【EUV曝光技術(shù)】（一）最近1～2年內(nèi)決定勝負(fù)
[導(dǎo)讀]EUV曝光技術(shù)的開發(fā)變得越來越慢。最大原因在于EUV光源的輸出功率提高不上去（圖1）。處理速度（吞吐量）要達(dá)到量產(chǎn)時(shí)所需要的125枚/小時(shí)，需要將曝光裝置入光口（中間聚光點(diǎn)）的EUV光輸出功率提高至250W。而目前的輸
EUV曝光技術(shù)的開發(fā)變得越來越慢。最大原因在于EUV光源的輸出功率提高不上去（圖1）。處理速度（吞吐量）要達(dá)到量產(chǎn)時(shí)所需要的125枚/小時(shí)，需要將曝光裝置入光口（中間聚光點(diǎn)）的EUV光輸出功率提高至250W。而目前的輸出功率只有10～20W，與目標(biāo)值存在一位數(shù)的差距。雖然也有報(bào)告稱瞬間輸出功率可以達(dá)到100W，但連續(xù)發(fā)光時(shí)間（爆發(fā)時(shí)間）較短，曝光所需要的平均輸出功率只有10～20W的水平（圖2）。
圖1 最大課題是提高EUV光源的輸出功率
EUV曝光技術(shù)的最大課題是提高光源的輸出功率。量產(chǎn)需要輸出功率達(dá)到250W，而目前的數(shù)值比其低一位數(shù)。（照片由阿斯麥提供，該圖由本雜志根據(jù)各種發(fā)布資料繪制）（點(diǎn)擊放大）
圖2 EUV光的輸出功率的思路示意圖
就算連續(xù)發(fā)光時(shí)間（爆發(fā)時(shí)間）僅為1ms時(shí)爆發(fā)輸出功率可達(dá)到100W，如果占空比為10％，平均輸出功率也只有10W（a）。量產(chǎn)時(shí)需要將爆發(fā)時(shí)間延長至相當(dāng)于一次掃描時(shí)間的約400ms以上（b）。（該圖由本雜志根據(jù)西盟的資料繪制）（點(diǎn)擊放大）
EUV光的輸出功率在過去5年內(nèi)幾乎沒有增加。這是因?yàn)樵谔岣逧UV光的輸出功率之前，廠商為使光源穩(wěn)定工作而耗盡了精力。比如，阿斯麥（ASML）公司2010～2011年共出貨了6臺用來試制元件的EUV曝光裝置“NXE：3100”注1）。但是，因EUV光源無法穩(wěn)定工作，半導(dǎo)體廠商及研究機(jī)構(gòu)無法按計(jì)劃實(shí)施曝光實(shí)驗(yàn)。
注1）估計(jì)供貨對象為英特爾、三星、臺積電、東芝、韓國SK海力士及比利時(shí)IMEC。
EUV光源難以穩(wěn)定工作的原因很多，比如，長時(shí)間使其產(chǎn)生EUV光的話，光源內(nèi)就會蓄積龐大的熱量，導(dǎo)致各種參數(shù)出現(xiàn)偏差。EUV光的輸出功率越高，這種問題就越嚴(yán)重。因此，EUV光源廠商最近幾年一直在大力開發(fā)能夠使其穩(wěn)定工作的技術(shù)。這樣一來，盡管EUV光源的輸出功率基本與原來持平，但使其穩(wěn)定工作的技術(shù)取得了切實(shí)進(jìn)步。
目前，“每天可使100枚以上的晶圓穩(wěn)定曝光”（美國EUV光源廠商西盟）。以每天工作20小時(shí)計(jì)算，吞吐量相當(dāng)于5枚/小時(shí)。雖然還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到量產(chǎn)所需要的125枚/小時(shí)，但“光源不工作，曝光實(shí)驗(yàn)無法按計(jì)劃進(jìn)行”的情況正在改變。如果曝光實(shí)驗(yàn)取得進(jìn)展，光刻膠及掩模等的技術(shù)開發(fā)就會進(jìn)步。
害怕“單獨(dú)失敗”的阿斯麥
