EUV的未來(lái)看起來(lái)更加光明

對(duì)支持一切 AI 的先進(jìn)節(jié)點(diǎn)芯片的需求迅速增長(zhǎng)，這給該行業(yè)滿足需求的能力帶來(lái)了壓力。

從為大型語(yǔ)言模型提供支持的超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心，到智能手機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和自主系統(tǒng)中的邊緣 AI，對(duì)尖端半導(dǎo)體的需求正在加速。但制造這些芯片在很大程度上依賴于極紫外 （EUV） 光刻技術(shù)，這已成為擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模的最大障礙之一。自 2019 年第一批商用 EUV 芯片下線以來(lái)，設(shè)備、掩模生成和光刻膠技術(shù)的穩(wěn)步改進(jìn)使該技術(shù)穩(wěn)定下來(lái)。但是，雖然良率正在提高，但它們?nèi)匀宦浜笥诟墒斓墓饪碳夹g(shù)。

工藝穩(wěn)定性需要時(shí)刻保持警惕和微調(diào)。就 EUV 而言，它還需要在發(fā)電、設(shè)備和耗材方面進(jìn)行大量投資。今天，這些成本仍然是廣泛采用的障礙。但該行業(yè)并沒(méi)有停滯不前。密集的研發(fā)工作正在進(jìn)行中，從新型光刻膠材料和更堅(jiān)固的光源到先進(jìn)的掩模寫(xiě)入器和復(fù)雜的 AI 驅(qū)動(dòng)過(guò)程控制，無(wú)所不包。

“晶圓廠的生產(chǎn)力取決于多種因素——吞吐量、工藝效率和準(zhǔn)確的模型傳輸，”Irresistible Materials 首席執(zhí)行官 Dinesh Bettadapur 說(shuō)?！皽p少曝光劑量、提高光刻膠敏感性和最大限度地減少缺陷都是使 EUV 在規(guī)模上更具成本效益的關(guān)鍵因素。”

AI 需求曲線轉(zhuǎn)向垂直
對(duì)先進(jìn)節(jié)點(diǎn)半導(dǎo)體的需求不斷增長(zhǎng)正在重塑該行業(yè)。AI 工作負(fù)載、高帶寬內(nèi)存 （HBM） 以及下一代移動(dòng)和計(jì)算設(shè)備都在推動(dòng)向更精細(xì)的工藝節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)變。每次迭代都需要使用 EUV 的更復(fù)雜的制造技術(shù)，高 NA EUV 成為 1.8nm 及以下大批量生產(chǎn)的唯一可行途徑。

AI 加速器、大規(guī)模 GPU 和高性能 CPU 需要越來(lái)越小的晶體管，以最大限度地提高功率效率和計(jì)算密度。Nvidia、AMD 和 Intel 的領(lǐng)先 AI 芯片已經(jīng)依賴于 EUV 制造的 5nm 和 3nm 工藝節(jié)點(diǎn)，向 2nm 全環(huán)繞柵極 （GAA） 晶體管的轉(zhuǎn)變將進(jìn)一步增加對(duì) EUV 功能的需求。

HBM 生產(chǎn)的某些方面也是如此，三星、美光和 SK 海力士正在選擇性地部署 EUV，主要用于邏輯和外圍電路，而不是存儲(chǔ)單元陣列本身。雖然 EUV 有助于提高 HBM 堆棧的密度和圖形化精度，但深紫外 （DUV） 光刻技術(shù)仍然是內(nèi)核存儲(chǔ)器層的主要優(yōu)勢(shì)。然而，隨著 AI 工作負(fù)載的擴(kuò)展，對(duì)超高帶寬內(nèi)存的需求將擴(kuò)大以匹配，這使得支持 EUV 的 HBM 組件變得越來(lái)越重要。

