EUV光刻機，要過七關 - asiasworldcity.hk

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公衆號記得加星標??，第一時間看推送不會錯過。來源：內容編譯自NRC。如何粉碎一塊薄餅？這個問題困擾着阿姆斯特丹納米光刻高級研究中心 (ARCNL) 的研究員迪翁·恩格爾斯 (Dion Engels)。這裏所說的薄餅指的是被粉碎的錫滴，它在 ASML 的光刻機中每秒被引爆五萬次。這會產生等離子體，發射出極紫外 (EUV) 光：一種極紫外輻射，將高度精細的芯片圖案投射到硅片或晶圓上。集成的晶體管越多，芯片的性能就越強。得益於 EUV 光刻機，如今用於手機或人工智能數據中心的最先進處理器上的芯片設計線間距僅爲幾十納米——百萬分之一毫米。ASML 與美國 Cymer 實驗室合作研究 EUV 技術長達二十年，發現粉碎錫滴可以產生更多的 EUV 光。其結果是：生產英偉達、蘋果、三星或英特爾先進芯片的機器很快就會更加高效地運轉。ASML 系統的許多基礎設計都誕生於阿姆斯特丹東區的科學園。ARCNL 成立於十年前，與阿姆斯特丹大學合作成立。其推動力來自 ASML 的技術總監兼聯席總裁 Martin van den Brink，他於去年退休。ARCNL 承擔 ASML 三分之一的預算（每年約 400 萬歐元），以便 80 名科學家能夠研究光刻技術的基本原理。重點是 EUV（極紫外光刻），ASML 是唯一一家掌握這項技術的芯片設備製造商。這些系統如今創造了數十億歐元的營業額，但在 2015 年，ASML 卻難以確保這些昂貴的設備（最新版本造價近 4 億歐元）可靠運行並實現盈利。ARCNL 的任務是改進這項技術，並研究在 EUV 失效的情況下的替代方案。Wim van der Zande 自 2022 年起擔任 ARCNL 主任，此前曾在 ASML 的研究部門工作。ARCNL 的學者們與 ASML 在費爾德霍芬和聖地亞哥的研究人員以及荷蘭和國外的技術大學合作。“這是一箇完整的生態系統，”Van der Zande 說道。ARCNL 的研究領域與 ASML 相關，ASML 是首批有機會評估新想法的公司。這種合作令人想起 NatLab。這家前飛利浦實驗室創造了 CD 播放器等著名發明，也爲 ASML 的光刻技術奠定了基礎。NatLab 進行了開創性的研究，即使沒有直接的商業應用，最終也被飛利浦削減。ARCNL 的科學家們堅信 ASML 面臨的最大挑戰是：經濟可行性。畢竟，不能爲芯片製造商創造利潤的機器是賣不出去的。 ASML 每年在研究上的投入超過 40 億歐元，遠超其他荷蘭公司，因此可以將 ARCNL 納入自己的管理。但這將損害其學術抱負。”商界只顧眼前利益，可能會突然叫停一箇項目。“ARCNL 主任Wim van der Zande說。Van der Zande：“作爲一名科學家，你可以在一箇研究項目上工作數年，但商界只顧眼前利益，可能會突然叫停一箇項目。” 儘管如此，大約四分之三的 ARCNL 研究人員在獲得博士學位後都會去 ASML 工作。以英特爾創始人戈登·摩爾命名的摩爾定律預測，芯片上的晶體管數量每兩年就會翻一番。如今，芯片製造商正在將數百億個微型開關塞進指甲蓋大小的表面上。芯片元件尺寸縮小的速度正在放緩，因爲芯片設計變得越來越高：製造商正在將芯片元件粘合在一起，並想出更智能地排列晶體管的方法，例如從底部供電。這就是新的現實，ASML 研究部門負責人 Jos Benschop 表示。“幾十年來，每個新節點（芯片代）的長度和寬度都縮小了 70%。現在這個數字大約是 20%。”但密度仍在不斷增加。最先進的EUV光刻機可以打印間距爲8納米（相當於32個硅原子的距離）的線條。當芯片線條如此靠近時，量子效應就會潛伏——電子會表現出不可預測的行爲。自20世紀90年代末以來一直致力於EUV研究的Benschop表示，事情並沒有那麼快發展：“根據最初的收縮速度，我們將在2065年左右達到四分之一納米（兩個硅原子之間的距離）的水平。我們很可能在下個世紀中葉達到這個水平。” 因此，ASML可以在未來幾十年繼續儘可能高效地縮小尺寸。但如何實現呢？