研發(fā)EUV曝光技術(shù)的企業(yè)打算在最近1～2年內(nèi)大步加快技術(shù)開發(fā)。其原因是，如果EUV曝光技術(shù)的開發(fā)再拖延下去，就相當(dāng)于自掘墳?zāi)?。?dǎo)入技術(shù)的時(shí)間越晚，分辨率及吞吐量等EUV曝光技術(shù)所要求的門檻就會越高。在此期間，利用液浸ArF曝光技術(shù)的四重（Quad）圖形技術(shù)及電子束（EB）曝光技術(shù)等競爭技術(shù)的開發(fā)向前推進(jìn)，并取代EUV曝光技術(shù)的可能性就會提高。因此，有意見稱，“如果2014～2016年不啟動EUV曝光技術(shù)，就會失去大顯身手的機(jī)會”（Gigaphoton公司EUV開發(fā)部部長助理岡崎信次）。
竭盡全力開發(fā)這種技術(shù)的是從事EUV曝光裝置業(yè)務(wù)的阿斯麥。該公司長期開發(fā)EUV曝光裝置并投入了大量資金。繼元件試制用裝置之后，該公司還打算2013年提供11臺，2014年提供4臺量產(chǎn)用EUV曝光裝置“NXE：3300B”。好像也有一家半導(dǎo)體廠商訂購多臺裝置的情況。目前阿斯麥正在制造或測試7臺NXE：3300B（圖3）。如果EUV曝光技術(shù)不成功，即便是世界第一大半導(dǎo)體制造裝置廠商阿斯麥，根基也有可能發(fā)生傾斜。另外，其他曝光裝置廠商實(shí)際上已停止開發(fā)EUV曝光技術(shù)，因此，如果EUV曝光技術(shù)無法啟動，就會變成阿斯麥的“單獨(dú)失敗”。
圖3 打算啟動EUV曝光技術(shù)的阿斯麥
阿斯麥計(jì)劃2013年出貨11臺量產(chǎn)用EUV曝光裝置，目前已有7臺正在制造或者測試。（該圖由本雜志根據(jù)阿斯麥的資料繪制）（點(diǎn)擊放大）
另一方面，主要EUV光源廠商因巨額開發(fā)資金帶來負(fù)擔(dān)，沒有多余精力加快開發(fā)速度。于是阿斯麥2012年10月決定收購全球最大的半導(dǎo)體曝光用光源廠商西盟。大多數(shù)觀點(diǎn)認(rèn)為，“阿斯麥挽救了苦于EUV光源開發(fā)的西盟”（半導(dǎo)體業(yè)內(nèi)人士），也有人指出，英特爾決定向阿斯麥出資的意向起到了助推作用。阿斯麥打算通過收購西盟，加速開發(fā)最大的課題——EUV光源，無論如何也要啟動EUV曝光技術(shù)。
目標(biāo)是2015年使EUV光的輸出功率達(dá)到250W
目前，EUV光源的開發(fā)正以兩種方式進(jìn)行。分別為通過向錫（Sn）液滴照射高輸出功率的CO2激光使其產(chǎn)生EUV光的LPP（激光等離子體，laser-produced plasma）方式，以及通過在溶融錫附著的旋轉(zhuǎn)電極之間引發(fā)放電現(xiàn)象來產(chǎn)生EUV光的LDP（激光輔助放電等離子體，laser-assisted discharge plasma）方式。這些方式的原理都是使錫處于高能量等離子體狀態(tài)，使用聚光鏡將由此放射出來的EUV光聚集在一起（圖4）。
圖4 通過兩種方式開發(fā)EUV光源
LPP方式通過向錫液滴照射CO2激光來產(chǎn)生EUV光。而LDP方式通過錫附著的旋轉(zhuǎn)電極之間的放電來產(chǎn)生EUV光。目前，還看不出哪種方式更適合產(chǎn)生EUV光源，兩種方式的開發(fā)都在進(jìn)行。（該圖由本雜志根據(jù)阿斯麥的資料繪制）（點(diǎn)擊放大）
阿斯麥決定收購的西盟采用LPP方式，迄今為止該公司一直走在實(shí)用化的最前列。這樣說的原因是，該公司目前已經(jīng)出貨了5臺元件試制用EUV曝光裝置使用的光源“HVM I”，并一直在客戶那里長期使用。雖然目前HVM I的輸出功率僅為9～13W，但曝光量（DOSE量）的不均減小到了±0.5％以內(nèi)，西盟一直致力于使光源穩(wěn)定工作的技術(shù)開發(fā)注2）。為了提高輸出功率，該公司打算今后分階段提高CO2激光的輸出功率，同時(shí)還會改善轉(zhuǎn)換為EUV光的效率，2015年使輸出功率達(dá)到量產(chǎn)所要求的250W（圖5）。
