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ASML全球副總裁撰文:義無反顧!EUV光刻機20年量產歷程

2021-02-15 10:19:55 來源:ASML 作者:嚴濤南

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用EUV 光刻技術的7 納米世代的改良版芯片已經于2019 年正式量產,我們知道這個技術已經用在2019 年生產的麒麟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 年量產的5 納米世代將會有十幾層的制程用EUV 光刻技術來完成,取代多于它四倍(四十幾層)的193 納米浸潤式光刻技術。果然,2020 年秋天,華為mate40和蘋果公司的5G 旗艦手機已經搭載臺積電制造的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 光刻技術使摩爾定律得以延續。

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 光刻技術歷經20 余年的實驗室研發,以及12 年的量產研發,至今成為半導體先進制程中最重要的生產工具。ASML 全球副總裁暨技術開發中心主任嚴濤南,正是推動EUV 應用在量產階段的靈魂人物。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)光刻技術的量產歷程

ASML 全球副總裁暨技術開發中心主任嚴濤南博士

EUV 光刻技術采用錫的電漿來產生波長為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,EUV 光刻技術得在低真空中運作,技術難度更高。

EUV 光刻技術以實驗室形式的研發(日本,美國,歐洲,包括ASML和Cymer)已經走過了二十多年卻仍達不到量產的技術要求,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)。當時業界普遍認為如果EUV 能用于量產就可以讓摩爾定律延續生命。這是個巨大的誘惑。臺積電是全球最大的半導體代工廠,在先進制程獨占鰲頭,其開發所有新技術的目的只有一個:最終用于量產。而開發用于量產的EUV 光刻技術就落到了我的肩上。

 

量產的要求極高,要知道EUV 光刻技術的種種瓶頸,就必須在當時僅有的EUV 光刻設備上做實驗。2006 年,標志著EUV 實驗室研發階段的結束。那年,我現在的東家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,決定繼續往下走。

2010 年的春天,在當時臺積電研發組長蔣尚義博士(后為臺積電共同營運長)的主導下,我們向ASML 訂了一臺型號為NXE:3100(數值孔徑為0.25)的EUV 光刻機臺。那款機型是繼ADT 后的EUV 研發機臺。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)技術來產生波長為13.5 納米的EUV 光,3100 的光源非常弱,最佳狀態時只能輸出10 瓦的功率,是現在量產機臺(輸出功率250 瓦)的二十五分之一,而且可靠性低,經常故障。但我相信它是可以進步的,因為研發中的下一代光源在Cymer 的實驗室里已經演示出高于10 瓦數倍的功率,雖然只是短暫的瞬間,而不是七天二十四小時持續發光。

而且那時我們第一要關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%」?;叵肫饋?,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EUV 量產光刻機臺是個極高風險但又是高回報的事業。而且延續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量產的EUV 技術。它的社長對我說:「EUV 是不會成功的;ASML 會蝕掉所有的開發成本」。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。

ASML 不是一般的公司。決定它在EUV 光刻機臺技術上成功的因素有三個:

  1. 決定開發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。

  2. 技術長Martin van den Brink 親自掛帥,事無巨細,都一一過問。

  3. 和像臺積電這樣的重要客戶共同開發。

臺積電來說也一樣。因為已經決定了,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無關緊要了,因為它已經出局了」。

我義無反顧,全心全意地投入EUV 的開發。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,做出相應的決定。公司內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: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提升:主要表現在高于40 瓦輸出功率的穩定性欠佳。整個夏天,我們和ASML 在新竹、荷蘭、美國不停地做實驗。

EUV 光的產生是用二氧化碳激光每秒5 萬次去轟擊液態錫滴。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鍵中的關鍵。

為什么會霧化?因為錫滴被激光轟擊后氣化,在腔內擴散,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合,變成氣態的氫化錫,然后被抽出腔體。不讓反光鏡霧化的關鍵是把二氧化碳激光的功率,氫氣的流量和氫氣的壓力調到最佳組合。當然還有其他關鍵的地方??傊?,這個十億美元的游戲就是要怎樣把EUV 光的穩定的輸出功率調高,再調高,調得更高。

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 那里先調出來的初步數據做一個嶄新的實驗。經過參數的微調,輸出功率持續上升。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,而我們已經從10 瓦走到了90 瓦,那是九倍。我立即意識到,EUV 光刻技術的量產應該會成功。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據,我被長官要求證明這部光刻機臺能連續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生的EUV 能量降低。

臺積電ASML 成立了One Team,日夜不停地改進光源的各項參數。這項任務在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來延長反光鏡的壽命。在這里我要感謝我以前的EUV 研發團隊及和我們緊密合作的ASML 的伙伴──我現在的同事們。

打造一個全新的生態系統

以上的工作是艱難的,但是還是不足的。EUV 光刻量產技術是到目前為止半導體工業最大的開發計劃,它的成功需要整個半導體業界的力量。為了說服ASML 開發,從2013 年起的五年內,臺積電、三星、英特爾加在一起付給了ASML 超過十億歐元研發費用來共襄盛舉。為了達成此任務,ASML 援助它的供應商: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,并在之后的六年內提供ZEISS 七點六億歐元研發費用。這些舉動都是為了確保EUV 光刻技術的成功。

要成功將EUV 技術導入芯片的量產階段,除了光刻機臺外,還需要開發一個EUV 光刻技術專門的生態系統。這個系統包括光阻與光罩。其實光罩本身就是一個子系統,它在臺積電的開發也是由我負責。

當初,雖然193 納米光阻那時已是成熟的技術,也是日本供應商的天下,但是由于已看到EUV 要走到量產不是一、兩年的事,一般光阻供應商都不愿意在EUV光阻上投入太多資源。唯有JSR 有戰略眼光。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。

光罩技術的開發更加困難。唯二的光罩基材(maskblank)供應商也是日本公司。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光罩基材生產線。為了量產,不能只用實驗室里做出來的東西; 有了生產線,制程才能改進。

我們答應了他的請求。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參數,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降到十到二十顆左右。

我們也和本地供應商合作,例如和家登精密合作開發EUV 用的雙層光罩盒。與此同時,臺積電2011 年加入的國際半導體聯盟SEMATECH 及日本半導體聯盟EIDEC,也來共襄盛舉。這兩個組織都百分之百致力于EUV 生態系統的開發。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盟的資助下完成開發的。

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

2015 年春SPIE 國際光電工程學會年會上有人問我:「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不算,僅量產用的EUV 光刻技術的開發就走了足足十二年。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積累和產業界的全力合作。所以大事業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 光刻技術最終是成功了。摩爾定律的生命被延續了。不然,集成電路的進步會在2018 年量產的7 納米那代就嘎然而止了。而現在呢,EUV 光刻技術已經應用于7 及5 納米世代的量產。2020 年十月,臺積電魏哲家執行長宣布:3 納米世代將于2022 年下半年投入量產。正如193 納米浸潤式光刻技術讓摩爾定律延續了十年(五個世代的集成電路),EUV 光刻技術也將會讓摩爾定律至少延續再一個十年。屆時,集成電路制造已經走到了埃米世代了。

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