微影世界的藍(lán)色憂郁
焦慮、緊張和憂慮或許適合用來描述今天的微影領(lǐng)域。但也許后頭還有更嚴(yán)重的苦難，因?yàn)槿齻€(gè)主要的下一代微影技術(shù)(NGL)候選人──超紫外光(EUV)、無光罩和奈米壓印──統(tǒng)統(tǒng)遲到。第四個(gè)NGL選項(xiàng)：定向自組裝(DSA)盡管來勢洶洶，但它畢竟仍處于探索階段。
擺脫微影憂郁看來遙遙無期。今天的193nm浸入式微影技術(shù)仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先。業(yè)界一度認(rèn)為193nm浸入式微影會(huì)在32nm遭遇極限，但令人驚訝，看來該技術(shù)可擴(kuò)展到1-x奈米節(jié)點(diǎn)。不過，要獲得這些幾何圖形，晶片制造商必須采取更多、更昂貴的雙重曝光步驟。
而一度領(lǐng)先的下一代微影候選技術(shù)EUV仍然頑固地因?yàn)槿狈庠茨?、阻抗和關(guān)鍵光罩以及量測基礎(chǔ)設(shè)施而延遲。結(jié)果是EUV的聲望持續(xù)下滑，并失去了在1-x奈米節(jié)點(diǎn)大展身手的良機(jī)。
NAND快閃記憶體供應(yīng)商之間存在著一種對EUV的迫切感，因?yàn)樾枰狤UV來實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步微縮。NAND快閃記憶體廠商將193nm浸入式技術(shù)推進(jìn)到了2-x奈米節(jié)點(diǎn)，但他們遲早需要在1-x奈米部份用到EUV技術(shù)。“我們的確曾對EUV技術(shù)充滿寄望，”SanDisk公司技術(shù)總監(jiān)Tuan Pham說。SanDisk和東芝(Toshiba)在日本有一座合資的NAND晶圓廠。
當(dāng)被問及是否擔(dān)心EUV的地位時(shí)，Globalfoundries資深院士Harry Levinson表示：“我是必須擔(dān)心?！盠evinson也是該公司的微影策略經(jīng)理。
由于 EUV技術(shù)持續(xù)落后于半導(dǎo)體的微縮腳步，設(shè)備制造商ASML Holding NV據(jù)報(bào)導(dǎo)仍在思考將EUV波長從13nm減少到6.7nm，以追上摩爾定律。這也意味著該產(chǎn)業(yè)必須發(fā)展更新和更昂貴的EUV工具技術(shù)和基礎(chǔ)架構(gòu)，這讓該領(lǐng)域的專家們不寒而栗。
身處EUV技術(shù)陣營的領(lǐng)先晶片制造商，現(xiàn)在也對其他NGL技術(shù)持開放態(tài)度，如無光罩、奈米壓印，甚至是未來的IC自組裝?！百€注非常大，”VLSI Research公司總裁Risto Puhakka說。“如果你做出錯(cuò)誤的決定，就可能導(dǎo)致一場災(zāi)難?！?/p>
多年來，業(yè)界一直依靠傳統(tǒng)的光學(xué)微影來維持摩爾定律的發(fā)展。但恐怕早在上世紀(jì)70年代，光學(xué)微影便將發(fā)展動(dòng)能用光了。
當(dāng)時(shí)，晶片制造商認(rèn)為他們需要昂貴的X光微影以微縮元件。當(dāng)光學(xué)微影技術(shù)在20世紀(jì) 80年代打破了1微米壁壘時(shí)，該技術(shù)推動(dòng)了對X光的需求，但最終也將X光釘入了棺木。
而后，在1990年代，關(guān)于光學(xué)微影是末代技術(shù)的擔(dān)憂再次浮現(xiàn)。當(dāng)時(shí)有眾多針對65nm晶片制造及以下制程的NGL技術(shù)，包括：157nm波長、電子束、電子束投影微影(EPL)、超紫外光、離子束、解剖刀掃描電子束等。而在過去十年內(nèi)，高指數(shù)(high-index)、奈米壓印、無光罩和自組裝也陸續(xù)問世。
隨著時(shí)間的推移，157nm、高指數(shù)、EPL、解剖刀掃描電子束和其他技術(shù)逐漸銷聲匿跡。今天，余下的四個(gè)競爭者是EUV技術(shù)、奈米壓印、無光罩和自組裝。
在20世紀(jì) 90年代，軟X光技術(shù)的出現(xiàn)成為推動(dòng)EUV的關(guān)鍵。包括英特爾(Intel)、超微(AMD)、摩托羅拉(Motorola)和國家實(shí)驗(yàn)室，開始在加州Livermore的Lawrence Livermore Labs開發(fā)EUV技術(shù)。
