光刻机在半导体领域一向是个热门话题，这个能一次又一次突破工艺极限的设备仿佛一个时光机器，连接着芯片的现在和未来。从ASML宣布将推出下一代光刻机开始，人们的目光就从当前最新一代的0.33 NA光刻系统转移到了下一代0.55NA 光刻系统身上。
不知道会不会有人和笔者一样，一边感叹着时间就像是被狗追着一样,跑得飞快，一边又期待着2025年的到来，因为从目前的消息来看，售价4亿美元的下一代光刻机很有可能将在2025年投入使用。
那么，为什么需要High-NA EUV 光刻机？目前下一代光刻机的进展如何？而它又将面临哪些挑战？
为什么是High-NA
众所周知，光刻机的主要作用是将芯片电路图转移到硅片上，而光刻技术正是决定芯片电路大小的关键因素。在芯片制造中，电路越小越好，因为在相同空间中封装的晶体管越多，芯片的速度和能效就越高。
在28nm 及以上的时代，芯片制造的过程应该算是相对简单的，只需要将设计好的芯片图案印在掩膜上，并把掩膜放置在光刻扫描仪中，扫描仪只需要进行单次光刻曝光，就可以把电路图“雕刻”在晶片上，这属于最简单的单一图案化工艺。
但当芯片制程工艺来到了22nm节点，随着晶体管从平面走向3D，掩膜上的电路图变得密集，使得在晶圆上“雕刻”电路图变得更加困难，大幅提高了芯片制造工艺的难度和成本。为此，芯片制造工艺从上述简单的单一图案化工艺转向多重图案化，芯片电路图不再只被印在一个掩膜上，而是被分割在两个甚至多个掩膜上，分别打印每个掩膜，最终将整套原始绘制的形状成像到晶圆上。为了能把电路图印在晶圆上，芯片制造商使用了各种工艺方案，比如双重图案化或自对准方案，这些工艺技术可以把越来越小的电路印在晶圆上。
图源：方正证券
在EUV光刻机出现之前，技术人员利用193nm的光刻机，也就是我们常说的DUV光刻机，通过把镜头放在水里、相移掩膜、多重曝光的方法，一步步推进芯片技术节点。方正证券曾指出，通过自对准双重图案技术、四重图案化工艺等，理论上是DUV光刻机是可以实现7nm节点工艺制程，但是显然所需的掩膜数量极其多，而且工艺也十分复杂，量产难度很大。
这时候，EUV技术出现了。根据瑞利方程，光刻机所用光源波长越短，越能描绘微细线宽的半导体电路，因此凭借 13.5nm 的极短波长，EUV 光刻被引入以取代 193nm的DUV光刻机。对于芯片金属层M2的间距为 36 nm ~ 38 nm的7 nm/6 nm 节点，以及间距为 30 nm ~ 32 nm的5nm 节点来说，13 nm 分辨率足以让芯片制造工艺再次回到了单一图案化时代。
目前，最为先进的5/4nm芯片，以及今年内有望量产的3nm芯片，使用的就是ASML 0.33 NA光刻系统：NXE:3400C或者NXE:3400D。
图源：ASML
但HJL Lithography的Harry Levinson曾指出，金属层M2在 28nm 及以下的间距下，代工厂及其客户有以下选择——双重图案化 EUV、三重图案化EUV 或High-NA。如今3nm还有NXE:3400D来拯救，那2nm甚至1nm节点该怎么办？
对于EUV的多重图案化，专家们分别从技术和成本上给予了否定。Brewer Science高级技术专家 Doug Guerrero 表示：“即使我们将多种图案化技术应用于 EUV，叠加也将非常困难。“Harry Levinson也指出，从经济角度来看，认为双重模式没有意义。
由此看来，为了能让摩尔定律能够继续延续下去，*解就是High-NA。NA是光学系统的数值孔径，表示光线的入射角度，使用更大的NA透镜可以打印出更小的结构，比如0.55 NA 就能够实现 8nm 分辨率。