“如果你要制造晶體管數(shù)量非常多的器件，那么你就要用盡可能小的特征來(lái)做，”HJL Lithography 的首席平版印刷師 Harry Levinson 說(shuō)?！癊UV 市場(chǎng)將是晶體管數(shù)量最多的芯片。當(dāng)然，被認(rèn)為是'高'的標(biāo)準(zhǔn)會(huì)隨著時(shí)間的推移而變化，但 AI 加速器、GPU 和移動(dòng)處理器今天都在突破這些極限。

除了 AI 和 HBM 之外，用于 5G、自主系統(tǒng)和邊緣計(jì)算的下一代邏輯器件也將需要 EUV 在某些關(guān)鍵層的分辨率優(yōu)勢(shì)。根本挑戰(zhàn)在于，雖然對(duì) AI 芯片的需求呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，但能夠生產(chǎn)基于 EUV 的芯片的晶圓廠數(shù)量仍然有限。

如今，只有五家半導(dǎo)體制造商在大批量生產(chǎn)中使用 EUV，即 TSMC、Samsung、Intel、SK hynix 和 Micron。這些公司共同生產(chǎn)所有 5nm 邏輯和存儲(chǔ)器件，將 EUV 能力集中在少數(shù)公司內(nèi)。

日本的 Rapidus 現(xiàn)在正在成為該市場(chǎng)的第六家參與者。該財(cái)團(tuán)由八名成員組成，包括豐田、索尼、三菱日聯(lián)銀行、NTT、電裝、鎧俠、NEC 和軟銀，在其位于日本北海道的 IIM-1 工廠安裝了 ASML 的 NXE：3800E EUV 掃描儀，并計(jì)劃于 2027 年開(kāi)始大批量生產(chǎn)。

盡管如此，EUV 的機(jī)會(huì)仍然有限?！罢嬲膯?wèn)題不是 EUV 是否有效——它確實(shí)有效，”Synopsys 首席工程師 Larry Melvin 說(shuō)?！疤魬?zhàn)在于，最大參與者以外的晶圓廠能否證明成本的合理性。掩模技術(shù)、光刻膠化學(xué)和掃描儀效率的每一次改進(jìn)都會(huì)有所幫助，但如果不從根本上減少設(shè)備和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，EUV 將仍然僅限于少數(shù)人。

對(duì)先進(jìn)節(jié)點(diǎn)芯片不斷增長(zhǎng)的需求已經(jīng)超過(guò)了 EUV 的產(chǎn)能，而 ASML 正在努力跟上訂單。臺(tái)積電在亞利桑那州的晶圓廠、英特爾在美國(guó)和愛(ài)爾蘭的擴(kuò)張以及三星在德克薩斯州的代工項(xiàng)目都需要更多的 EUV 產(chǎn)能，以滿足其今明兩年的大批量制造目標(biāo)。這些擴(kuò)張將進(jìn)一步加劇供需差距。

預(yù)計(jì) AI 芯片市場(chǎng)在未來(lái) 5 到 7 年內(nèi)將增長(zhǎng)到目前規(guī)模的至少 10 倍。[1,2,3] 臺(tái)積電的 2nm 工藝訂單已經(jīng)積壓，將持續(xù)到 2026 年。[4]

EUV 設(shè)備瓶頸
ASML 是 EUV 掃描儀的唯一供應(yīng)商，一直在競(jìng)相滿足需求，但多年的積壓繼續(xù)限制了新 EUV 生產(chǎn)線的擴(kuò)張。該公司最先進(jìn)的工具，如 NXE：3800E 和即將推出的 EXE：5000 高數(shù)值孔徑系統(tǒng)，已經(jīng)提前數(shù)年分配給領(lǐng)先的半導(dǎo)體制造商。隨著對(duì) AI 芯片、HBM 和高級(jí)移動(dòng)處理器的需求呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，現(xiàn)有的 EUV 生產(chǎn)線面臨著提高吞吐量、良率和整體效率的巨大壓力，以彌補(bǔ)該行業(yè)受限的擴(kuò)展能力。

