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居然难倒了IBM、英特尔和三星,EUV的覆膜技术究竟有多难

2016/04/29
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超紫外线光刻技术目前仍然没有做好大批量生产的准备,不过这项技术正在走在正确的方向上。

尽管仍然存在一些挑战,EUV 光源和抗蚀剂都已经取得了显著的进步。不过,EUV 掩膜基础设施依然和能够量产存在一定差距。

“当 EUV 技术准备就绪时,掩膜行业将能及时响应,供应所需的掩膜,”D2S 首席执行官 Aki Fujimura 说道。“但是掩膜领域依然存在一些显著的挑战,最显著的问题停留在能够适用于全功率驱动光源的覆膜,以及可以方便进行光化学检查的覆膜上。”

用于光化学检查的光化学技术采用和 EUV 相同的 13.5nm 波长。芯片制造商迫切需要用于 EUV 掩膜检查的光化学技术,但是业界距离开发出这种工具类型还需要几年的时间。因此,现在的芯片制造商还是采用现有传统的检测工具检查 EUV 掩膜。

然而,EUV 的覆膜又是另外一个问题。基本上,覆膜是一种在生产流程中用于覆盖光掩模的一层薄薄的、透明的膜。覆膜是一种防尘盖,因为它可以阻止颗粒物和污染物掉落到掩膜上,同时它的透明度必须足够高,以允许光刻扫描器的光能照射到掩膜上。

要把 EUV 光刻技术推进到大规模量产阶段,EUV 覆膜是必须的,至少对逻辑器件而言它是必不可少的。如果 EUV 掩膜上落上了一个颗粒,扫描器就很可能会在这块晶圆上打印出一个意外的缺陷。

对逻辑器件而言,一个缺陷就是灾难性的。“如果逻辑器件上有一个缺陷,这就意味着整个芯片都废掉了,”应用材料公司的主要技术大拿兼掩膜和 TSV 刻蚀事业部首席技术官 Banqiu Wu 说道。

如果不是逻辑器件而是存储器芯片的话,情况就有所不同了,因为存储器芯片内部有冗余电路,这样的话,存储器器件在生产时可能需要也可能不需要使用 EUV 覆膜。

那么,EUV 覆膜有什么问题呢?进度问题,ASML 是目前行业内 EUV 覆膜的独家供应商,它目前仍然处在原型或中试阶段,ASML 公司能用于批量生产的 EUV 覆膜的发售时间估计要等到 2017 年年中。

但是目前还不清楚 ASML 能否按时提供 EUV 覆膜,如果不能,它将会耽搁 EUV 技术的实施。事实上,这项技术目前仍然存在着许多挑战。

例如,ASML 基于多晶硅技术的 EUV 覆膜的厚度仅仅为 50nm,它必须承受相当大量的热量。当 EUV 光击中覆膜时,覆膜的温度将会升到摄氏 600 度到 1000 度之间。

从理论上来说,覆膜会消散掉这些热量。但是,在这样高的温度下,确实有必要担心 EUV 覆膜会在芯片生产阶段恶化,从而造成对 EUV 掩膜和扫描仪的损害。

“对我来说,真正值得关注的问题是覆膜破损,”格罗方德的技术研究中心高级研究员和高级主管 Harry Levinson 说。“如果覆膜需要在很窄的波段内吸收 EUV 光源的光,将会非常迅速地提高温度,这种温度应力可能会导致非常薄且脆弱的覆膜的破裂。现在大家都明白这个问题所在,业界已经有高人在解决这个问题,我们只需要看看能否找到真正的解决方案就可以了。”

覆膜存在的问题正在促使 ASML、IBM、IMEC、英特尔、三星和其它一些公司加大在该领域的研发力度。

为了解决这个问题,业界正在开发采用可以有效散发热量的材料的新类型 EUV 覆膜。在实验室中,业界也正在开发一些基于碳纳米管石墨烯和硅亚硝酸盐的下一代薄膜技术。

每种技术都有不同的权衡。例如,基于多晶硅的覆膜很有效,但是将多晶硅覆膜覆盖在 EUV 掩膜之上时,无法采用现在的检查工具直接检查是否存在缺陷。这就需要一种被称为可移除覆膜方法的解决方案。