EUV誕生
EUV技術(shù)采用13.5nm波長，在真空室中加工。其光學(xué)元件基本上是一個(gè)可透過層間干擾方式反射光線的無缺陷透鏡。
EUV技術(shù)一度被認(rèn)為可用于65nm節(jié)點(diǎn)的生產(chǎn)，但該技術(shù)不斷延遲。而總擁有成本(COO)仍是一大問題，因?yàn)榕c現(xiàn)行的光學(xué)‘光簇’(photo-cluster)售價(jià)7,000萬美元相比，今天EUV的‘光簇’(photo-cluster)售價(jià)高達(dá)1.2億美元，Globalfoundries的Levinson表示。
ASML、佳能(Canon)和尼康(Nikon)是三大主要的EUV掃描器制造商。但最近，佳能跌出了領(lǐng)先微影廠商排行榜。
剩下的兩家廠商ASML和Nikon則有不同的策略。ASML公司正努力讓EUV技術(shù)能應(yīng)用在22nm節(jié)點(diǎn)，但Nikon認(rèn)為在16或11nm節(jié)點(diǎn)前，該技術(shù)都尚未就緒。 “EUV生態(tài)系統(tǒng)也會(huì)延遲，”Nikon的新世代技術(shù)開發(fā)部門總經(jīng)理Yuichi Shibasaki說。
尼康一直在開發(fā)的EUV工具稱為EUV1，這是一套生產(chǎn)系統(tǒng)，據(jù)報(bào)導(dǎo)該系統(tǒng)預(yù)計(jì)在2012年左出貨。
ASML公司的策略相對明確。如同其193nm浸入式策略，該公司趕在Nikon之前向客戶交付試產(chǎn)的EUV技術(shù)工具。ASML希望客戶將藉由這套試產(chǎn)工具獲得經(jīng)驗(yàn)，從而逼使Nikon退出市場。
截至目前，ASML已出貨兩套alpha EUV工具，一套交付給Albany Nanotech，另一套則交貨給IMEC。ASML最近也對三星電子推出了其首款獨(dú)立的預(yù)生產(chǎn)EUV工具NXE:3100。ASML公司剛剛付運(yùn)另外一套系統(tǒng)給IMEC。整體來說，ASML現(xiàn)有六張NXE:3100訂單。
NXE:3100據(jù)聞?chuàng)碛?7nm解析度，數(shù)值孔徑(NA)為0.25，場尺寸為26nm，微影壘對(overlay)為4nm，flare則少于5%。這套工具售價(jià)將近1億美元。
該工具的目標(biāo)是在今年底達(dá)到每小時(shí)60片晶圓的吞吐量。但目前它的吞吐量每小時(shí)僅5片晶圓。EUV工具每小時(shí)約需200W的功率來處理100~150片晶圓。目前，ASML的EUV工具僅運(yùn)作在10W左右。
分析師認(rèn)為，ASML公司在推動(dòng)EUV的過程中已經(jīng)做了非常好的努力。現(xiàn)在，該公司的EUV客戶正在等待由幾家第三方合作夥伴開發(fā)的光源能。
盡管問題頻傳，但ASML對光源供應(yīng)商付出了無比耐心。“我們有三家全力合作的廠商，”ASML執(zhí)行副總裁暨首席產(chǎn)品和技術(shù)長Martin van den Brink說。
有兩家廠商為ASML的NXE:3100工具提供光源能：Cymer公司和Ushio公司。Cymer已經(jīng)開發(fā)了基于雷射激發(fā)電漿型(laser-produced plasma, LPP)技術(shù)的光源能。據(jù)ASML表示，Cymer的LPP光源能是在11W的持續(xù)功率上運(yùn)作。
競爭對手Ushio則正在開發(fā)一種基于放電技術(shù)的光源能。ASML稱Ushio的光源能已達(dá)到12W功率。另一家廠商Gigaphoton公司則展現(xiàn)了20W的功率。
“Cymer已經(jīng)售出了四套EUV光源能給客戶，而且正準(zhǔn)備推出第五套，來自三星的初步反饋指出混合圖案相當(dāng)良好，但吞吐量很差，”Barclays Capital分析師C.J. Muse在一份報(bào)告中提到。
迫切需要光源能
我們的調(diào)查反饋仍然有差異，當(dāng)前的EUV吞吐量大約每小時(shí)7-15片晶圓左右，遠(yuǎn)低于每小時(shí)60片的目標(biāo)，Muse說。不過，這仍然讓Cymer領(lǐng)先其主要競爭對手Gigaphoton約六個(gè)月。[!--empirenews.page--]
另一個(gè)問題是，當(dāng)ASML和Nikon在2012年出貨其EUV工具時(shí)，EUV光源必須達(dá)到要求的目標(biāo)。