政府支持的研究中心正在介入，幫助彌合差距。比利時(shí)的 imec 和紐約州奧爾巴尼的 CHIPS 法案資助的 EUV 加速器等設(shè)施專注于推動(dòng) EUV 掩模技術(shù)、工藝控制和光刻膠化學(xué)向前發(fā)展，以提高良率并降低每片晶圓的成本。Imec 在測(cè)試和驗(yàn)證下一代掩模材料方面發(fā)揮了核心作用，這些材料可以提高特征分辨率，同時(shí)減少隨機(jī)缺陷。

EUV 加速器由 8.25 億美元的聯(lián)邦投資支持，正在美國(guó)采取類似的方法，提供尖端 EUV 工具和研究平臺(tái)，以加速可制造性和行業(yè)采用。這些努力，結(jié)合私營(yíng)部門(mén)的研發(fā)，正在針對(duì)繼續(xù)使 EUV 成為昂貴且復(fù)雜過(guò)程的關(guān)鍵技術(shù)障礙。

由于訪問(wèn)和成本限制了 EUV 訪問(wèn)，許多運(yùn)營(yíng)在領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)以下的晶圓廠正在轉(zhuǎn)向創(chuàng)造性的光刻策略以保持競(jìng)爭(zhēng)力?；旌瞎饪碳夹g(shù) — EUV 僅用于最關(guān)鍵的層，而 193nm ArF、ArF 浸沒(méi)式和 KrF （248nm） 掃描儀處理要求較低的特征 — 已成為標(biāo)準(zhǔn)。多種圖形化技術(shù)，例如雙重和四重圖形化，已經(jīng)將 DUV 的范圍擴(kuò)展到了其初始功能之外，使晶圓廠能夠生產(chǎn)更小的特征尺寸，而無(wú)需進(jìn)行 EUV 投資。此外，一些公司正在探索針對(duì)特定層的納米壓印光刻 （NIL） 和自組裝圖案化，這些技術(shù)可以提供成本或分辨率優(yōu)勢(shì)。

Levinson 表示：“盡管先進(jìn)節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵層廣泛采用 EUV 光刻技術(shù)，但 248nm 和 193nm 光刻技術(shù)繼續(xù)被廣泛使用，甚至在前沿，用于非關(guān)鍵邏輯層、NAND 閃存以及通過(guò)多重圖形化的一些緊間距層?！肮に嚳刂坪脱谀＜夹g(shù)的創(chuàng)新使 DUV 仍然是許多層的可行選擇，為晶圓廠提供了一種經(jīng)濟(jì)高效的方式來(lái)擴(kuò)展現(xiàn)有工具，而不是將所有內(nèi)容都過(guò)渡到 EUV?！?/p>

展望未來(lái)，EUV 和高 NA EUV 無(wú)疑將推動(dòng)先進(jìn)節(jié)點(diǎn)半導(dǎo)體制造，但即使 EUV 技術(shù)達(dá)到需要更廣泛行業(yè)采用的成本和技術(shù)改進(jìn)門(mén)檻，替代光刻方法仍將繼續(xù)發(fā)揮關(guān)鍵作用。

EUV 光刻技術(shù)中最持久的技術(shù)挑戰(zhàn)之一是掩模基礎(chǔ)設(shè)施。與使用透射掩模的傳統(tǒng)深紫外 （DUV） 光刻技術(shù)不同，EUV 掩模是反射性的，這是一個(gè)根本性的轉(zhuǎn)變，引入了許多新的故障模式。即使是微小的缺陷也會(huì)使反射光變形，并導(dǎo)致災(zāi)難性的圖形化失敗，從而推高缺陷率并降低良率。

