如ASML公司便如期完成的既定的机台制造销售计划，而IMEC,三星，Intel这三家公司则被认为是ASML生产的NXE:3100的最早一批用户。其中IMEC所安装的NXE:3100机型采用的是Xtreme公司生产的DPP光源系统；而三星所安装的那台则使用的是Cymer公司的LPP光源系统。Wood表示，这种光刻机的性能表现已经超过了人们的预期。EUV光刻机的光学路径上共设有11个反射源，每一个反射镜都必须尽可能地将照射到镜片上的光反射出去，镜片本身则要最小限度地吸收光能量。“对EUV光刻系统的镜片而言，反射率变动1%便是很高水平的变动了。”他同时赞扬了Zeiss,尼康以及佳能等镜片制作公司在这方面的优异表现。EUV技术的未来发展路径：到2013年，6反射镜设计的EUV光刻系统的数值孔径NA可从现有的0.25水平增加到0.32（通过增大镜径等手段）.再进一步发展下去，8反射镜设计，并采用中心遮拦（centralobscuration）技术的EUV光刻系统的NA值则可达到0.7左右。再进一步应用La/B4C材料制作反射镜涂层，还可以允许将EUV光刻系统的光波波长进一步减小到6.67nm。将高NA值与更短波长光波技术结合在一起，EUV光刻技术的应用可推进到10nm以上等级制程。其它好消息：除了EUV光学系统之外，光刻系统的其它领域也有望有好消息传来。比如，掩膜板技术方面，业内领先的掩膜坯提供商Hoya公司一直都在研究超低热胀率的掩膜坯材料，这种掩膜坯并不使用传统的石英衬底材料制作掩膜坯的衬底。另外，由于所用的照明光能量很容易被材料吸收，因此多年来人们一般认为EUV光刻适用的掩膜板很难通过加装掩膜板保护膜（pellicle）的方法来防止颗粒沾染。而Wood则透露，目前已经有研究人员在研制硅材质掩膜板保护膜方面取得了一些进展。对目前条件下EUV光刻系统用的掩膜板而言，平均使用25次就会沾染上一个污染物颗粒，因此需要通过特殊的清洁处理来保证掩膜板的清洁，而这种清洁处理则不仅增加了成本，而且还会影响到掩膜板的质量。最后，光阻胶方面，人们在研究不利用化学放大效应的新型光阻胶方面也有望取得新的进展。这部分研究工作主要是由Impria公司，Sematech组织以及美国劳伦斯伯克力国家实验室主导。