“根據(jù)技術(shù)藍(lán)圖，HVM Gen 1 Cymer光源的目標(biāo)是達(dá)到105W的輸出功率；HVM Gen 2約達(dá)250W(根據(jù)目前揭露的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié))，而HVM Gen 3則約350W；”Muse說?！耙簿褪钦f，Cymer的腳步有點(diǎn)落后于功耗調(diào)整。他們目前的光源是運(yùn)作在11W左右；該公司主管認(rèn)為今年中他們將達(dá)到約22W，實(shí)驗(yàn)室的性能表現(xiàn)約為80W，而2011年中可望實(shí)現(xiàn)100W功率并推出產(chǎn)品，希望2011年第四季能交付給客戶。”
放電激發(fā)電漿型(discharge-produced plasma, DPP)和雷射激發(fā)電漿型(LPP)光源技術(shù)將以平均10~20W的曝光功率水平持續(xù)對ASML的NXE:3100設(shè)備作出貢獻(xiàn)，諮詢公司EUV Litho Inc.總裁Vivek Bakshi表示。
“我估計(jì)在2011年該數(shù)字將增加一倍達(dá)到40W，在2012年之前都無法實(shí)現(xiàn)100W的目標(biāo)，”他說。“所以我們可以預(yù)期100W的光源與NXE:3300工具同時(shí)問世，這是一件好事，因?yàn)?00W可支援每小時(shí)80片晶圓的吞吐量，一些專家認(rèn)為必須為量產(chǎn)做準(zhǔn)備，”他表示。
這是個(gè)好消息。現(xiàn)在，輪到壞消息了?！拔蚁嘈牛壳暗墓庠醇夹g(shù)版本可以達(dá)到100~150W。然而，就算達(dá)到100W，我們還是需要更多的創(chuàng)新，以獲得150W和發(fā)展250W光源，我們還需要思考更多?！?/p>
不過，最大的問題是，EUV技術(shù)是否仍是晶片生產(chǎn)的首要考量。而在這其中，EUV技術(shù)仍然落后遂成為關(guān)鍵。SanDisk-東芝已經(jīng)推出24nm的NAND元件，并宣布今年稍晚將推出1-x奈米產(chǎn)品。
對于，SanDisk與東芝的合資工廠使用193nm浸入式微影技術(shù)，再加上雙重曝光技術(shù)生產(chǎn)24nm的NAND元件，稱之為隔層(spacer)技術(shù)，SanDisk的Pham說。據(jù)報(bào)導(dǎo)，Hynix、美光(Micron)和三星都在2-x奈米NAND生產(chǎn)中使用了類似技術(shù)。
在發(fā)展1-x奈米節(jié)點(diǎn)早期階段，有跡象顯示NAND快閃記憶體廠商SanDisk-東芝可能需要延長193nm浸入式技術(shù)，直到EUV準(zhǔn)備好，Pham表示。
另一家廠商──三星，則一直努力推動(dòng)將EUV技術(shù)導(dǎo)入DRAM和快閃記憶體的生產(chǎn)。三星認(rèn)為DRAM將是率先使用EUV的應(yīng)用，理論上這適用于下一代元件中難以致密的接觸孔成像和間隔。
在邏輯方面，英特爾公司計(jì)劃將目前的193nm浸入式微影技術(shù)拓展到14nm邏輯節(jié)點(diǎn)，預(yù)計(jì)在2013年下半年實(shí)現(xiàn)。然后，這家晶片巨擘希望在10nm節(jié)點(diǎn)使用EUV技術(shù)，該目標(biāo)預(yù)計(jì)在2015年下半年達(dá)到。
英特爾的10nm節(jié)點(diǎn)發(fā)展已歷時(shí)四年多，該公司目前正在制訂相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)則，但延遲的EUV依然未能參與此一盛晏。“EUV趕不及參與10nm節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)規(guī)則的定義，”英特爾微影技術(shù)總監(jiān)Sam Sivakumar說。請參考：英特爾：EUV技術(shù)恐趕不上10nm節(jié)點(diǎn)進(jìn)度
另外兩家代工競爭對手──Globalfoundries和臺積電(TSMC)則有不同的微影技術(shù)策略。請參考： Globalfoundries, TSMC square off in litho