為了緩解這些問(wèn)題，研究人員正在改進(jìn)多光束掩模寫(xiě)入器、高透明度薄膜，并推動(dòng)無(wú)缺陷掩模坯料的發(fā)展。多束電子束掩模寫(xiě)入技術(shù)已經(jīng)通過(guò)減少創(chuàng)建高精度、無(wú)缺陷掩模所需的時(shí)間而產(chǎn)生了重大影響。傳統(tǒng)的單光束掩模寫(xiě)入器速度慢且容易出現(xiàn)圖案錯(cuò)誤，但多光束系統(tǒng)使用數(shù)千個(gè)平行電子束來(lái)加速生產(chǎn)，同時(shí)保持亞納米級(jí)精度。

口罩上的保護(hù)層 Pellicle 技術(shù)也取得了重大改進(jìn)。早期的 EUV 薄膜非常脆弱，傳輸效率低，降低了掃描儀的生產(chǎn)率。新的碳基薄膜顯著提高了熱穩(wěn)定性和透射率，延長(zhǎng)了掩模的使用壽命而不會(huì)降解。反過(guò)來(lái)，這減少了頻繁更換口罩的需求，這是一個(gè)昂貴且耗時(shí)的過(guò)程。此外，它還提高了晶圓間的一致性。

“大部分成本（每個(gè)掩模坯約 100,000 美元）是由良率驅(qū)動(dòng)的，”Levinson 說(shuō)?！爱a(chǎn)量一直在提高，但價(jià)格仍然很高，因?yàn)槊髦圃焐陶诖罅ν顿Y增加制造能力以滿足客戶需求。在某個(gè)時(shí)候，這將隨著當(dāng)前的客戶群而飽和。但就目前而言，成本仍然很高。

掩模耐久性、圖形保真度和整體缺陷控制方面的這些進(jìn)步幫助晶圓廠將 EUV 良率推向更成熟的 DUV 技術(shù)，使其更接近平局，但掩模成本仍然是一個(gè)沉重的財(cái)務(wù)負(fù)擔(dān)。該行業(yè)正在積極努力應(yīng)對(duì)這些經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)以及技術(shù)挑戰(zhàn)。

材料進(jìn)步
光刻膠材料仍然是實(shí)現(xiàn) EUV 光刻的高產(chǎn)量和工藝穩(wěn)定性的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。幾十年來(lái)，化學(xué)擴(kuò)增光刻膠 （CAR） 一直是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但先進(jìn)節(jié)點(diǎn)的酸擴(kuò)散和隨機(jī)缺陷限制了它們滿足下一代半導(dǎo)體制造嚴(yán)格要求的能力。

“我們正處于一個(gè)非常困難的時(shí)刻，因?yàn)楣饪棠z分子的大小現(xiàn)在只是特征尺寸的很大一部分，”獨(dú)立光刻專家 Harry Levinson 說(shuō)?！澳悴荒苤皇前岩环N化學(xué)品換成另一種化學(xué)品。應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)還需要每平方厘米有更多的光子來(lái)對(duì)抗光子散粒噪聲，這是一個(gè)基本的物理約束。

隨著特征尺寸的進(jìn)一步縮小，需要新的方法來(lái)提高分辨率，降低線邊粗糙度 （LER），并在保持工藝穩(wěn)定性的同時(shí)提高靈敏度。但是，這些因素之間的權(quán)衡帶來(lái)了持續(xù)的工程挑戰(zhàn)。

“同時(shí)提供分辨率、線邊緣粗糙度和靈敏度是一項(xiàng)真正的挑戰(zhàn)，”Lam Research 副總裁 Rich Wise 說(shuō)?！澳?jīng)常會(huì)看到結(jié)果只關(guān)注 2 個(gè)，而忽略了 3 個(gè)，這可能會(huì)降低掃描儀的工作效率。”

為了克服 CAR 的局限性，該行業(yè)正在探索幾種替代光刻膠平臺(tái)。一種選擇是金屬氧化物光刻膠 （MOR），它在 EUV 波長(zhǎng)下提供強(qiáng)吸收，并在較低厚度下提供更高的對(duì)比度。然而，傳統(tǒng)的 MOR 可能對(duì)工藝條件高度敏感，并且需要更高的劑量，從而帶來(lái)產(chǎn)量和通量挑戰(zhàn)。

