EUV光刻机的奇迹之路
数据来源: 半导体芯闻
发布时间:2022-10-11

在光刻技术中,使用较短的光波长使芯片制造商能够缩小尺寸并增加芯片上特征(或晶体管)的密度,从而使芯片更快、更强大。当 ASML 于 1984 年成立时,该行业使用产生 436 纳米 (nm) 光的汞蒸气灯,称为 g-line,后来,产生了 365 nm 的紫外 (UV) 光,称为 i-line。早期的 EUV 研究人员追求从 4 到 40 的几个波长,但最终选择了 13.5 作为锡等离子体产生 EUV 光的最佳点。

EUV 并不是研究人员探索的唯一能够实现未来几代“微缩”的技术。电子束光刻(Electron beam lithography)和离子束光刻(ion beam lithography )似乎是其他可行的选择,但 ASML 对 EUV 光刻下了“有根据的赌注”,因为这种技术似乎最适合继续晶体管微缩,同时在大规模生产中仍能负担得起。

然而,并不是每个人都立即被 EUV 技术的想法所吸引。在2020 年 SPIE 会议回顾展上,时任 NTT 研究员的 Hiroo Kinoshita 描述了让他的科学家同事相信 EUV 光刻有机会的挑战。“[我在 1986 年的日本应用光学学会年会上展示了我的结果,”他说。“不幸的是,听众对我的演讲高度怀疑。然而,我的信念并没有改变。”

长期从事半导体行业的资深人士、当时的劳伦斯利弗莫尔国家实验室研究员 Andrew Hawryluk 在会议上回忆了类似的挫败感。他解释了 1987 年 12 月,一位教授如何拜访他和他的团队。在了解了他们在 EUV 方面的开创性研究后,教授问道:“但你真的可以用这些东西做任何有用的事情吗?”

“他的话一直困扰着我,”Andrew说,他回家过圣诞假期,两周后带着一份 30 页的 EUV 光刻白皮书回来。他和他的团队在那年晚些时候的一次会议上提交了这篇论文,但即便如此,也很难找到支持。“你无法想象我在那次演讲中得到的负面评价,”Andrew回忆道。“观众中的每个人都想刺穿我。我把尾巴夹在两腿之间回家了,发誓再也不谈论 EUV 光刻了。”

但一周后,Andrew接到了来自贝尔实验室的William (Bill) Brinkman的电话,后者随后成功地让美国能源部为劳伦斯利弗莫尔和桑迪亚实验室的 EUV 光刻研究国家项目提供资金,后来被称为“虚拟国家实验室”。

“这比我想象的要花更长的时间,也比我想象的要多得多,”Jos表示。“回顾这个过程,你可以说我们要么很聪明,要么就是很固执,”他笑着说。

为了跃迁到 13.5 nm 的极紫外光,几乎需要在光刻机的所有领域进行创新,包括光源、将光缩小并聚焦到硅片上的光学器件,以及包含芯片蓝图的标线片被打印。更复杂的是,EUV 光几乎被所有物体吸收,因此必须在高真空环境中生产和使用。“整个切换到真空是一次冒险,”Jos回忆道。“由于outgassing,这使材料成为一项挑战——你可以使用什么材料,以及你必须如何处理和清洁它们。”

Jos 解释说:“当蔡司证明它可以制造专门的 EUV 光学器件时,我们的研究真正获得了关注。”光学一直是 EUV 最大的预期挑战,但多亏了蔡司,它很快就从关键问题列表中掉了下来。

随后,ASML 的重点转向解决“光源”挑战。“由于光源问题,我们遭到了很多挑战,”Jos承认。“多个客户会参考我们的光源路线图并说,这是您多年前承诺的,而现实远非如此。他们在 SPIE 几乎把我们钉在了十字架上。”

在 2000 年代初期,ASML 开始与荷兰、日本和美国的几家 EUV光源的潜在供应商合作,其中包括总部位于圣地亚哥的 Cymer。ASML 选择了 Cymer 的解决方案,后来在 2013 年收购了该公司。但研发比预期的要困难得多。设计激光产生的等离子体 (LPP) 源涉及以每秒 50,000 次(两次)撞击锡液滴以使它们汽化,从而产生比太阳表面温度高 40 倍的等离子体以发射 EUV 光。

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