High和Hyper與複印機一樣，光刻機也包含光源和投射圖像的透鏡或反射鏡。能夠成像的最小尺寸取決於光的波長和透鏡的開角（數值孔徑，NA）。由於新光源需要在整個芯片行業進行調整，ASML 總是首先改變其自身設備的光學系統。目前的 EUV 系統開角爲 0.33 NA，而新的高 NA 設備則可提供 0.55 NA。爲此，ASML 的合作伙伴蔡司必須使用更大的反射鏡，直徑可達一米以上。蔡司還必須開發複雜的測量設備，以原子級精度記錄偏差。ASML 和蔡司目前正在研發其繼任產品 Hyper-NA，其孔徑爲 0.75。Hyper-NA 鏡片不一定要更大。Jos Benschop 在白板上畫了個草圖：“你也可以把最後一面鏡片放在離晶圓更近的地方，這樣也能達到同樣的效果。缺點是會反射更多光線——這就是使用鏡片的弊端。”Hyper-NA 也有一箇優點：更大的開口角度可以處理更多光線，就像你倒空一箇寬口瓶比倒空一箇窄口瓶更快一樣。因此，Hyper-NA 不僅可以打印更清晰的線條，而且速度也更快。功率更大，“披薩”更少與其前代產品相比，笨重的激光器使EUV光刻機成爲耗電大戶。2015年左右，ASML公司以高功率（1.5兆瓦）製造了僅100瓦的EUV光刻機。目前運行的機器輸出功率約爲500瓦，並計劃將EUV光刻機的功率提升至1000瓦。這將逐步提高系統的效率：ASML公司預計，到2033年，每片曝光晶圓的EUV光刻機能耗將比2018年降低約80%。這種光源有點像一場超高速拳擊比賽。激光器首先輕輕敲擊下落的錫滴，使其變平，然後將其擊倒，導致錫滴爆炸併產生EUV光。這個過程每秒發生五萬次；很快將提升到六萬次。ASML 將壓碎的錫滴稱爲“煎餅”，但它更像是披薩，邊緣較厚。在爆炸過程中，很多錫會被剩餘的錫粒所利用。粉碎並鋪展錫粒的效果更好。額外的激光輕擊會產生一團微滴，然後將其轉化爲等離子體。爲了更高效地利用來自德國通快公司的激光器，ASML 希望在前兩次輕擊中使用固體激光器。這樣可以降低能耗，從而爲激光器留出更多能量用於最後的打擊。ARCNL 曾建議在最後一次打擊時也使用固體激光器——這樣可以節省更多能源。緊密層疊的“蛋糕”大量的EUV光在光學系統中被吸收。每個鏡片反射率約爲70%，這意味着經過十個鏡片之後，剩下的光就所剩無幾了。高數值孔徑光學元件的鏡片數量更少，因此產量更高。但鏡片數量更少，透鏡誤差的校正也變得更加困難。在特溫特工業大學，他們正在改進反射塗層，該塗層由交替堆疊的鉬和硅層組成。一種材料反射，另一種材料透明。總共有大約七十個“多層”互相疊加，每個層的反射率略低於3%。“通過這種方式，我們現在實現了高達71%的反射率，接近理論上可實現的75%，”Marcelo Ackermann教授說道。他領導着XUV光學團隊，與蔡司和ASML合作研究塗層配方。該實驗室以 Fred Bijkerk 教授於 20 世紀 90 年代初在 Nieuwegein 的 FOM 研究所啓動的 EUV 研究爲基礎。計算看似簡單：反射層厚度必須達到波長的一半。關鍵在於精確的成分，以及將厚度僅爲 10 納米的層層疊放。這通過 Ackermann 稱之爲“磁控濺射”的方法實現。與最初的 EUV 反射鏡相比，現在的“夾層蛋糕”各層之間的分離更加緊密，從而提高了光輸出。他的實驗室與 ARCNL 合作，還找到瞭解決 EUV 反射鏡上氣泡問題的方案。這些氣泡在 ASML 提高 EUV 功率後立即出現。關鍵在於添加一種額外的材料。究竟是哪種材料呢？“這就是我們的祕訣，”Ackermann 說。更短的波長1984年，ASML公司成立之初，光刻機使用的汞燈波長爲365納米或436納米。隨後，248納米和193納米的激光出現了，到2019年左右，芯片行業躍升至13.5納米。ASML公司並不指望這一點，但人們可以縮短波長來投射更小的細節。科學家們正在嘗試6.7納米和4.4納米的波長。有些元素可以爲EUV反射鏡提供合適的透明度和反射率組合——對於6.7納米來說，這些元素是鑭和硼。缺點是：波長較短時，反射率較差。爲了製造6.7納米的光，ARCNL正在構建一箇以釓代替錫爲材料的實驗裝置。然而，更短的波長並非靈丹妙藥。能量分佈在更少的光子上，如果想要打印納米級的線條，就會增加出錯的幾率。