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    ASML科普,EUV光刻機的奇跡之路

    Oct,10,2022 << Return list

    EUV 的故事始于 1980 年代中期的日本,當時,在 70 年代俄羅斯完成的多層鏡研究的基礎上,Hiroo Kinoshita 投影了第一張 EUV 圖像。美國和荷蘭的實驗室很快也開始探索這一潛在的光刻技術新發展。最初被稱為“soft x-ray”光刻,“extreme ultraviolet”這個名稱的靈感來自天文學家對相同光波長和光子能量使用的術語。


    在光刻技術中,使用較短的光波長使芯片制造商能夠縮小尺寸并增加芯片上特征(或晶體管)的密度,從而使芯片更快、更強大。當 ASML 于 1984 年成立時,該行業使用產生 436 納米 (nm) 光的汞蒸氣燈,稱為 g-line,后來,產生了 365 nm 的紫外 (UV) 光,稱為 i-line。早期的 EUV 研究人員追求從 4 到 40 的幾個波長,但最終選擇了 13.5 作為錫等離子體產生 EUV 光的最佳點。


    EUV 并不是研究人員探索的唯一能夠實現未來幾代“微縮”的技術。電子束光刻(Electron beam lithography)和離子束光刻(ion beam lithography )似乎是其他可行的選擇,但 ASML 對 EUV 光刻下了“有根據的賭注”,因為這種技術似乎最適合繼續晶體管微縮,同時在大規模生產中仍能負擔得起。


    然而,并不是每個人都立即被 EUV 技術的想法所吸引。在2020 年 SPIE 會議回顧展上,時任 NTT 研究員的 Hiroo Kinoshita 描述了讓他的科學家同事相信 EUV 光刻有機會的挑戰?!癧我在 1986 年的日本應用光學學會年會上展示了我的結果,”他說?!安恍业氖?,聽眾對我的演講高度懷疑。然而,我的信念并沒有改變?!?/p>


    長期從事半導體行業的資深人士、當時的勞倫斯利弗莫爾國家實驗室研究員 Andrew Hawryluk 在會議上回憶了類似的挫敗感。他解釋了 1987 年 12 月,一位教授如何拜訪他和他的團隊。在了解了他們在 EUV 方面的開創性研究后,教授問道:“但你真的可以用這些東西做任何有用的事情嗎?”


    “他的話一直困擾著我,”Andrew說,他回家過圣誕假期,兩周后帶著一份 30 頁的 EUV 光刻白皮書回來。他和他的團隊在那年晚些時候的一次會議上提交了這篇論文,但即便如此,也很難找到支持?!澳銦o法想象我在那次演講中得到的負面評價,”Andrew回憶道?!坝^眾中的每個人都想刺穿我。我把尾巴夾在兩腿之間回家了,發誓再也不談論 EUV 光刻了?!?/p>


    但一周后,Andrew接到了來自貝爾實驗室的William (Bill) Brinkman的電話,后者隨后成功地讓美國能源部為勞倫斯利弗莫爾和桑迪亞實驗室的 EUV 光刻研究國家項目提供資金,后來被稱為“虛擬國家實驗室”。

    走向工業化

    “Bill給了我們錢,但錢遲早會用完,”Andrew說?!瓣P鍵的是讓行業參與支持這項新技術?!?/p>


    Andrew的老板,已故的Natale (Nat) Ceglio,在招募包括英特爾在內的公司采用 EUV 方面發揮了重要作用。


    參與的美國芯片制造商組成了“EUV LLC”,與虛擬國家實驗室簽訂合同,以加速 EUV 光刻技術的開發并降低與新技術工業化相關的風險(EUV 光刻技術,Wurm,Stefan,Gwyn 和 Chuck,2008 年)。

    與此同時,在荷蘭,EUV 光學教授 Fred Bijkerk 于 1990 年在荷蘭投影了第一張 EUV 圖像。然而,直到 1990 年代后期,EUV 光刻的工業化研究才在歐洲開始。1997 年,ASML 聘請了 Jos Benschop(技術高級副總裁)來啟動其EUV 計劃。


    在 Jos 的幫助下,1998 年,ASML 與其長期合作伙伴德國光學制造商蔡司和同步加速器光源供應商牛津儀器公司成立了一個名為“EUCLIDES”(Extreme UV Concept Lithography Development System)的歐洲工業研發聯盟。ASML 還與包括 Philips Research and CFT、TNO-TPD、FOM-Rijnhuizen、PTB(德國國家計量研究所)和 Fraunhofer-IWS在內的其他供應商合作。ASML 和 EUCLIDES 于 1999 年與美國 EUV LLC 聯手,而日本則通過其 ASET 計劃(超先進電子技術協會)和后來的日本極紫外光刻發展協會 (EUVA) 計劃來追求 EUV 技術的發展。


