euv EUV光刻将走向何方？

EUV(极紫外)大批量生产高端逻辑半导体曝光技术的未来蓝图已经逐渐进入我们的视野，从7纳米阶段的技术节点到今年(2019年，也是从今年开始)，每2到3年发展到一个新的技术节点。

高端逻辑半导体技术节点及相应的EUV曝光技术蓝图。

也就是说，当EUV曝光技术发展比较顺利的时候，5nm的量产时间表大概是2021年，3nm的量产时间大概是2023年。至于更先进的2nm技术节点，目前还处于模糊阶段，预计2026年量产时间最快。

决定半场投球

是波长和数值孔径，工程系数

技术节点的发展促进了半导体曝光技术半节距的发展。ArF浸没曝光技术和EUV曝光技术的分辨率(r)与曝光波长(λ)成正比，与光学数值孔径(NA)成反比。也就是说，如果要提高分辨率，就需要缩短波长，扩大数值孔径。

其实分辨率和被称为“工程系数(k1)”的定数成正比。如果降低工程系数，分辨率会提高。但如果工程系数降低到最小限值(0.25)，就不能再降低了。

ArF浸没曝光技术和EUV曝光技术中半节距(r)与波长、数值孔径(NA)和工程系数(k1)的关系。

在ArF浸没曝光技术和EUV曝光技术中，光源的波长是固定的，不能改变。顺带一提，ArF液浸曝光的波长是193nm，EUV曝光的波长是13.5nm，两者有10倍以上的差距，简单计算EUV曝光绝对占优势。

对于ArF浸没曝光技术之前的光刻技术，增大数值孔径是提高分辨率的有效手段。具体来说，通过改进步进机和扫描仪作为曝光设备来提高数值孔径。

相反，如果使用EUV曝光技术，则不必改变数值孔径。EUV曝光技术采用X射线反射光学系统，结构非常复杂，光学系统的改变会伴随着巨大的开发投入。因此，EUV曝光设备的数值孔径在过去从未改变过。原EUV扫描仪的数值孔径为0.25，目前设备的数值孔径为0.33，无论如何与ArF干式曝光技术的最高值(0.93)相比都是很低的。

如本专栏去年12月(2018年)报道的那样(使用EUV曝光的高端逻辑半导体和高端DRAM的量产终于开始了！)，EUV扫描仪的内置数值孔径——“NXE:3400 B”，用于7nm尖端逻辑半导体的量产，为0.33。

此外，在未来几年，将使用数值孔径为0.33的EUV扫描仪，分辨率将得到提高。换句话说，通过使用具有相同数值孔径的曝光设备，半节距变得更精细。

通过分阶段降低工程系数来提高分辨率

所以很多提高细化的方法都是有限的，因为波长和数值孔径是固定的，剩下的就是工程系数了。在光学中，可以通过降低工程系数来提高分辨率。与ArF浸没曝光技术一样，通过与多重构图技术相结合，可以大大降低工程系数。而且从机械上来说，要减少曝光设备的重合误差。

提高EUV曝光技术分辨率的方法(2019年以后)

根据EUV曝光设备制造商ASML的说法，他们将未来的EUV曝光技术分为四代。目前的技术水平是第一代，也是用于批量生产7nm逻辑半导体的技术。工程系数约为0.45。

在第二代中，工程系数降低到0.40以下，这是通过改进曝光技术的硬件(光学方面)和软件(抗蚀剂)来实现的。其技术核心只是对现有技术的改进。

第三代就是把工程系数降到0.30以下。要做到这一点，很难改进目前的技术，有必要引入多图案化、新掩模材料和新抗蚀剂材料等基本元素。

到了第四代，由于工程系数无法再降低，开发了新的光学系统，可以将数值孔径提高到0.55。

EUV曝光设备制造商ASML宣布开发EUV曝光技术。

ASML公布的技术发展数据没有提到工程系数的具体值，但我们把工程系数的假设值纳入计算，看看分辨率能提到多少。目前(第一代)工程系数为0.46，对应的半节距为19nm。

