EUV光刻機對半導體制程的重要性

liuliying

集成電路在制作過程中需要經歷材料制備、掩膜、光刻、刻蝕、清洗、摻雜、機械研磨等多個工序，其中以光刻工序最為關鍵，因為它是整個集成電路產業制造工藝先進程度的重要指標。而光刻工序用到的設備--光刻機則是集成電路制造中最精密復雜、難度最高、價格最昂貴的設備，用于在芯片制造過程中的掩膜圖形到硅襯底圖形之間的轉移。
　　光刻機的發展經過了一個漫長的過程，1960年代的接觸式光刻機、接近式光刻機，到1970年代的投影式光刻機，1980年代的步進式光刻機，到步進式掃描光刻機，到浸入式光刻機和現在的EUV光刻機，設備性能不斷提高，推動集成電路按照摩爾定律往前發展。
　　EUV作為下一代技術的代表，不需要多重曝光，一次就能曝出想要的精細圖形，沒有超純水和晶圓接觸，在產品生產周期、OPC的復雜程度、工藝控制、良率等方面的優勢明顯。但是也需要繼續優化。特別是EUV的曝光方式，降低EUV掩膜版的缺陷，以及晶圓產率方面還有很大發大空間。EUV光刻機對7nm及以下的工藝節點非常重要，臺積電、三星兩大代工巨頭均已在最新產品中引入7納米EUV技術。
　　EUV光刻機壟斷者ASML
　　目前，光刻機領域的龍頭老大是荷蘭ASML，并已經占據了高達80%的市場份額，壟斷了高端光刻機市場。ASML公司日前發布2018年Q3季度財報，當季營收27.8億歐元，凈利潤6.8億歐元，出貨了5臺EUV光刻機，全年預計出貨18臺，明年將增長到30臺，而且明年下半年會推出新一代的NXE:3400C型光刻機，生產能力從現在的每小時125晶圓提升到155片晶圓以上，意味著產能提升24%。
　　在現有的EUV之外，ASML與IMEC比利時微電子中心還達成了新的合作協議，雙方將共同研發新一代EUV光刻機，NA數值孔徑從現有的0.33提高到0.5，可以進一步提升光刻工藝的微縮水平，制造出更小的晶體管。
　　NA數值孔徑對光刻機有什么意義？，決定光刻機分辨率的公式如下：
　　光刻機分辨率=k1*λ/NA
　　其中k1是常數，不同的光刻機k1不同，λ指的是光源波長，NA是物鏡的數值孔徑，所以光刻機的分辨率就取決于光源波長及物鏡的數值孔徑，波長越短越好，NA越大越好，這樣光刻機分辨率就越高，制程工藝越先進。
　　現在的EUV光刻機使用的是波長13.5nm的極紫外光，而普通的DUV光刻機使用的是193nm的深紫外光，所以升級到EUV光刻機可以大幅提升半導體工藝水平，實現7nm及以下工藝。
　　但是改變波長之后再進一步提升EUV光刻機的分辨率就要從NA指標上下手了，目前的光刻機使用的還是NA=0.33的物鏡系統，下一代的目標就是NA=0.5及以上的光學系統了。
　　如今ASML與IMEC合作的就是高NA的EUV工藝了，雙方將成立一個聯合實驗室，在EXE：5000型光刻機上使用NA=0.55的光學系統，更高的NA有助于將EVU光源投射到更廣闊的晶圓上從而提高半導體工藝分辨率，減少晶體管尺寸。
　　如今這項研究才剛剛開始，所以新一代EUV光刻工藝問世時間還早，此前ASML投資20億美元入股蔡司公司，目標就是合作研發NA=0.5的物鏡系統，之前公布的量產時間是2024年，這個時間點上半導體公司的制程工藝應該可以到3nm節點了。
　　國內2019年迎首臺EUV光刻機
　　光刻機是中國在半導體設備制造上最大的短板，處于技術領先的上海微電子裝備有限公司已量產的光刻機中，性能最好的是能用來加工90nm芯片的光刻機，與國外的技術差距說是鴻溝都不為過。正是因此，國內晶圓廠所需的高端光刻機完全依賴進口。
　　在國內，一直流傳著一種聲音，即受西方《瓦森納協議》的限制，中國只能買到 ASML 的中低端產品，出價再高，也無法購得 ASML 的高端設備。這一說法受到ASML 中國區總裁金泳璇的否認。金泳璇在接手媒體采訪時澄清：ASML 對大陸晶圓廠與國際客戶一視同仁，只要客戶下單， EUV 要進口到中國完全沒有任何問題。在交期方面，所有客戶也都完全一致，從下單到正式交貨，均為21個月。
　　而這一說法在中芯國際向ASML訂購的一臺最新型EUV極紫外線光刻機之后，貌似經過了證實。這一中國大陸首臺 EUV 光刻機，將在2019年交付。