    2000 年,Jos 能夠在 SPIE 上展示 EUCLIDES 計劃的第一個結果??吹搅丝赡苄院?,ASML 在 2001 年分配了一小群人和少量資源來構建一個 EUV 原型系統。


    該團隊在 2006 年實現了他們的目標,當時第一批 EUV 原型被運往比利時的 imec 和紐約奧爾巴尼的 SUNY(College of Nanoscale Science & Engineering)。在那里,原型被用來更好地了解 EUV 以及這項新技術如何融入半導體制造過程。事情開始變得真實。

    實現“第一道光”

    2008 年春天,SUNY 使用他們的演示工具生產了世界上第一個全場 EUV 測試芯片。2009 年,ASML 在荷蘭 Veldhoven 的總部開設了大樓,這些大樓將容納10,000 平方米的潔凈室和用于 EUV 開發和生產的工作空間。


    然后,在 2010 年,ASML向韓國三星研究機構運送了第一臺 TWINSCAN NXE:3100,這是一種預生產的 EUV 系統。這臺機器在平安夜實現了“第一道光”(天文學參考)。對于Jos 說,這是 13 年辛勤工作的結晶。

    “我們從 1997 年就開始著手這方面的工作,”他說?!巴蝗婚g,到了 2010 年,你要飛到海外去韓國。你坐長途出租車,換衣服,去工廠,拐個彎,它就在那里:機器。那是一個偉大的時刻。最初的夢想在客戶的工廠中變成了現實?!?/p>


    這是一個偉大的時刻,但據ASML的客戶開始發布包含 EUV 技術的產品仍然還需要9 年時間?!皺C器基礎知識在那里,但我們努力實現客戶所需的生產力,以使 EUV 成為負擔得起的選擇,”Jos 解釋說?!爸匾氖且涀?,我們客戶的研發階段也需要時間,”Jos說,“在 EUV '推出'之后,芯片制造商仍然需要一兩個節點才能使技術成熟并在商業產品之前學習如何充分使用它可以用它來建造?!?/p>


    這個過程需要這么長時間的部分原因是芯片制造商必須圍繞新技術優化基礎設施?!俺藪呙鑳x,您還需要優化標線片和光刻膠,以及 EDA(電子設計自動化)——用于設計芯片的軟件工具,充分利用新功能的優勢。這是一個不斷反饋的過程,過程中每個部分的數據都會影響其他部分,”Jos 解釋道。


    2012 年,作為客戶共同投資計劃的一部分,ASML的主要客戶英特爾、三星和臺積電同意在五年內為其 EUV 研發做出貢獻,并收購公司的股份作為回報。ASML又向亞洲和美國的不同客戶交付了六套系統,并且在 2013 年,我們交付了第一臺 EUV 生產系統——TWINSCAN NXE:3300——標志著這項新技術的開發又向前邁進了一步。

    一路走來的技術挑戰

    “這比我想象的要花更長的時間,也比我想象的要多得多,”Jos表示?!盎仡欉@個過程,你可以說我們要么很聰明,要么就是很固執,”他笑著說。


    為了躍遷到 13.5 nm 的極紫外光,幾乎需要在光刻機的所有領域進行創新,包括光源、將光縮小并聚焦到硅片上的光學器件,以及包含芯片藍圖的標線片被打印。更復雜的是,EUV 光幾乎被所有物體吸收,因此必須在高真空環境中生產和使用?!罢麄€切換到真空是一次冒險,”Jos回憶道?!坝捎趏utgassing,這使材料成為一項挑戰——你可以使用什么材料,以及你必須如何處理和清潔它們?!?/p>


    Jos 解釋說:“當蔡司證明它可以制造專門的 EUV 光學器件時,我們的研究真正獲得了關注?!惫鈱W一直是 EUV 最大的預期挑戰,但多虧了蔡司,它很快就從關鍵問題列表中掉了下來。


    隨后,ASML 的重點轉向解決“光源”挑戰?!坝捎诠庠磫栴},我們遭到了很多挑戰,”Jos承認?!岸鄠€客戶會參考我們的光源路線圖并說,這是您多年前承諾的,而現實遠非如此。他們在 SPIE 幾乎把我們釘在了十字架上?!?/p>