假设第二代的工程系数为0.39，对应的分辨率为16nm。如果是最先进的逻辑半导体的技术节点，可以应用于7nm~5nm量级产品。

假设第三代的工程系数为0.29，对应的分辨率为12nm。如果是最先进的逻辑半导体的技术节点，可以应用于5nm~3nm数量的产品。

由于第四代大幅度改变了数值孔径，所以工程系数假定为0.46，与第一代相同。假设数值孔径为0.55，即使将工程系数提高到0.46，对应的分辨率也基本与第三代相同，为11.3nm，可以应用于5 nm到3nm体积的产品。

EUV曝光技术和分辨率的发展。根据EUV曝光机制造商ASML发布的数据，作者猜测了这个数字。

多重图案化(多重曝光)

引入EUV曝光技术

不需要改进诸如光学系统和抗蚀剂之类的曝光技术，以及大幅降低工程系数k1的方法——多重图案化技术。我们正在讨论多次曝光技术在ArF浸没曝光中广泛应用的EUV曝光技术。

比如两次曝光就是引入LELE技术，就是重复光刻(L)和刻蚀(E)两次。如果将LELE技术引入到工程系数为0.46(数值孔径为0.33)的EUV曝光技术中，分辨率将变为16nm，与将单次曝光的工程系数降低到0.39所获得的效果相同。

经过三次曝光，即引入LELELE技术，重复光刻(L)和刻蚀(E)三次，分辨率再次降低到12nm，与单次曝光的工程系数降低到0.29得到的效果相同。

但使用多次曝光技术，会大大降低“通过量”。单次曝光(SE技术)处理的晶圆数量约为130片/小时，两次曝光(LELE)减少到70片/小时，三次曝光的“吞吐量”减少到单次曝光的1/3。

结合EUV曝光和多次曝光，作者根据ASML公布的数据总结了分辨率和“吐出量”(k1为0.46)的变化。

综上所述，新的5nm技术有两个方向。第一，在保持单曝光技术的同时，工程系数降低到0.39；其次，利用双曝光技术(LELE技术)大幅降低工程系数。两者分辨率均为16nm，预计2021年开始量产。如果采用双曝光技术，量产时间可以提前到2020年。

三代3nm技术的节点略复杂，有三个方向:一是保持单曝光的工程系数为0.29；二是结合两次曝光(LELE技术)和工程系数改为0.39的曝光技术；第三，使用三次曝光(LELELE)技术。三个方向分辨率均为12nm，预计量产时间为2023年。然而，如果使用三次曝光，批量生产时间可能会提前。

至于第四代2nm技术节点，用数值孔径为0.33的EUV曝光技术很难估算。EUV曝光技术有望将数值孔径提高到0.55。

EUV曝光设备的联合应用，

继续提高精确度和生产性能

EUV曝光技术发展中最重要的是EUV扫描仪的改进。EUV曝光设备制造商ASML公布了继EUV扫描仪之后的当前产品数量的发展蓝图——“NXE:3400 B”。

根据ASML技术蓝图的预测，在“NXE:3400B”的基础上，首次开发出减少重合误差的版本，然后在“减少重合误差的版本”的基础上，开发出提高“产量”(生产性能)的版本。预计这些改进将于今年上半年(2019年)完成。

基于上述改进成果的新产品“NXE:3400C”预计将于今年年底开始出货，预计“NXE:3400C”将“承担”5nm的量产工作。

此外，在减少重合误差的同时，有必要开发新的版本来提高生产能力。ASML还没有宣布新版本的型号，发货时间预计在2021年下半年。新版要承担3mm的量产工作。

作者根据ASML公布的数据，总结了EUV扫描仪的发展蓝图。

EUV曝光设备的发展蓝图摘自2018年12月在国际学会IEDM分会上发表的论文。

面向大规模生产的新一代EUV扫描仪“nxe: 3400c”的总结来自于2018年12月ASML在国际学会IEDM分会的演讲。

这些曝光设备基本上都配备了数值孔径为0.33的光学系统。ASML还在开发EUV曝光设备，可以将数值孔径提高到0.55。

数值孔径为0.55的EUV扫描仪，被ASML称为“高NA”，预计将于2023年下半年发货，第一批测试设备预计将于2021年底完成。未来我们将继续报道“高NA”设备的发展。

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