圖5 2015年將提高至250W
西盟計(jì)劃通過提高CO2激光的輸出功率及改善轉(zhuǎn)換效率，2015年使EUV光源輸出功率提高至250W。（該圖由本雜志根據(jù)西盟的資料繪制）（點(diǎn)擊放大）[!--empirenews.page--]
注2）EUV光源存在的問題是名為“碎片”（Debris）的高能量錫粒子等與聚光鏡撞擊并附著在上面，導(dǎo)致反射率逐漸降低。西盟公司采用了名為“氫氣Curtain”的方式，通過向光源裝置內(nèi)通入大量氫氣，使錫粒子與氫分子碰撞，從而減少與集光鏡的撞擊，延長聚光鏡的壽命。除了這種方式之外，最近該公司還宣布，通過利用可保護(hù)聚光鏡表面的封頂層，將聚光鏡的壽命延長到了4個(gè)月（450億個(gè)脈沖）。據(jù)該公司介紹，最終的目標(biāo)是使其壽命延長至1年（1000億個(gè)脈沖）以上。
西盟為了提高轉(zhuǎn)換成EUV光的效率，采用了名為“預(yù)脈沖（Prepulse）”的技術(shù)。錫液滴的直徑約為30μm，而CO2激光的聚光點(diǎn)直徑約為100μm。因此，只有部分CO2激光照射到錫液滴上，轉(zhuǎn)換效率降低。于是，該公司利用名為預(yù)脈沖的弱CO2激光擊碎錫液滴，使其擴(kuò)散為直徑100μm左右之后再照射標(biāo)準(zhǔn)的CO2激光。據(jù)西盟介紹，通過這種方法，可將目前1％左右的轉(zhuǎn)換效率提高至2～3％以上。
目前，西盟已成功使用預(yù)脈沖技術(shù)和15kW的CO2激光，使爆發(fā)輸出功率為50W、占空比為40％、平均輸出功率為20W的EUV光源連續(xù)工作5.5小時(shí)。量產(chǎn)用EUV曝光裝置使用的光源“HVM II”就采用了這種預(yù)脈沖技術(shù)。首臺HVM II已經(jīng)出貨，“目前正與阿斯麥的量產(chǎn)用EUV曝光裝置進(jìn)行整合評估”（西盟EUV戰(zhàn)略營銷副總裁Nigel Farrar）。（記者：大下 淳一，木村 雅秀，日經(jīng)BP半導(dǎo)體調(diào)查）
圖1 最大課題是提高EUV光源的輸出功率
EUV曝光技術(shù)的最大課題是提高光源的輸出功率。量產(chǎn)需要輸出功率達(dá)到250W，而目前的數(shù)值比其低一位數(shù)。（照片由阿斯麥提供，該圖由本雜志根據(jù)各種發(fā)布資料繪制）（點(diǎn)擊放大）
圖2 EUV光的輸出功率的思路示意圖
就算連續(xù)發(fā)光時(shí)間（爆發(fā)時(shí)間）僅為1ms時(shí)爆發(fā)輸出功率可達(dá)到100W，如果占空比為10％，平均輸出功率也只有10W（a）。量產(chǎn)時(shí)需要將爆發(fā)時(shí)間延長至相當(dāng)于一次掃描時(shí)間的約400ms以上（b）。（該圖由本雜志根據(jù)西盟的資料繪制）（點(diǎn)擊放大）
EUV光的輸出功率在過去5年內(nèi)幾乎沒有增加。這是因?yàn)樵谔岣逧UV光的輸出功率之前，廠商為使光源穩(wěn)定工作而耗盡了精力。比如，阿斯麥（ASML）公司2010～2011年共出貨了6臺用來試制元件的EUV曝光裝置“NXE：3100”注1）。但是，因EUV光源無法穩(wěn)定工作，半導(dǎo)體廠商及研究機(jī)構(gòu)無法按計(jì)劃實(shí)施曝光實(shí)驗(yàn)。
注1）估計(jì)供貨對象為英特爾、三星、臺積電、東芝、韓國SK海力士及比利時(shí)IMEC。