一些人認(rèn)為EUV技術(shù)在6.7nm波長的基礎(chǔ)上將是更可行的解決方案，這很有可能推動(dòng)次1nm元件的實(shí)現(xiàn)。但像13.5nm EUV、6.7nm等技術(shù)卻面臨著許多相同障礙：光源能、測量等。
基于6.7nm波長的EUV技術(shù)是一種有趣的概念，但業(yè)界至今甚至仍未征服13.5nm技術(shù)，TSMC奈米成像部門副總裁Burn Lin觀察。
那么，EUV技術(shù)是不是有可能永遠(yuǎn)無法成為商業(yè)上可行的量產(chǎn)方案，即使投注了大量的時(shí)間和金錢？“當(dāng)然，”Peterson Advanced Lithography公司總裁暨主席Jim Peterson說。Peterson Advanced Lithography是一家提供微影產(chǎn)品和服務(wù)的公司。
“如果一項(xiàng)技術(shù)具有競爭力，那么，在進(jìn)入商用化之前，它就必須取得巨大的進(jìn)展，”日本凸版印刷(Toppan Printing)美國子公司Toppan Photomasks技術(shù)長Franklin Kalk說。
Kalk堅(jiān)持，EUV光罩在這點(diǎn)上并沒有遭遇瓶頸；EUV光罩的成像非常簡單，但直到EUV進(jìn)入量產(chǎn), 業(yè)界是不會(huì)知道哪一個(gè)步驟是必須在EUV光罩上進(jìn)行缺陷管理的，他表示。
Kalk和一些專家指出，EUV技術(shù)的商業(yè)化生產(chǎn)并不是一個(gè)問題?？赡苡泻芏喙究诖苌?，也或許只有少數(shù)幾家，但這些公司將繼續(xù)建立先進(jìn)的晶圓廠并持續(xù)EUV的研發(fā)，Kalk說?！斑@必然會(huì)發(fā)生。”
不過，Kalk也與其他人一樣，關(guān)注EUV的潛在吞吐量。目前的共識是EUV生產(chǎn)工具必須達(dá)到至少每小時(shí)65~80片晶圓的吞吐量，才能讓EUV具經(jīng)濟(jì)效益。雖然根據(jù)Kalk的建議，這將是初期令人滿意的吞吐量，但長遠(yuǎn)來看，吞吐量也將有所改善，他說。
對許多人來說，EUV是唯一的下一代微影技術(shù)?！肮鈱W(xué)微影已經(jīng)接近尾聲了，”VLSI Research的CEO Dan Hutcheson和該公司的Puhakka表示。他們指出，短期內(nèi)EUV是昂貴的，但也只有它才能確保競爭力。
EUV比其他的NGL技術(shù)獲得更多進(jìn)展。過去十年內(nèi)，一些公司開始研究新一代電子束技術(shù)，稱為無光罩微影(ML2)。包括IMS、KLA-Tencor、Mapper、Multibeam和其他公司都各自進(jìn)行開發(fā)，他們的方法是在單一機(jī)臺上使用多波束。理論上，ML2應(yīng)該能克服與單一波束直接寫入相關(guān)的吞吐量問題。
無光罩仍然缺乏資金且進(jìn)度落后。要讓無光罩技術(shù)商用化，業(yè)界至少要募到1億美元，Design2Silicon (D2S)總裁兼CEO Aki Fujimura表示。
這個(gè)數(shù)字可能還被低估了。在今年的SPIE上，新創(chuàng)的無光罩公司Multibeam Corp.介紹了互補(bǔ)電子束微影(CEBL)技術(shù)，及甚努力推動(dòng)無光罩技術(shù)商業(yè)化的努力。
晶圓廠設(shè)備巨擘KLA-Tencor也提出了更多正在為無光罩技術(shù)商業(yè)化努力的細(xì)節(jié)，包括反射電子束微影(REBL)技術(shù)在內(nèi)，該計(jì)劃由KLA-Tencor和DARPA公司贊助。
最初的工具使用使100 KeV源、旋轉(zhuǎn)臺和一個(gè)數(shù)位圖案產(chǎn)生器(DPG)。旋轉(zhuǎn)臺是一個(gè)六晶圓平臺。該DPG是一款CMOS晶片，帶有小型、獨(dú)立可控的金屬單元或畫素陣列，它主要用途是作為電子鏡陣列。
該工具允許100萬個(gè)‘細(xì)光束’(beamlets)同時(shí)被暴露在晶片上。REBL的目標(biāo)是在16nm節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)晶圓成像，KLA-Tencor的REBL資深總監(jiān)Paul Petric說。
最初，單柱型工具使用‘靜態(tài)DPG’晶片。KLA-Tencor正在開發(fā)一種基于CMOS的新型DPG，它由28個(gè)金屬層和1,454個(gè)焊盤組成。然而，該公司目前在焊盤方面有些困難，他表示。
