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重的苦難，因為三個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NGL選項：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)仍然遠遠領(lǐng)先。業(yè)界一度認為193nm浸入式微影會在32nm遭遇極限，但令人驚訝，看來該技術(shù)可擴展到1-x奈米節(jié)點。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仍然頑固地因為缺乏光源能、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)點大展身手的良機。
NAND快閃記憶體供應(yīng)商之間存在著一種對EUV的迫切感，因為需要EUV來實現(xiàn)進一步微縮。NAND快閃記憶體廠商將193nm浸入式技術(shù)推進到了2-x奈米節(jié)點，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。
當被問及是否擔心EUV的地位時，Globalfoundries資深院士Harry Levinson表示：“我是必須擔心?！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?！叭绻阕龀鲥e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)的光學微影來維持摩爾定律的發(fā)展。但恐怕早在上世紀70年代，光學微影便將發(fā)展動能用光了。
當時，晶片制造商認為他們需要昂貴的X光微影以微縮元件。當光學微影技術(shù)在20世紀 80年代打破了1微米壁壘時，該技術(shù)推動了對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)于光學微影是末代技術(shù)的擔憂再次浮現(xiàn)。當時有眾多針對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，余下的四個競爭者是EUV技術(shù)、奈米壓印、無光罩和自組裝。
在20世紀 90年代，軟X光技術(shù)的出現(xiàn)成為推動EUV的關(guān)鍵。包括英特爾(Intel)、超微(AMD)、摩托羅拉(Motorola)和國家實驗室，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。其光學元件基本上是一個可透過層間干擾方式反射光線的無缺陷透鏡。
EUV技術(shù)一度被認為可用于65nm節(jié)點的生產(chǎn)，但該技術(shù)不斷延遲。而總擁有成本(COO)仍是一大問題，因為與現(xiàn)行的光學‘光簇’(photo-cluster)售價7,000萬美元相比，今天EUV的‘光簇’(photo-cluster)售價高達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，但Nikon認為在16或11nm節(jié)點前，該技術(shù)都尚未就緒。 “EUV生態(tài)系統(tǒng)也會延遲，”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)報導(dǎo)該系統(tǒng)預(yù)計在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，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立的預(yù)生產(chǎn)EUV工具NXE:3100。ASML公司剛剛付運另外一套系統(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%。這套工具售價將近1億美元。
該工具的目標是在今年底達到每小時60片晶圓的吞吐量。但目前它的吞吐量每小時僅5片晶圓。EUV工具每小時約需200W的功率來處理100~150片晶圓。目前，ASML的EUV工具僅運作在10W左右。
分析師認為，ASML公司在推動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?！拔覀冇腥胰献鞯膹S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，而且正準備推出第五套，來自三星的初步反饋指出混合圖案相當良好，但吞吐量很差，”Barclays Capital分析師C.J. Muse在一份報告中提到。
迫切需要光源能
我們的調(diào)查反饋仍然有差異，當前的EUV吞吐量大約每小時7-15片晶圓左右，遠低于每小時60片的目標，Muse說。不過，這仍然讓Cymer領(lǐng)先其主要競爭對手Gigaphoton約六個月。[!--empirenews.page--]
另一個問題是，當ASML和Nikon在2012年出貨其EUV工具時，EUV光源必須達到要求的目標。
“根據(jù)技術(shù)藍圖，HVM Gen 1 Cymer光源的目標是達到105W的輸出功率；HVM Gen 2約達250W(根據(jù)目前揭露的設(shè)計細節(jié))，而HVM Gen 3則約350W；”Muse說?！耙簿褪钦f，Cymer的腳步有點落后于功耗調(diào)整。他們目前的光源是運作在11W左右；該公司主管認為今年中他們將達到約22W，實驗室的性能表現(xiàn)約為80W，而2011年中可望實現(xiàn)100W功率并推出產(chǎn)品，希望2011年第四季能交付給客戶?！?/p>
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，諮詢公司EUV Litho Inc.總裁Vivek Bakshi表示。
“我估計在2011年該數(shù)字將增加一倍達到40W，在2012年之前都無法實現(xiàn)100W的目標，”他說?！八晕覀兛梢灶A(yù)期100W的光源與NXE:3300工具同時問世，這是一件好事，因為100W可支援每小時80片晶圓的吞吐量，一些專家認為必須為量產(chǎn)做準備，”他表示。