EUV光源難以穩(wěn)定工作的原因很多，比如，長時(shí)間使其產(chǎn)生EUV光的話，光源內(nèi)就會蓄積龐大的熱量，導(dǎo)致各種參數(shù)出現(xiàn)偏差。EUV光的輸出功率越高，這種問題就越嚴(yán)重。因此，EUV光源廠商最近幾年一直在大力開發(fā)能夠使其穩(wěn)定工作的技術(shù)。這樣一來，盡管EUV光源的輸出功率基本與原來持平，但使其穩(wěn)定工作的技術(shù)取得了切實(shí)進(jìn)步。
目前，“每天可使100枚以上的晶圓穩(wěn)定曝光”（美國EUV光源廠商西盟）。以每天工作20小時(shí)計(jì)算，吞吐量相當(dāng)于5枚/小時(shí)。雖然還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到量產(chǎn)所需要的125枚/小時(shí)，但“光源不工作，曝光實(shí)驗(yàn)無法按計(jì)劃進(jìn)行”的情況正在改變。如果曝光實(shí)驗(yàn)取得進(jìn)展，光刻膠及掩模等的技術(shù)開發(fā)就會進(jìn)步。
害怕“單獨(dú)失敗”的阿斯麥
研發(fā)EUV曝光技術(shù)的企業(yè)打算在最近1～2年內(nèi)大步加快技術(shù)開發(fā)。其原因是，如果EUV曝光技術(shù)的開發(fā)再拖延下去，就相當(dāng)于自掘墳?zāi)?。?dǎo)入技術(shù)的時(shí)間越晚，分辨率及吞吐量等EUV曝光技術(shù)所要求的門檻就會越高。在此期間，利用液浸ArF曝光技術(shù)的四重（Quad）圖形技術(shù)及電子束（EB）曝光技術(shù)等競爭技術(shù)的開發(fā)向前推進(jìn)，并取代EUV曝光技術(shù)的可能性就會提高。因此，有意見稱，“如果2014～2016年不啟動EUV曝光技術(shù)，就會失去大顯身手的機(jī)會”（Gigaphoton公司EUV開發(fā)部部長助理岡崎信次）。
竭盡全力開發(fā)這種技術(shù)的是從事EUV曝光裝置業(yè)務(wù)的阿斯麥。該公司長期開發(fā)EUV曝光裝置并投入了大量資金。繼元件試制用裝置之后，該公司還打算2013年提供11臺，2014年提供4臺量產(chǎn)用EUV曝光裝置“NXE：3300B”。好像也有一家半導(dǎo)體廠商訂購多臺裝置的情況。目前阿斯麥正在制造或測試7臺NXE：3300B（圖3）。如果EUV曝光技術(shù)不成功，即便是世界第一大半導(dǎo)體制造裝置廠商阿斯麥，根基也有可能發(fā)生傾斜。另外，其他曝光裝置廠商實(shí)際上已停止開發(fā)EUV曝光技術(shù)，因此，如果EUV曝光技術(shù)無法啟動，就會變成阿斯麥的“單獨(dú)失敗”。
圖3 打算啟動EUV曝光技術(shù)的阿斯麥
阿斯麥計(jì)劃2013年出貨11臺量產(chǎn)用EUV曝光裝置，目前已有7臺正在制造或者測試。（該圖由本雜志根據(jù)阿斯麥的資料繪制）（點(diǎn)擊放大）
另一方面，主要EUV光源廠商因巨額開發(fā)資金帶來負(fù)擔(dān)，沒有多余精力加快開發(fā)速度。于是阿斯麥2012年10月決定收購全球最大的半導(dǎo)體曝光用光源廠商西盟。大多數(shù)觀點(diǎn)認(rèn)為，“阿斯麥挽救了苦于EUV光源開發(fā)的西盟”（半導(dǎo)體業(yè)內(nèi)人士），也有人指出，英特爾決定向阿斯麥出資的意向起到了助推作用。阿斯麥打算通過收購西盟，加速開發(fā)最大的課題——EUV光源，無論如何也要啟動EUV曝光技術(shù)。
目標(biāo)是2015年使EUV光的輸出功率達(dá)到250W