Lam 推出了其 Aether 干式光刻膠技術(shù)，該技術(shù)使用氣相沉積而不是旋涂來(lái)應(yīng)用 MOR。這增強(qiáng)了過(guò)程控制，減少了隨機(jī)變異性，提高了光子吸收效率，最終降低了劑量要求，提高了更細(xì)間距的圖形化分辨率。

“雖然 EUV 掃描儀的功能、可靠性和數(shù)值孔徑方面取得了令人鼓舞的進(jìn)步，但光刻膠已成為推進(jìn)直接打印 EUV 的限制因素，”Wise 在 Semicon Korea 的一次演講中說(shuō)?！澳壳暗男抗饪棠z難以滿足先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)大批量制造 （HVM） 所需的嚴(yán)格靈敏度、分辨率和缺陷率要求?！?/p>

另一種方法是由 Irresistible Materials 開(kāi)發(fā)的多觸發(fā)光刻膠 （MTR） 平臺(tái)。MTR 使用的分子比現(xiàn)有聚合物小大約 10 倍，因此可以實(shí)現(xiàn)更小的特征尺寸和更高的分辨率。與 CAR 不同，MTR 采用受控催化過(guò)程，可最大限度地減少酸擴(kuò)散，同時(shí)保持高光子吸收和靈敏度。

“對(duì) EUV 的要求非?？量?，以至于沒(méi)有一種光刻膠配方或工藝可以完全滿足不同器件類型和層的不同需求，”Bettadapur 說(shuō)。“工藝兼容性、延遲容忍度和線寬粗糙度仍然是需要不斷改進(jìn)的領(lǐng)域。”

MOR 和 MTR 都有優(yōu)勢(shì)，但它們也具有晶圓廠必須解決的獨(dú)特工藝敏感性。

“光刻膠類型面臨不同的挑戰(zhàn)，”Brewer Science 的高級(jí)技術(shù)專家 Douglas Guerrero 說(shuō)。“對(duì)于化學(xué)放大的光刻膠，降低焦深 （DOF） 將需要更薄的薄膜。隨著薄膜變薄，對(duì)比度將低于當(dāng)前的光刻膠，同時(shí)增加粗糙度。金屬氧化物光刻膠即使在較低的厚度下也具有良好的對(duì)比度。它顯示出良好的分辨率能力，但對(duì)過(guò)程的敏感性是一個(gè)控制挑戰(zhàn)。

除了分辨率和 LER 之外，缺陷率仍然是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，直接影響 EUV 在大批量制造中的生存能力。光刻膠中的微小缺陷也可能導(dǎo)致圖形化失敗、良率損失和成本增加。

“缺陷率是一個(gè)需要優(yōu)化和控制的重要參數(shù)，以確保工藝可擴(kuò)展性和引入設(shè)備制造，”Brewer Science 業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)經(jīng)理 Daniel Soden 說(shuō)。“良好的光刻性能是關(guān)鍵，但缺陷率需要保持低且穩(wěn)定，以確保高工藝良率并充分實(shí)現(xiàn) EUV 光刻的優(yōu)勢(shì)?！?/p>

對(duì)更低缺陷率的追求推動(dòng)了材料純化和過(guò)濾技術(shù)的進(jìn)步，但隨著底層從 25 至 30nm 收縮到僅 1 至 10nm，聚合物設(shè)計(jì)和添加劑功能變得比以往任何時(shí)候都更加重要。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，抵制創(chuàng)新將需要材料科學(xué)的根本性轉(zhuǎn)變。

“我們需要分子水平的控制，”Guerrero 說(shuō)。“我們正在接近不超過(guò)幾百個(gè)分子厚度的薄膜，其中每個(gè)原子都很重要并有助于材料的特性。Bulk 行為將不再對(duì)整體材料特性產(chǎn)生影響。分子設(shè)計(jì)和定位需要具有埃級(jí)精度。