一方面，High-NA EUV能够减少晶圆厂的周期时间，因为单次High NA 所需的总处理量将少于多次通过 0.33 NA EUV 的总处理时间。另一方面，也提高了芯片设计的灵活性，某些设计元素只能在单个掩模中实现，而High NA 为这些元素提供了改进的成像窗口。更重要的是，工艺步骤的减少还能提高了芯片的产量。
从这方面来说，High-NA EUV是必然的选择。
当前，进展如何
既然ASML 下一代EUV 0.55 NA光刻机的时间表已出，那么现在，它的进展又如何？
据路透社最新消息，ASML 位于荷兰 Veldhoven 镇总部的高管告诉路透社，原型机有望在 2023 年上半年完成。也就是说原型机还有一年就可以完成了。
图源：ASML
此外，ASML 首席执行官 Peter Wennink在4月透露，目前在位于 Veldhoven 的新洁净室中已经开始集成*个High-NA 系统。今年*季度收到了多个 EXE:5200 系统的订单，4 月还收到了额外的 EXE:5200 订单。目前，ASML收到了来自三个逻辑厂商和两个存储厂商的 High-NA 订单。
同时，ASML还正在与比利时电子研究中心IMEC建立一个测试实验室，将在其中建造高 NA 系统，连接到涂层和开发轨道，配备计量设备，并建立与高NA工具开发相伴的基础设施——包括变形成像、新掩膜技术、计量、抗蚀剂筛选和薄膜图案化材料开发等，并准备最早在2025 年使用生产模型，在 2026 年实现大批量生产。
当然，光刻机作为一个由来自全球近800家供货商的多个模块和数十万个零件组成的“庞然巨物”，仅靠ASML一家努力是远远不够的，其他和光刻机有关的厂商也已奔赴战场。
在镜头方面，蔡司和ASML将在High-NA光刻机上采用变形镜头，他们通过在垂直于入射平面的方向上保持 4 ×镜头缩小解决了晶圆上*曝光场尺寸过小问题，从而得到 26 mm × 用于High NA EUV 光刻机 16.5 mm 的视场大小。
光照下的 EUV 掩模示意图
图源：日本应用物理学杂志
此外，多层反射镜具有高反射率的窄入射角范围对透镜和掩膜都有影响，将当前一代 0.33 NA 镜头的镜头设计概念扩展到 0.55 NA 会导致镜面入射角较大，这是有问题的。因此，蔡司使用一种不同类型的高数值孔径设计，以减少反射镜上的*入射角，这种新设计的一个基本特征是中央遮蔽，具有中央遮蔽的高性能镜头已被用于其他应用，例如天文学，哈勃太空望远镜就是一个众所周知的例子。
EUV 透镜中最后两个反射镜的图示
图源：日本应用物理学杂志
而日本测试设备制造商Lasertec对于High-NAEUV，正在开发一种具有 1nm x 30nm 灵敏度的用于 EUV 掩膜坯料的光化坯料检测 (ABI) 新系统。USA 总裁Masashi Sunako曾表示“我们的目标是缺陷定位精度为10nm。”
据了解，Lasertec还推出了使用 13.5nm 光源的光化图案掩膜检测 (APMI) 系统，能够定位 EUV 掩模的20nm缺陷。当然，其对于High-NA EUV掩模的 APMI 系统也在开发中，据悉，新的光学器件、探测器和系统设计已经完成，计划用于2023/2024 年。
此外，KLA 和 NuFlare 也在开发多束电子束掩模检测工具。其中，NuFlare 正在开发具有 100 束光束的多光束检测系统，计划于 2023 年推出。NuFlare 的Tadayuki Sugimori 指出，该系统灵敏度为 15nm，每个掩膜检查周期的检查时间为 6 小时。