用專業術語來說，就是隨機噪聲。“綜合考慮，我認爲我們採用更短波長的可能性很小，”Benschop說。更大、更快的掩模版高數值孔徑光刻機使用鏡子將掩模版（帶有芯片圖案的藍圖）放大，使其長度和寬度有所不同。這使得用芯片圖案“填充”磁盤所需的時間更長。“這就像用油漆刷而不是刷子來粉刷牆壁，”Benschop 說。ASML 通過提高速度來彌補這一缺陷。掩模版支架在光刻機頂部來回移動，就像複印機的掃描儀一樣，現在的加速度爲 32G，相當於重力的 32 倍——只要機器不發生故障，Benschop 希望它的速度能再快幾倍。AI芯片的設計包含數千億個晶體管和數十個處理器核心，其規模如此之大，以至於在高數值孔徑（High-NA）工藝下，單個光罩已無法容納。設計的各個部分需要單獨投影，然後必須無縫粘合在一起。這種方法雖然可行，但並不實用。如果芯片製造商願意，ASML可以改用更大的光罩尺寸，從而再次“用畫筆作畫”。屆時，英特爾和臺積電等廠商必須發揮帶頭作用，說服光罩行業的供應商。利用 EUV 實現更多測量EUV 光不僅可以寫入納米結構，還可以測量它們。在 ARCNL，Stefan Witte 教授戴着護目鏡，在封閉的窗簾後，研究法國物理學家 Anne L’Hullier 的諾貝爾獎獲獎研究成果。她發現，超短光脈衝就像樂器一樣，在與其他材料接觸時會產生泛音。這種現象可以用來檢查芯片圖案的質量，甚至在生產過程中也能做到。ARCNL 研究員 Peter Kraus 展示了一套測試裝置，用於記錄芯片材料在不同角度散射 EUV 光的方式。“我們可以觀察到 5 到 10 納米的結構，”Kraus 說道。如此微小的細節是傳統光學計量系統無法實現的。ARCNL 正在研究的另一種方法是光聲學：短光脈衝產生聲波，可以“透視”芯片層。隨着芯片結構不斷縮小，同時三維尺寸不斷增大，這些信息變得越來越重要。替代光源作爲使用錫滴的EUV光刻機的備用方案，ASML在2015年左右對自由電子激光器進行了研究。這種激光器利用磁鐵影響電子，可以產生任何波長的光。這種自由電子激光器（FEL）的功率足以同時支持10到20臺光刻機。必須過濾掉如此大的能量，否則EUV鏡片就會失效。FEL看似高效，但實際操作起來卻很棘手。粒子加速器佔地一整棟建築，因此無法容納在芯片工廠中。如果必須對光源進行維護，則會導致多條生產線停工。如果芯片製造商只需要一兩臺額外的機器，那麼如此笨重的光源也毫無用處。ASML也曾與美國和日本的研究人員合作，認真研究過FEL，但最終放棄了。儘管如此，美國初創公司Xlight宣佈，計劃在2028年將FEL原型與ASML光刻機連接。Jos Benschop堅信，“激光等離子體”是產生EUV光最具成本效益的方式，尤其是在光源效率更高的情況下。但在中國，成本並非關鍵因素。該國目前不允許進口EUV光刻機，因此考慮將自由電子激光器作爲其自主研發先進光刻機的潛在光源。據中國科技網站報道，中國科技公司華爲也在嘗試利用等離子體源製造EUV光刻機。目前進展尚不明朗，但中國有一箇優勢：它不再需要證明這項技術是否有效——ASML已經做到了。“領先要複雜得多，”馬丁·範登布林克 (Martin van den Brink) 在 2015 年接受 NRC 採訪時說道。“我們最初在光刻領域只是追隨者。你看到前面有人開車，就會想：如果我跟着那些尾燈走，至少能走對方向。一旦你超越了競爭對手，你就必須確定自己的方向。”https://www.nrc.nl/nieuws/2025/05/22/dit-zijn-de-7-uitvindingen-waarmee-asml-machines-nog-complexere-chips-kunnen-maken-a4894128*免責聲明：本文由作者原創。文章內容系作者個人觀點，半導體行業觀察轉載僅爲了傳達一種不同的觀點，不代表半導體行業觀察對該觀點贊同或支持，如果有任何異議，歡迎聯繫半導體行業觀察。今天是《半導體行業觀察》爲您分享的第4068期內容，歡迎關注。加星標??第一時間看推送，小號防走丟求推薦

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