隨著半導(dǎo)體制造商過(guò)渡到高 NA EUV，這些材料限制將變得更加明顯，需要新型光刻膠和底層來(lái)突破分子工程的界限。雖然目前沒(méi)有單一的光刻膠平臺(tái)滿足所有 EUV 要求，但 CAR、MOR、MTR 和干光刻膠的持續(xù)進(jìn)步代表了解決 EUV 最緊迫材料挑戰(zhàn)的多種途徑。

AI 工藝控制
除了掩模和光刻膠的物理改進(jìn)外，晶圓廠還越來(lái)越依賴 AI 和機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)優(yōu)化工藝控制、缺陷檢測(cè)和良率提高。Tignis 和 Synopsys 等公司處于集成 AI 驅(qū)動(dòng)型計(jì)量工具的最前沿，這些工具可以實(shí)時(shí)分析過(guò)程可變性并校正影響良率的可變性。

“先進(jìn)光刻技術(shù)有 1,000 多個(gè)設(shè)備和工藝參數(shù)，需要對(duì)其進(jìn)行表征和監(jiān)控以獲得質(zhì)量結(jié)果，”Tignis 解決方案工程總監(jiān) Boyd Finlay 說(shuō)。“我們的自動(dòng)化一鍵式關(guān)聯(lián)引擎已被證明可以顯示多層變量，因?yàn)樗鼈儠?huì)影響 CD 以及其他感興趣的響應(yīng)因子。然后，這些復(fù)雜的數(shù)據(jù)關(guān)系會(huì)自動(dòng)整合到我們的低代碼語(yǔ)言（數(shù)字孿生查詢語(yǔ)言或 DTQL）算法中，這些算法可以安排用于基于 AI 的過(guò)程監(jiān)控和控制策略。

這些 AI 驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)使晶圓廠能夠根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)整掃描儀參數(shù)，優(yōu)化曝光劑量、對(duì)準(zhǔn)公差和光刻膠烘烤條件，以減少變化。在數(shù)千個(gè)晶圓上訓(xùn)練的機(jī)器學(xué)習(xí)模型可以識(shí)別隨機(jī)缺陷的趨勢(shì)，并在它們導(dǎo)致代價(jià)高昂的良率損失之前提出糾正措施。

Finlay 說(shuō)：“這加快了 EUV 開(kāi)發(fā)學(xué)習(xí)周期，實(shí)現(xiàn)了一次成功的圖案化，同時(shí)為我們的客戶提供了快速的按需故障排除?！拔覀兊慕鉀Q方案還可以優(yōu)化多步驟工藝，例如光刻和蝕刻，將 AI 的優(yōu)勢(shì)擴(kuò)展到單一工藝之外，以改善疊加錯(cuò)誤等工藝問(wèn)題。”

隨著 EUV 采用的規(guī)模擴(kuò)大，AI 驅(qū)動(dòng)的過(guò)程控制將成為成功最大限度地提高掃描儀吞吐量的晶圓廠與努力應(yīng)對(duì)持續(xù)可變性的晶圓廠之間的關(guān)鍵差異化因素。

擴(kuò)展 EUV
的途徑 EUV 的最大成本驅(qū)動(dòng)因素之一是光源。EUV 光刻技術(shù)依靠高能激光源產(chǎn)生波長(zhǎng)為 13.5 nm 的極紫外光。眾所周知，這些光源效率低下，大部分能量在到達(dá)晶圓之前就損失了。

ASML 最新一代掃描儀每個(gè)系統(tǒng)消耗數(shù)百千瓦，這意味著巨大的運(yùn)營(yíng)成本。雖然已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一些功耗改進(jìn)，但要使 EUV 成為二線晶圓廠的可行選擇，還需要進(jìn)一步的進(jìn)展。