在商業(yè)化以前，REBL看來還有很長的路要走。荷蘭的Mapper Lithography Bv公司在今年的SPIE上并沒有提出太多實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展報(bào)告。該公司提出的成果包括使用其110電子束的系統(tǒng)在32nm半間距節(jié)點(diǎn)進(jìn)行晶圓成像。[!--empirenews.page--]
奈米壓印、定向自組裝
Mapper的pre-alpha系統(tǒng)獲臺積電采購，該系統(tǒng)每小時(shí)吞吐量目前為10~20片晶圓。Mapper推動(dòng)其技術(shù)邁向量產(chǎn)的計(jì)劃，是建立一個(gè)約由10套工具組成的叢集，以達(dá)到每小時(shí)約100片晶圓的吞吐量。
另一個(gè)候選的NGL技術(shù)──奈米壓印，同樣進(jìn)展緩慢。包括EV Group、Nanonex、Nanolithosolution、Molecular Imprints Inc. (MII)、Obducat、Suss都投入了奈米壓印領(lǐng)域。
奈米壓印技術(shù)并未使用昂貴的光學(xué)元件，而是采用簡單的壓印或熱鑄制程，在元件上產(chǎn)生特征圖案。這種制程先從模板或鑄模著手，然后再由電子束工具根據(jù)1:1比例的縮減機(jī)制在模板上選擇特征圖案。使用奈米壓印工具──就像一臺巨大的壓印機(jī)──模板被壓向加熱的單層基板，最終形成微型的特征尺寸。
但奈米壓印的低吞吐量、微影壘對(overlay)、缺陷率等缺點(diǎn)，使其還無法成為主流制程。
出于這些原因，奈米壓印一直無法用于晶片生產(chǎn)，至少現(xiàn)在還沒有辦法。它仍然停留在研發(fā)實(shí)驗(yàn)室或大學(xué)研究階段。
幾年前，MII公司出貨了奈米壓印工具給東芝公司。但在今年的SPIE上，東芝表示奈米壓印仍然沒有準(zhǔn)備好迎接其黃金時(shí)代。
但另一方面，奈米壓印也正在取得進(jìn)展。同樣在SPIE上，Sematech“展示了具體缺陷率0.09cm2的良好結(jié)果，”MII公司總裁暨CEO Mark Melliar-Smith表示。“由于這已經(jīng)低于東芝所設(shè)定的0.1cm2水平，我認(rèn)為我們正在走向成功?！?/p>
MII展示了多款已在過去12個(gè)月內(nèi)出貨的工具平臺。包括一款針對CMOS的工具，“5xx系列每小時(shí)吞吐量為20片晶圓，而且擁有良好的微影壘對(overlay)，”他表示。
但奈米壓印在其最大的潛在市場──硬碟(HDD)──也有可能延誤。目前硬碟制造商使用濺鍍技術(shù)在硬碟上實(shí)現(xiàn)磁性介質(zhì)，但這些產(chǎn)品很快地就會(huì)遭遇1TB容量的極限。
大約在今年底左右，硬碟制造商們將使用一種名為‘位元規(guī)則介質(zhì)’(bit-patterned media)的下一代技術(shù)來生產(chǎn)硬碟；這種技術(shù)據(jù)稱可將傳統(tǒng)的儲存容量擴(kuò)展到10TB。
請參考：奈米壓印技術(shù)遲到新一代硬碟延宕問世時(shí)程
在爭相取代EUV的NGL技術(shù)中，定向自組裝(DSA)在今年SPIE上的表現(xiàn)最為搶眼。DSA技術(shù)概念聽起來像科幻小說，它是將塊狀共聚合物(block copolymer)或是聚合物混合物(polymer blend)沉積在基板上，通常采用旋轉(zhuǎn)涂布，并經(jīng)由退火過程以‘指揮’其形成有序的結(jié)構(gòu)。研究人員指出，DSA相容于傳統(tǒng)的193nm微影設(shè)備，不再需要雙重曝光步驟。
請參考：EUV又遲到專家看好“定向自組裝”
但DSA仍處在研發(fā)階段，但已經(jīng)有一些機(jī)構(gòu)提出令人振奮的報(bào)告，包括IBM、應(yīng)用材料等。JSR稍早前也才針對次20nm半間距節(jié)點(diǎn)推出了DSA技術(shù)，這是該公司與IBM研發(fā)協(xié)議的一部份。
編譯： Joy Teng
(參考原文： Analysis: Litho world needs a shrink，by Dylan McGrath , Mark LaPedus)
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