    在 2000 年代初期,ASML 開始與荷蘭、日本和美國的幾家 EUV光源的潛在供應商合作,其中包括總部位于圣地亞哥的 Cymer。ASML 選擇了 Cymer 的解決方案,后來在 2013 年收購了該公司。但研發比預期的要困難得多。設計激光產生的等離子體 (LPP) 源涉及以每秒 50,000 次(兩次)撞擊錫液滴以使它們汽化,從而產生比太陽表面溫度高 40 倍的等離子體以發射 EUV 光。

    “我們實際上取得了一些早期的成功,事情看起來很有希望,我們認為這可能并不像我們預期的那么難!” Danny Brown(EUV 光源系統工程與研究負責人)說?!暗泻?,我們錯了?!?因為主要挑戰是在全尺寸設備中實現 250 W 的功率。盡管遇到了許多挫折,但致力于它的團隊最終還是成功了,并于2021 年 9 月獲得了 Berthold Leibinger 創新獎。

    EUV 將繼續存在

    在我們達到 250 W 的源功率(這使工廠每小時可生產 125 片晶圓)并將其工業化后,隧道的盡頭就在眼前。根據 Jos 的說法,我們最終覺得我們的 EUV 計劃取得了成功是在 2018 年,當時我們的客戶開始在他們的晶圓廠中大力投資新技術?!八麄兓ㄙM數十億美元建造晶圓廠并購買我們的機器,這表明他們真的相信 EUV?!?/span>

    2019 年,第一款支持 EUV 的商業產品發布(三星的 Galaxy Note10 和 Galaxy Note10+ 智能手機)。2020 年 12 月,ASML 慶祝了第 100 臺 EUV 系統出貨,截至 2021 年底,127 臺最新一代 EUV 機器在全球客戶所在地使用?!斑@花了很長時間,但 EUV 正在接管邏輯和 DRAM 內存的關鍵層,”Jos解釋說,“我職業生涯中最好的時刻是在 2019 年的一次研討會上——我拿出了我的三星智能手機并說:“我曾經天真地說EUV將在2006年量產。我可恥地承認已經晚了13年?!钡S后我揮舞著手機說,“但你們中的一些人認為這東西永遠不會存在?!?”

    下一步是什么?EUV 0.55(高數值孔徑)及以上

    為了實現更小的芯片特性,我們不斷創新,現在正在將我們的 EUV 機器的數值孔徑 (NA) 從 0.33 增加到 0.55,這意味著新系統中的光學器件將允許具有更大入射角的光擊中晶圓,為系統提供更高的分辨率并減小可打印特征的尺寸。Jos 解釋說:“因為這種新鏡頭根本不同,這意味著我們必須想出一種全新的方法來制造它并測量它的特性?!拔覀冊诓趟竞屯栴D的團隊正在打破一項又一項世界紀錄?!?用于研發目的的首批 EUV 0.55“EXE”機器計劃于 2023 年底交付給客戶,我們預計它們將在 2025 年用于大批量制造。


    但在 2022 年,我們最大的挑戰是將 EUV 系統的產量從每年 40 個提高到 60 個左右。根據我們 EUV 工廠的副總裁 Sheila Leenders 的說法,雇用更多的人并建造更多的潔凈室空間只是問題的一部分——困難的癥結在于提高我們供應商網絡的產能以滿足對 EUV 機器的需求?!拔覀兊墓卣媾R一生的挑戰,”她說?!拔覀冋谂椭麄冊谌蚬绦枰牡胤教岣弋a能并提高可靠性?!?/p>

    通過合作克服挑戰

    多年來,ASML 克服了許多挫折、意想不到的挑戰和延誤。但是Jos說,每當他們看到一個新的挑戰迫在眉睫時,他們總是有如何應對它的想法?!巴ㄟ^我們值得信賴的合作伙伴網絡,我們總能找到解決問題的方法,”Jos說。


    “我們處理任何技術的方式都是通過協作網絡工作,”他繼續說道?!斑@使我們能夠利用可用的知識并以‘可接受的’風險狀況取得進展?!?/p>


    在 EUV 技術開發的所有階段——研究、工業化和現在的大批量制造——跨境合作一直是關鍵。今天,我們從美國采購了一些關鍵的 EUV 模塊,例如用于光源的液滴發生器以及傳感器、分劃板處理器和平臺,以及來自德國的其他模塊,例如我們的蔡司光學器件和通快用于 EUV 源的激光器,我們與世界各地的公司和機構合作,繼續研發下一代 EUV 機器。作為事物中心的系統架構師,ASML 成功地建立和動員了一個全球生態系統,以將許多人認為不可能的技術工業化。我們現在滿懷信心地將其用于大批量生產。

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