总而言之,IDM 和代工厂客户必须密切关注 EUV 技术的进展状态和包括覆膜在内的相关基础设施的状况。


有覆膜或没覆膜?
覆膜时 IC 制造供应链的重要组成部分。现在的光掩膜是在玻璃基板上由铬做成的一个不透明层。在生产阶段,扫描器很容易产生一些意外的颗粒物和污染物。所以几十年来,业界一直采用在掩膜上加一层覆膜的方式。光学掩膜上的覆膜是采用薄的聚合物材料制造而成的。

EUV 掩膜和传统的光掩模有所不同。EUV 掩膜底板由四五十层硅和钼交替层组成。这种堆叠的多层可以用作 EUV 光的反射镜。

一旦 EUV 掩膜被制造出来后,它就被放置在一个 EUV 光刻扫描器下。扫描器会透过掩膜投射光,这样就能在晶片上打印出映像。

就在不久前,业内人士还坚持认为 EUV 掩膜并不需要使用覆膜。他们认为,在生产阶段,EUV 肯定会保持百分之百的清洁,这样 EUV 掩膜就不需要使用覆膜了。

不过,就在最近,芯片制造商们改变了他们的立场,他们声称无法保证 EUV 扫描器或其它工具在生产阶段保持百分之百的干净。如果没有覆膜,EUV 掩膜便可能会受颗粒物影响产生缺陷。

总而言之,现在业界需要 EUV 覆膜。“如果没有覆膜的话,EUV 依然可以使用,”应用材料公司的 Wu 说。“但是不采用覆膜的话,你必须很好地控制生产过程,必须保证不会有任何附加的颗粒物落到掩膜上。”

然而,这一点在晶圆厂是很难避免的。“这就是为什么覆膜变得这么重要的原因。”Wu 说道。

EUV 覆膜在其它方面也同样至关重要。“如果没有覆膜的话,EUV 掩膜的搬运和存储问题就很难办,”Wu 说道。“如果有覆膜,这些工作就容易多了。”

对逻辑器件来说,必须使用覆膜,但是对 DRAM 等存储器的生产来讲就不是必须的了。“问题在于你的生产制造环境是不是很干净,以及你以什么样的频率切换掩膜。”Coventor 的首席技术官 David Fried 说。“在存储器生产过程中,切换掩膜的频率低得多,如果不经常切换掩膜,便可以保持生产环境的清洁,从而可以不使用覆膜。”

但是一旦业内适用了 EUV 覆膜,它必须满足三种基本类别内的各种要求:通过率、热负荷和生产率。

基本上,EUV 光源会以很高的速率将光线投射过覆膜照射到掩膜上。“EUV 掩膜是反射式的。EUV 光源发出的光会穿过覆膜,部分光会被吸收掉,这样掩膜表面就会存在一些反射损失。”IBM Watson 研究中心的一位研究人员 Dario Goldfarb 说道。“另外,从 EUV 掩膜上还会反射一些光再次通过覆膜,所以光会通过覆膜两次。”

对于生产应用来讲,行业内希望 EUV 覆膜的单次光通过率达到 90%,双次光通过率达到 81%。不过,到目前为止,ASML 第一代基于多晶硅的 EUV 覆膜的单次光通过率只达到了 85%,还低于业界的期望值。

“覆膜技术有了一些很好地进展,但是问题在于生产阶段的光损失太高了。”三星半导体研发中心的一位技术人员 Seong-Sue Kim 说。

ASML 可能会在近期内解决掉这个问题,但是热负荷又是一个完全不同的问题。比如,2016 年,ASML 期望可以把它的 EUV 扫描器的电源从 80 瓦提高到 125 瓦。

“在实际生产阶段,125 瓦的能量会在 EUV 扫描器内部的约七层反射镜内传播,这样便会产生反射损失,每层反射镜一般都会损失 30%的光,”IBM 的 Goldfarb 说。“这样,当这个 125 瓦的光到达 EUV 覆膜时,每平方厘米的等效能量约为 2.8 瓦(覆膜上出现峰值热量时)。”

根据分析,在每个平方厘米 2.8 瓦的情况下,基于多晶硅的 EUV 覆膜的温度会上升到摄氏 900 度到 1000 度之间。要知道,硅的熔点为摄氏 1414 度。

