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EUV关键技术开发迟缓担心7纳米生产将出现问题

ASML EUV曝光装备NXE系列
<ASML EUV曝光装备NXE系列>

对于7纳米超微系统半导体的生产出现差池的担心日渐显露。因为与下一代极紫外(EUV)曝光(exposure)装备一同使用的面罩(mask)检查装备、面罩保护用薄膜(Pelicle)、感光液(Photoresist)等关键技术开发进程目前与期待值还相差甚远。

韩国三星电子与英特、TSMC在7纳米超微系统半导体生产工程中使用荷兰ASML的极紫外(EUV)曝光装备,并计划明年开始投入装备。因为此前被指出的因光源输出不足而导致的吞吐量低这一问题得到了某种程度的解决。据悉ASML今年将改善EUV装备的性能,使其能够每天生产1500张晶片。虽然与现在批量生产线上设置的氟化氩(ArF)液浸(immersion)装备(每天5000-6000张)相比仍属于缓慢速度,但三星等得出了在一部分重要的薄膜电路图案形成中使用EUV的话将会降低成本的结果。

所谓曝光是指将刻有设计图案的金属面罩板进行光照,透过它的光向涂抹感光液的晶片转写形成电路图案的一系列过程。这与冲洗胶卷照片的过程十分相似。光的波长越短,所刻成的电路图案越细微。EUV的光波长为13.5纳米(nm),比ArF液浸装备(193nm)短。

问题是保护面罩免受尘埃的薄膜。目前还没有任何一家企业能够顺利推出保护EUV面罩的薄膜的试制品。

EUV具有被自然界所有物质吸收的性质。光源以直线透过大型镜头达到面罩的现有的ArF液浸装备的内部结构来提高输出是十分有限的。因为镜头吸收了大部分光源。为此EUV装备采用了在内部安装多层薄膜特殊镜子,使得光源进行多次反射后达到晶片的结构。

EUV被包括空气在内的自然界所有物质吸收。因此EUV曝光装备的内部结构与原有的液浸装备有很大差异
<EUV被包括空气在内的自然界所有物质吸收。因此EUV曝光装备的内部结构与原有的液浸装备有很大差异>
EUV面罩与薄膜结构图。因为是反射结构所以光照射进来后再次射出时光源损失很大(图片来源:韩国
<EUV面罩与薄膜结构图。因为是反射结构所以光照射进来后再次射出时光源损失很大(图片来源:韩国>

EUV用薄膜开发缓慢的原因就是这样的反射结构。尽管在原有的镜头方式中光只需透过薄膜一次,但在反射结构的EUV装备中,光照射进来一次后需再次经过反射后射出。光源损失很大。

原有的液浸装备用面罩薄膜。薄膜起到一个保护面罩免受尘埃的作用。因为光学焦点在面罩上,即使有灰尘落在面罩上也能实现正确的图案
<原有的液浸装备用面罩薄膜。薄膜起到一个保护面罩免受尘埃的作用。因为光学焦点在面罩上,即使有灰尘落在面罩上也能实现正确的图案>

液浸用薄膜是聚合物形态。EUV用薄膜为了提高透光性采用了硅有机树脂材料。只有制作成尺寸为横110mm、竖144mm、厚度为50纳米的超薄膜形态才能提高透光率。制造这样的薄膜并非易事。将漂浮的薄膜固定在面罩表面更加困难。日本信越在过去的3年间放弃了EUV用薄膜开发。韩国薄膜专门企业FST正在开发EUV用薄膜。面罩专门企业S&S Tech也将开发EUV用薄膜,据悉将在设备方面投入大量资金。但目前为止还未出现相应成果。

当初三星等公司打算在无薄膜的情况下运用EUV装备,但发现了灰尘给面罩带来的较大损失。EUV用面罩十分昂贵,每张在5-6亿韩元(约合360万元)左右。因为没有薄膜面罩又经常破碎,因此成本只能一升再升。三星在物色外部合作公司的同时也在进行自行开发。ASML也为了可以加入EUV装备的批量生产线正在进行薄膜技术开发。

业界相关人员表示:“虽然三星电子要求透过率为95%,但现在正在开发中的EUN薄膜的透过率还不足80%。如果透过率不足会直接导致光源损失及晶片吞吐量不足,因此在批量生产体制构建之前一定要完成开发”。另一名相关人员说到:“每当选出数万张晶片时就需要更换EUV薄膜,该薄膜作为单价2000-3000万韩元的高价产品,FST以及S&S Tech等韩国公司只要开发成功的话,就一定会引起销售增长”。

另外还继续开发适合13.5纳米EUV波长的面罩检查装备。可以开发这一装备的公司可以说只有检查装备专门企业KLA-Tencor。但据说,KLA-Tencor坚持自己如不事先支付费用则无法制造装备的立场。

EUV用感光液仍然存在需要降低以mJ为单位标记的感光度(需要多少光照可以感受到光)的作业。涂在晶片上时生成的气泡只有降到最小化才能绘制出正确的精细图案。EUV用感光液正在利用日本JSR及比利时半导体研究机关IMEC的共同生产设施进行生产。

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