未来，挑战依旧重重
即便厂商们都在努力，但想要制造出High-NA EUV依然有着不小的挑战。近期，在日本应用物理学杂志4月发表的《高数值孔径 EUV 光刻：现状和未来展望》论文列出了High-NA EUV面对的八大挑战，分别是：无法满足分辨率要求，随机现象和图案崩溃可能影响良率；可以支持光子散粒噪声和生产力要求的光源；满足 0.55 NA 小焦深的解决方案；偏振控制，用于在 0.55 NA 下保持高对比度；计算光刻能力；掩膜制造和计量基础设施；大芯片解决方案；High-NA EUV 光刻成本。
图源：日本应用物理学杂志
·分辨率的要求
长期以来，光刻胶一直限制着EUV光刻能力，并随着技术的发展，不断减薄，这也使得线条边缘粗糙度 (LER)不断增加。早在ArF 光刻的时候，人们就已经意识到LER的问题，但那时候它对芯片制造影响不大，但随着工艺节点不断微缩，LER就开始影响线宽控制和器件性能。想要降低LER带来的影响，就必须实现低LER。
使用 EUV 光刻图案化的 30 nm 线/空间中随机引起的缺陷示例
图源：日本应用物理学杂志
另一方面，许多不同类型的 EUV 光刻胶都有个共同特征，那就是模糊。除了由电子引起的图像模糊外，在曝光后烘烤过程中，由于光酸扩散，化学放大抗蚀剂也会出现额外的模糊，在某种程度上也会影响良率。
当前，以 10 nm ½ 间距及以下为目标的光刻胶的研发仍在进行中，必须克服目前化学放大型抗蚀剂存在的许多问题，但目前还没有发现具有低LER、低水平的随机性缺陷、无图案塌陷和必要的分辨率，同时避免过高曝光剂量的光刻胶，需要继续研发、改进。
·光源
无论是光刻胶还是其他特定材料配方，都存在一个剂量，低于该剂量时光子散粒噪声引起的 LER 和缺陷太大而无法满足技术要求，因此需要有足够高输出功率的光源以避免降低吞吐量和生产率。
ASML 的 EUV 曝光工具的吞吐量作为源功率 (W) 除以曝光剂量 (mJ cm -2 ) 的函数。箭头指示具有 500 W 源和 80 mJ cm -2暴露剂量的工具的点。
图源：日本应用物理学杂志
ASML SanDiego 使用其激光产生的等离子体 (LPP) 光源实现了 400-500 W 的输出，通过将红外激光转换为波段内EUV光的更高效率，提高了脉冲间重复性，增加LPP 光源的输出。此外，人们还把自由电子激光器认为是 LPP 光源的替代品。目前来看，ASML仍在努力实现更高的光输出。
·满足 0.55 NA 小焦深的解决方案
焦深（DOF）一直也属于光学投影光刻的挑战。当NA为0.55 时，DOF明显降低，大约是0.33 NA 的 1/3，因此需要改进聚焦控制来实现高数值孔径 EUV 光刻。在这方面，为了获得良好的成像，光刻胶减薄就非常重要，但当光刻胶薄膜变得非常薄时，又会存在诸如组件偏析之类的现象，降低图案化。
此外，焦点控制不仅仅是光刻技术中的问题，还对晶圆平整度提出了更高的要求，这也对薄膜沉积，尤其是化学机械抛光 (CMP) 提出了严格的要求。
·偏振控制，用于在 0.55 NA 下保持高对比度
在High-NA下，图像对比度取决于照明的偏振。如下图所示，两个干涉平面波的图像对比度可以在S偏振光的大NA下保持，但随着NA的增加，P偏振和非偏振光的对比度变小。出于这个原因，浸入式光刻机的照明系统提供了偏振控制，并计划在High NA 曝光工具上初始使用的激光产生的等离子体 (LPP) 光源产生非偏振光。当在0.55 NA 处使用非偏振光时图像对比度会明显下降。另一方面，自由电子激光器的发射是偏振的，这为考虑将自由电子激光器 (FEL) 作为High NA EUV 曝光系统的光源提供了额外的动力。