为了解决这个问题,ASML 正在开发一种带有一层散热层的 EUV 覆膜。加上这层散热层之后,根据 ASML 一位系统工程师 DerkBrouns 的推算,同等条件下覆膜的温度会下降到摄氏 600 度以下。

热只会影响覆膜的一小部分。“EUV 的光必不会所有时间都集中在一个区域上,”应用材料公司的 Wu 说。“也就是说,能量不会总是聚焦在同一个地方,这样带来的恶劣影响就是会在覆膜上产生温度梯度分布,这就意味着暴露在 EUV 光下的覆膜区域温度很高,相邻区域的温度则比较低。”

不过,芯片制造商希望投入量产的 EUV 光源是 250 瓦,250 瓦的 EUV 光源会在覆膜上产生每平方厘米 5 瓦的的热量,根据新的方案,这会产生大约 686.1 摄氏度的温度。

但是,到目前为止,ASML 和其它厂商还没有开发出能够承受这么高温度的可大规模量产的覆膜。“EUV 覆膜开发在材料、工具和基础设施上都出现了很好的进展,”英特尔公司的掩膜技术专家 Ted Liang 在最近的一次演讲中提到。“但是能长时间承受 250 瓦 EUV 光源的覆膜片依然还没出现,这是阻止覆膜大规模量产的一个关键掣肘。”

截止目前,英特尔采用 40 瓦光源测试了 ASML 的 EUV 覆膜,结果令人鼓舞,但是这个行业还需要一些重大突破。

 

 


新的突破?
这个行业正在随着各种材料 EUV 覆膜以及新的散热材料的不断涌现而全速向前发展。一般而言,消散掉材料中的热量有三种基本方法 - 传导、对流和辐射。

据专家介绍,辐射是在 EUV 覆膜环境下消散热量的唯一方式。现在的关键是要找到最好的辐射型材料,这是由给定材料的发射性质决定的。一般而言,发射性是对一种材料发射红外能量能力的衡量指标。

那么,对 EUV 覆膜而言,哪种材料的发射性最好呢?现在有几种选择。

刚开始,业界会使用 ASML 的多晶硅薄膜。该公司正在开发一种用于 250 瓦光源、投射率可达到 90%的覆膜,预计将于 2017 年发售。

但是这里有一个陷阱,掩膜制造商无法使用现在的 193nm 掩膜检查工具或电子束系统直接检查覆盖有多晶硅薄膜的 EUV 掩膜。这种材料在深紫外线频谱内是不透明的。

为了解决这个问题,ASML 已经开发了一种可伸缩的覆膜。在一个理想化的生产流程中,EUV 掩膜被制造出来后,会把覆膜覆盖在其上面。在检查阶段,覆膜会自动上升并从掩膜上移除开来。然后,完成检查过程后,覆膜自动下降并重新盖到 EUV 掩膜上。

不过,这种可伸缩的覆膜依然有可能会在生产流程中出现意外。所以长期来看,业界需要一种基于光化学技术的掩膜检查工具,它可以在不移除覆膜的情况下检查掩膜。

但是要将这样一种技术推向市场,不仅需要三到五年时间,还需要耗费 5 亿美金巨资。到目前为止,还没有任何一家晶圆厂工具供应商投入资源开发这种工具。

与此同时,行业也在探索其他的 EUV 覆膜类型。比如,IBM 已经基于氮化硅开发了一种 20nm 的覆膜,单次透光率可达到 87.3%。它可以使用当今现有的光学检查工具进行掩膜检查,而无需移除覆膜。

但是,基于氮化硅的 EUV 覆膜也有一些限制。这种材料只能承受住 80 瓦 EUV 光源的造成的热量。为了解决这个问题,IBM 正在开发一种散热层。

还有一些厂家在研究基于碳膜的薄膜,目前仍然在研发阶段。“所有这些材料在 EUV 透光率上都表现不错,”应用材料公司的 Wu 说。“关键是怎么让这种薄膜变得结实耐用。”

研究结果是令人鼓舞的。在实验室内,三星探索了一种 EUV 覆膜的开发,采用了基于碳化硼的单结晶硅材料。在 250 瓦光源情况下,三星这种碳化硼覆膜的温度仅为 323 摄氏度,相比之下,多晶硅薄膜的温度会达到 686.1 摄氏度。
 

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