高數值孔徑EUV光刻：引領下一代芯片制造的革命性技術

可實現更小晶體管的下一代技術是高數值孔徑EUV光刻。 ?

摩爾定律是指在給定面積的硅片上，晶體管的數量大約每兩年翻一番，這種增益推動了計算技術的發展。在過去半個世紀里，我們將該定律視為一種類似進化或衰老的不可避免的自然過程。然而，現實卻大不相同。要跟上摩爾定律的步伐，需要花費幾乎難以想象的時間、精力和人類智慧，地球上無數的人和無數臺最復雜的機器都被裹挾其中。?

其中最重要的可能就是極紫外（EUV）光刻機了。EUV光刻技術是幾十年研發工作的產物，是過去兩代尖端芯片背后的驅動技術，過去3年里，每一款高端智能手機、平板電腦、筆記本電腦和服務器中都有它的身影。然而，摩爾定律必須繼續前進，芯片制造商也在繼續推進他們的路線圖，這意味著需要進一步縮小設備的幾何尺寸。?

而下一代光刻技術——高數值孔徑EUV光刻，涉及了對系統內部光學系統的重大改造，在這個十年結束前，芯片行業有望依靠它來持續進步。

分辨率與數值孔徑 ? ?

摩爾定律的維系有賴于光刻技術分辨率的提高，這樣一來，芯片制造商就可以制造越來越精細的電路。在過去的35年里，通過研究光的波長、封裝過程相關因素的系數k1以及衡量系統發光的角度范圍的數值孔徑（NA）這3個因素的組合，工程師們已經將分辨率提高了兩個數量級。

臨界尺寸是使用某種光刻曝光工具可以打印的最小產品尺寸，它與光的波長除以光學元件的數值孔徑所得的值成正比。因此，我們可以通過使用更短的光波長或更大的數值孔徑，或者兩者的結合來實現更小的臨界尺寸。例如，通過改進制造過程控制，k1值可以盡可能地接近其物理下限0.25。

一般來說，提高分辨率最經濟的方法是提高數值孔徑，以及改進工具和過程控制以實現更小的k1。芯片制造商只有在無法進一步提高數值孔徑和k1時，才會想辦法縮短光源波長。

不過，半導體行業已經多次修改了波長。波長歷史的發展從使用汞燈產生的365納米開始，到20世紀90年代后期通過氪-氟激光器生產的248納米，再到本世紀初通過氬-氟激光器生產的193納米。對于每一代波長，在行業采用更短的波長之前，光刻系統的數值孔徑都是逐漸增大的。

例如，隨著193納米的使用即將結束，人們又引入了一種新的方法來擴大數值孔徑：浸沒式光刻。通過在透鏡底部和晶圓之間放置水，數值孔徑可以從0.93大幅提高到1.35。自2006年左右推出以來，193納米浸沒式光刻技術一直是業界領先的主力光刻技術。

提高數值孔徑迫在眉睫 ? ?

不過，隨著對印刷小于30納米產品的需求增加，以及193納米光刻技術的數值孔徑已經達到極限，要跟上摩爾定律的步伐變得越來越復雜。要制造小于30納米的產品，要么需要使用多種圖案來制造單層芯片產品（這是一種技術成本和經濟成本都很高的技術），要么需要改變波長。經過20多年的時間和前所未有的開發研究，13.5納米EUV這一新波長才得以上線。

EUV需要一種全新的發光方式。這是一個非常復雜的過程，需要用強大的二氧化碳激光撞擊在半空中滴落的熔錫液滴。激光會將錫蒸發成等離子體，發射出光子能量光譜。EUV光學元件可從這個光譜中獲得所需的13.5納米波長，并引導它通過一系列鏡子，再將其反射到有圖案的掩模上，將圖案投射到晶圓上。整個過程必須在超凈真空中完成，因為13.5納米波長會被空氣吸收。（前幾代光刻技術都是引導光穿過掩模，將圖案投射到晶圓上。但是EUV非常容易被吸收，因此掩模和其他光學元件必須具有反射性。）

從193納米光轉變為EUV在一定程度上縮小了臨界尺寸。一種名為“可制造性設計”的方法大大降低了k1。該方法設置了電路模塊的設計規則，利用了光刻技術的局限性?，F在是時候再次提高數值孔徑，從目前的0.33提高到0.55了。

在真空室中,EUV光（紫色）在從光掩模）反射之前，會被多面鏡子反射。光從那里繼續反射，直到被投射到晶圓上，且攜帶光掩模的圖案。這張插圖顯示了目前數值孔徑為0.33的商業系統。在數值孔徑為0.55的未來系統中，光學元件將有所不同。

面對的挑戰 ? ?

要將數值孔徑從0.33提高到0.55的目標值，不可避免地需要一系列其他調整。EUV光刻等投影系統在晶圓和掩模上都有數值孔徑。增大晶圓上的數值孔徑時，掩模上的數值孔徑也會增大。因此，掩模入射和出射的光錐會變得更大，且必須彼此斜向遠離以避免重疊。重疊的光錐會產生不對稱的衍射圖案，進而帶來不理想的成像效果。

但是這個角度是有限制的。因為EUV光刻技術所需要的反射掩模實際上是由多層材料制成的，所以我們無法確保在某個反射角以上產生合適的反射。EUV掩模的最大反射角為11度。雖然還有其他困難，但反射角是最大的挑戰。

克服這個挑戰的唯一方法是增加一種叫做“縮倍”的特征。顧名思義，縮倍是指從掩模中取出反射圖案并縮小它。為了彌補反射角的問題，不得不將縮倍數提高到8。結果，在晶圓上成像的掩模部分小了很多。成像場較小意味著需要更長的時間來產生完整的芯片圖案。事實上，這一要求會使我們的高數值孔徑掃描儀的產出率降低到每小時100片晶圓以下，該生產率水平會使芯片制造變得不經濟。

令人欣慰的是，研究人員發現只需要在一個方向上提高縮倍，也就是反射角最大的方向，另一個方向上的縮倍可以保持不變。如此一來，晶圓上就有了一個大小可以接受的成像場——大約是今天EUV系統所用尺寸的一半，即26毫米×16.5毫米，而不是26毫米×33毫米。這種方向相關或失真的縮倍形成了我們高數值孔徑系統的基礎。

為了確保半尺寸場具有相同的生產率水平，還必須重新開發系統的掩模臺和晶圓臺（分別固定掩模和晶圓的兩個平臺），并在掃描過程中同步移動它們。高數值孔徑EUV是維系摩爾定律的關鍵組成部分，但實現0.55數值孔徑并不是最終目標，整個半導體生態將在此基礎上向更好、更快、更新穎的技術邁進。

審核編輯：黃飛