给定数值孔径支持的两个干涉平面波在*入射角下产生的图像对比。
对于 S 偏振，偏振矢量垂直于入射平面，而对于 P 偏振光，它们位于入射平面内。
图源：日本应用物理学杂志
·计算光刻能力
计算精度需要考虑许多物理现象，同时与高 NA 相关的小焦深增加了对计算解决方案的需求。当前，反向光刻技术 (ILT) 已被证明可用于构建*化工艺窗口的掩膜版图，并且由于 ILT 的应用而产生的*掩膜布局通常呈曲线，让掩膜制造变得更加困难。
而多光束掩模写入器解决了这个问题，不仅让生产具有曲线图案的高质量掩模成为可能，还开始对掩膜上曲线特征的数据格式进行标准化。虽然ILT 和曲线特征并不是High NA EUV 所独有的，但这些功能在High NA EUV 上逐渐成熟，因此有望成为High NA 技术的重要组成部分。
·掩膜制造和计量基础设施
光掩膜是芯片制造的重要组成部分，随着电路图越来越小，与理想掩膜的偏差越来越大，进而影响了最终晶圆的图案。因此需要解决掩膜难题，包括减少掩膜3D 效果、增强对掩膜寿命等。最重要的是，在High NA EUV 光学系统中引入新光掩模类型也给掩膜行业带来额外的复杂性。
当前基于钽的吸收器通常约为 60-70nm 厚，旨在吸收足够量的光，与13.5nm 波长相比，厚度较大，因此以特定入射角（在传统 EUV 光刻中以 6° 为中心）照射掩膜，会扭曲空中图像，最终转移到光刻胶中的光图案，并降低其图像对比度。这些所谓的掩膜 3D 效果还伴随着更多的特征相关变化和对晶圆的*聚焦，这对DOF原本就已经降低的High NA EUV 光刻技术提出了额外的挑战。
当然，随着掩膜逐渐变得复杂，对设备的要求也日渐提升。
·大芯片解决方案
当前大芯片十分火热，但却由于尺寸太大无法适应高 NA 曝光工具的 ½ 场。为了能够继续生产具有相似尺寸的芯片，需要采用拼接。换句话说，就是一部分芯片使用一个掩膜进行图案转印，而其余部分通过第二个掩膜曝光进行图案转印。
拼接不是一种新的光刻技术，但需要非常精确实施。此外，由于 EUV 吸收剂不能完全有效地抑制反射光，因此往往通过蚀刻去除掩膜版曝光区域周围的多层反射器，而蚀刻黑色边框会导致局部应力降低，进而影响掩膜特征。
·High-NA EUV 光刻的成本
成本一直是光刻机关注的问题，光刻机价格昂贵不是一天两天了，显然High NA EUV光刻机只会更贵，其成本预计将超过 3 亿美元。前面几代光刻机，其价格的指数增长被吞吐量的提高所抵消，由此可以看出光刻机的吞吐量尤为重要。
因此，如何提高光刻机的吞吐量成为了关键，从这方面来看，提高光源的功率是解决办法之一。一方面，ASML San Diego 已经为 LPP 源实现了 400-500 W 的源功率，并且计划实现更高的功率。另一方面，除了提供偏振光外，自由电子激光器预计具有高功率，这也是考虑将自由电子激光器作为 EUV光刻机光源的另一个原因。
但当光源高于800 W后，High NA EUV 光刻机的吞吐量将接近机械极限，届时又将面临新的难题。
写在最后
总的来说，光刻机向High NA迈进已经成为“续命”摩尔定律的必经之路，在日前举办的的SPIE Advanced Lithography and Patterning上，甚至开始讨论如何转向 0.7 NA EUV。但显然，横跨在大家面前的，仍是不小的挑战。