目前，EUV光源的開發(fā)正以兩種方式進(jìn)行。分別為通過向錫（Sn）液滴照射高輸出功率的CO2激光使其產(chǎn)生EUV光的LPP（激光等離子體，laser-produced plasma）方式，以及通過在溶融錫附著的旋轉(zhuǎn)電極之間引發(fā)放電現(xiàn)象來產(chǎn)生EUV光的LDP（激光輔助放電等離子體，laser-assisted discharge plasma）方式。這些方式的原理都是使錫處于高能量等離子體狀態(tài)，使用聚光鏡將由此放射出來的EUV光聚集在一起（圖4）。
圖4 通過兩種方式開發(fā)EUV光源
LPP方式通過向錫液滴照射CO2激光來產(chǎn)生EUV光。而LDP方式通過錫附著的旋轉(zhuǎn)電極之間的放電來產(chǎn)生EUV光。目前，還看不出哪種方式更適合產(chǎn)生EUV光源，兩種方式的開發(fā)都在進(jìn)行。（該圖由本雜志根據(jù)阿斯麥的資料繪制）（點(diǎn)擊放大）
阿斯麥決定收購的西盟采用LPP方式，迄今為止該公司一直走在實(shí)用化的最前列。這樣說的原因是，該公司目前已經(jīng)出貨了5臺元件試制用EUV曝光裝置使用的光源“HVM I”，并一直在客戶那里長期使用。雖然目前HVM I的輸出功率僅為9～13W，但曝光量（DOSE量）的不均減小到了±0.5％以內(nèi)，西盟一直致力于使光源穩(wěn)定工作的技術(shù)開發(fā)注2）。為了提高輸出功率，該公司打算今后分階段提高CO2激光的輸出功率，同時(shí)還會改善轉(zhuǎn)換為EUV光的效率，2015年使輸出功率達(dá)到量產(chǎn)所要求的250W（圖5）。
圖5 2015年將提高至250W
西盟計(jì)劃通過提高CO2激光的輸出功率及改善轉(zhuǎn)換效率，2015年使EUV光源輸出功率提高至250W。（該圖由本雜志根據(jù)西盟的資料繪制）（點(diǎn)擊放大）[!--empirenews.page--]
注2）EUV光源存在的問題是名為“碎片”（Debris）的高能量錫粒子等與聚光鏡撞擊并附著在上面，導(dǎo)致反射率逐漸降低。西盟公司采用了名為“氫氣Curtain”的方式，通過向光源裝置內(nèi)通入大量氫氣，使錫粒子與氫分子碰撞，從而減少與集光鏡的撞擊，延長聚光鏡的壽命。除了這種方式之外，最近該公司還宣布，通過利用可保護(hù)聚光鏡表面的封頂層，將聚光鏡的壽命延長到了4個(gè)月（450億個(gè)脈沖）。據(jù)該公司介紹，最終的目標(biāo)是使其壽命延長至1年（1000億個(gè)脈沖）以上。
西盟為了提高轉(zhuǎn)換成EUV光的效率，采用了名為“預(yù)脈沖（Prepulse）”的技術(shù)。錫液滴的直徑約為30μm，而CO2激光的聚光點(diǎn)直徑約為100μm。因此，只有部分CO2激光照射到錫液滴上，轉(zhuǎn)換效率降低。于是，該公司利用名為預(yù)脈沖的弱CO2激光擊碎錫液滴，使其擴(kuò)散為直徑100μm左右之后再照射標(biāo)準(zhǔn)的CO2激光。據(jù)西盟介紹，通過這種方法，可將目前1％左右的轉(zhuǎn)換效率提高至2～3％以上。
目前，西盟已成功使用預(yù)脈沖技術(shù)和15kW的CO2激光，使爆發(fā)輸出功率為50W、占空比為40％、平均輸出功率為20W的EUV光源連續(xù)工作5.5小時(shí)。量產(chǎn)用EUV曝光裝置使用的光源“HVM II”就采用了這種預(yù)脈沖技術(shù)。首臺HVM II已經(jīng)出貨，“目前正與阿斯麥的量產(chǎn)用EUV曝光裝置進(jìn)行整合評估”（西盟EUV戰(zhàn)略營銷副總裁Nigel Farrar）。（記者：大下 淳一，木村 雅秀，日經(jīng)BP半導(dǎo)體調(diào)查）
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