“可能需要一個(gè)變電站來(lái)為 EUV 掃描儀群供電，”Synopsys 的 Melvin 說(shuō)?！癊UV 曝光拍攝過(guò)去需要大約 100 kW 的能量。這種情況已經(jīng)有所改善，但電源效率仍然是一個(gè)主要問(wèn)題。

這在很大程度上是由于 EUV 掃描儀包含 6 個(gè)鏡子?！肮饴分械溺R子越多，損失的能量就越多，”Melvin 說(shuō)。“每個(gè)鏡子吸收了大約 40% 的穿過(guò)它的光，因此當(dāng)它到達(dá)晶圓時(shí)，只剩下一小部分原始能量?！?/p>

勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 （LLNL） 的研究人員正在探索可以顯著提高 EUV 功率效率的替代激光驅(qū)動(dòng)等離子體源。他們的工作旨在減少產(chǎn)生 EUV 光子所需的能量，從而降低每片晶圓的成本，同時(shí)保持吞吐量。此外，高亮度激光源可以在未來(lái)實(shí)現(xiàn)更緊湊、更具成本效益的 EUV 工具。

“EUV 光刻技術(shù)已經(jīng)突破了現(xiàn)有激光驅(qū)動(dòng)等離子體源的極限，尋找提高轉(zhuǎn)換效率和可擴(kuò)展性的方法至關(guān)重要，”LLNL 先進(jìn)光子技術(shù)小組負(fù)責(zé)人 Brendan Reagan 說(shuō)。

LLNL 正在開(kāi)發(fā)二極管泵浦固體激光器 （DPSSL），而不是使用傳統(tǒng)的 CO2 激光器來(lái)產(chǎn)生 EUV 光所需的等離子體，這種激光器可提供更高的電效率和更低的整體功耗。這些激光器在較短的紅外波長(zhǎng)下工作，提高了產(chǎn)生 EUV 光的錫滴的吸收率，從而提高了光子轉(zhuǎn)換效率。

“雖然 CO2 驅(qū)動(dòng)的 EUV 源為該行業(yè)提供了良好的服務(wù)，但它們本質(zhì)上效率低下，電光轉(zhuǎn)換效率僅為個(gè)位數(shù)百分比，”里根說(shuō)。“我們相信銩基系統(tǒng)的效率可以提高 5 到 10 倍，從而顯著減少能源浪費(fèi)，同時(shí)保持大批量光刻所需的功率水平。”

通過(guò)優(yōu)化這一過(guò)程，LLNL 的方法可以降低能源成本和散熱，從而有可能實(shí)現(xiàn)更緊湊和模塊化的 EUV 系統(tǒng)。從理論上講，來(lái)自 DPSSL 的低能量脈沖還可以減少薄膜上的熱應(yīng)力，延長(zhǎng)其使用壽命并降低掩模污染事件的頻率。但是，對(duì)薄膜耐久性的影響還取決于掃描儀內(nèi)部的峰值脈沖能量、重復(fù)頻率和散熱動(dòng)力學(xué)等因素。這些領(lǐng)域仍需進(jìn)一步研究。

“從概念驗(yàn)證轉(zhuǎn)向工業(yè)解決方案需要克服幾個(gè)障礙，包括集成到現(xiàn)有的 EUV 源設(shè)計(jì)中，”LLNL 高強(qiáng)度激光驅(qū)動(dòng)源負(fù)責(zé)人 Jackson Williams 說(shuō)。半導(dǎo)體行業(yè)厭惡風(fēng)險(xiǎn)是可以理解的，因此任何新的激光源都必須與現(xiàn)有的 EUV 步進(jìn)光學(xué)元件和基礎(chǔ)設(shè)施無(wú)縫集成。使用不同的激光器前端，同時(shí)保持大部分現(xiàn)有 EUV 系統(tǒng)不變的能力，可以使這種過(guò)渡更加可行。