這是個好消息。現(xiàn)在，輪到壞消息了?！拔蚁嘈?，目前的光源技術(shù)版本可以達到100~150W。然而，就算達到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準備好，Pham表示。
另一家廠商──三星，則一直努力推動將EUV技術(shù)導(dǎo)入DRAM和快閃記憶體的生產(chǎn)。三星認為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，英特爾公司計劃將目前的193nm浸入式微影技術(shù)拓展到14nm邏輯節(jié)點，預(yù)計在2013年下半年實現(xiàn)。然后，這家晶片巨擘希望在10nm節(jié)點使用EUV技術(shù)，該目標預(yù)計在2015年下半年達到。
英特爾的10nm節(jié)點發(fā)展已歷時四年多，該公司目前正在制訂相關(guān)設(shè)計規(guī)則，但延遲的EUV依然未能參與此一盛晏?！癊UV趕不及參與10nm節(jié)點設(shè)計規(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)點進度
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，這很有可能推動次1nm元件的實現(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間和金錢？“當然，”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。
“如果一項技術(shù)具有競爭力，那么，在進入商用化之前，它就必須取得巨大的進展，”日本凸版印刷(Toppan Printing)美國子公司Toppan Photomasks技術(shù)長Franklin Kalk說。
Kalk堅持，EUV光罩在這點上并沒有遭遇瓶頸；EUV光罩的成像非常簡單，但直到EUV進入量產(chǎn), 業(yè)界是不會知道哪一個步驟是必須在EUV光罩上進行缺陷管理的，他表示。
Kalk和一些專家指出，EUV技術(shù)的商業(yè)化生產(chǎn)并不是一個問題。可能有很多公司口袋很深，也或許只有少數(shù)幾家，但這些公司將繼續(xù)建立先進的晶圓廠并持續(xù)EUV的研發(fā)，Kalk說?！斑@必然會發(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)工具必須達到至少每小時65~80片晶圓的吞吐量，才能讓EUV具經(jīng)濟效益。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行開發(fā)，他們的方法是在單一機臺上使用多波束。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.介紹了互補電子束微影(CEBL)技術(shù)，及甚努力推動無光罩技術(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)化努力的細節(jié)，包括反射電子束微影(REBL)技術(shù)在內(nèi)，該計劃由KLA-Tencor和DARPA公司贊助。
最初的工具使用使100 KeV源、旋轉(zhuǎn)臺和一個數(shù)位圖案產(chǎn)生器(DPG)。旋轉(zhuǎn)臺是一個六晶圓平臺。該DPG是一款CMOS晶片，帶有小型、獨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‘細光束’(beamlets)同時被暴露在晶片上。REBL的目標是在16nm節(jié)點實現(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個金屬層和1,454個焊盤組成。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質(zhì)性的進展報告。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)點進行晶圓成像。[!--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)每小時吞吐量目前為10~20片晶圓。Mapper推動其技術(shù)邁向量產(chǎn)的計劃，是建立一個約由10套工具組成的叢集，以達到每小時約100片晶圓的吞吐量。
另一個候選的NGL技術(shù)──奈米壓印，同樣進展緩慢。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──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，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)實驗室或大學研究階段。
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備好迎接其黃金時代。
但另一方面，奈米壓印也正在取得進展。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?！坝捎谶@已經(jīng)低于東芝所設(shè)定的0.1cm2水平，我認為我們正在走向成功?！?/p>
MII展示了多款已在過去12個月內(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)在硬碟上實現(xiàn)磁性介質(zhì)，但這些產(chǎn)品很快地就會遭遇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)有一些機構(gòu)提出令人振奮的報告，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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