與此同時(shí)，沖繩科學(xué)技術(shù)研究所 （OIST） 正在采取不同的方法，研究提高掃描儀本身光子利用率的方法。其研究針對(duì)反射鏡系統(tǒng)中的光學(xué)損耗，該系統(tǒng)目前吸收了很大一部分可用的 EUV 能量。通過(guò)優(yōu)化鏡面涂層和減少光學(xué)像差，研究人員希望增加到達(dá)晶圓的光百分比，從而提高工具效率并縮短曝光時(shí)間。

將 EUV 擴(kuò)展到領(lǐng)先晶圓廠
之外 為了使 EUV 的規(guī)模擴(kuò)展到世界上最大的芯片制造商之外，需要替代商業(yè)模式和基礎(chǔ)設(shè)施戰(zhàn)略來(lái)克服高昂的實(shí)施成本。

“這不僅僅是曝光工具，”萊文森說(shuō)?！澳惚仨毻顿Y生產(chǎn)線上的所有其他設(shè)備，例如用于口罩檢查的設(shè)備，這使其成為一個(gè)重大的財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)?！?/p>

最后，imec 和 CHIPS 法案資助的 EUV 加速器等研究中心的共享 EUV 基礎(chǔ)設(shè)施可以提供一種協(xié)作的商業(yè)化方法。將這些工作擴(kuò)展到研發(fā)之外，并擴(kuò)展到生產(chǎn)合作伙伴關(guān)系，可以使無(wú)晶圓廠半導(dǎo)體公司和小型代工廠獲得 EUV 技術(shù)，而無(wú)需承擔(dān)專用 EUV 生產(chǎn)線的全部成本負(fù)擔(dān)。

“需要一個(gè)類似于小芯片的策略來(lái)為 EUV 的后續(xù)采用者實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，”Melvin 說(shuō)?！皩?duì)于專門(mén)生產(chǎn)集成到多個(gè)最終產(chǎn)品中的 I/O 小芯片和內(nèi)存小芯片的晶圓廠來(lái)說(shuō)，可能會(huì)有一個(gè)強(qiáng)大的市場(chǎng)，而不是每個(gè)晶圓廠都試圖證明全節(jié)點(diǎn) EUV 采用的合理性。”

這些模型中的每一種都代表了擴(kuò)大 EUV 采用的潛在解決方案，但都取決于降低成本、過(guò)程控制和基礎(chǔ)設(shè)施開(kāi)發(fā)方面的持續(xù)進(jìn)步。對(duì)基于 EUV 的芯片的需求只會(huì)加速，該技術(shù)能否擴(kuò)展到行業(yè)最大的參與者之外，將決定半導(dǎo)體制造的下一階段。

結(jié)論
EUV 光刻技術(shù)的未來(lái)之路取決于不斷增長(zhǎng)的需求與行業(yè)的擴(kuò)展能力之間的競(jìng)爭(zhēng)。下一代先進(jìn)節(jié)點(diǎn)處理器將為 AI 驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)中心、自治系統(tǒng)和高帶寬計(jì)算提供動(dòng)力，將制造能力推向極限。滿足這一需求需要的不僅僅是漸進(jìn)式的改進(jìn)。EUV 的部署和訪問(wèn)方式將發(fā)生根本性轉(zhuǎn)變。擴(kuò)大 EUV 工具的供應(yīng)、提高成本效率以及開(kāi)發(fā)掩模生產(chǎn)和過(guò)程控制的創(chuàng)新方法，將決定該技術(shù)在行業(yè)最大參與者之外的廣泛采用。

為了跟上步伐，該行業(yè)必須加快光刻膠材料的突破，改進(jìn)高良率工藝控制，并突破節(jié)能光源的界限。推動(dòng) EUV 的廣泛采用還需要新的業(yè)務(wù)和制造模式，使小型晶圓廠能夠?qū)⑾冗M(jìn)的光刻技術(shù)集成到其生產(chǎn)管道中。EUV 已經(jīng)重塑了半導(dǎo)體制造。它的下一步發(fā)展將決定該行業(yè)如何擴(kuò)大對(duì)這項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的獲取。