Litho路线图仍不明朗

马克·拉佩德斯著
一段时间以来，光刻技术的发展方向一直不明朗。光刻技术的发展远远超出了预期。各种下一代光刻(NGL)技术的延迟迫使该行业多次重写路线图。

今天，光刻技术比以往任何时候都有更多的不确定性。例如，直到最近，领先的逻辑芯片制造商一直计划将193nm浸入式多模制扩展到14nm和10nm节点。这是因为最主要的NGL候选技术——极紫外(EUV)光刻技术——仍然被推迟，还没有为10nm做好准备。

但据太平洋皇冠证券(Pacific Crest Securities)称，台积电(TSMC)最近出人意料地采取了行动，计划在10nm工艺上插入EUV，尽管该技术仍存在许多挑战。出于这个原因，英特尔、GlobalFoundries和其他公司都在维持各自的光刻路线图，并将继续瞄准7nm的EUV。此外，其他的ngl技术，如定向自组装技术(DSA)、无掩膜技术和纳米印迹技术，仍在高级节点上寻找。

为光刻工艺路线图增加更多不确定性的是向下一代450mm晶圆尺寸迁移的明显延迟。根据Pacific Crest Securities的数据，英特尔已经将450mm测试版设备的交付推迟到2015年底左右，这将推迟大约三个季度。

NGL和450mm晶圆过渡的不确定性给芯片制造商和晶圆厂工具供应商带来了许多挑战。它也在光刻技术中增加了更多的混乱。GlobalFoundries高级经理兼EUV光刻副总监Pawitter Mangat表示:“雾越来越多。”

移动目标
多年来，人们一直担心光刻技术会耗尽天然气，这促使人们对NGL技术的需求。然而，如今193nm光刻技术仍在大量生产晶圆，而NGL技术仍在推迟。例如，在逻辑上，目前的思想流派是使用193nm浸泡，并在10nm处使用多个图案。但芯片制造商却在苦苦哀求EUV，因为该技术将使行业回到单一曝光的时代。

为了加速EUV和450mm的开发，英特尔、三星和台积电最近投资了阿斯麦。阿斯ml的第一款EUV扫描仪NXE:3300B将于2013年上市。300mm工具已经在实验室中演示了低至9nm的图像，但由于电源、掩模和电阻的问题，EUV遇到了几次延迟。

台积电并没有受到这些问题的影响，希望在10nm处插入EUV。此举代表了战略的变化，因为台积电预计将在该节点上使用光刻技术。太平洋皇冠证券(Pacific Crest Securities)分析师韦斯顿•特威格(Weston Twigg)表示:“阿斯麦(ASML)的EUV平台正在取得进展，我们相信台积电目前正致力于在2016年推出几款用于10nm产品的工具。”“我们相信其他逻辑和代工公司仍然没有承诺采用EUV的时间。”

为了使EUV在10nm工艺上投入生产，台积电必须获得NXE:3300B，并在工艺投入生产前至少两到三年的时间解决漏洞。在短时间内，ASML和台积电必须证明NXE:3300B是可靠的、值得生产的和具有成本效益的。

尽管目前EUV技术存在局限性，但ASML认为该技术仍然可以在10nm工艺下处理一到两个关键层，从而提供了比多种图案更大的成本优势。ASML EUV工具测试基地之一Imec的高级制版部门主管Kurt Ronse表示:“在10nm处，EUV可以逆转工艺成本的增加。“在7纳米时，效果甚至会更明显。但EUV准备好了吗?”

当然，如果EUV再次遭遇挫折，台积电可能会改变战略。其他芯片制造商都知道台积电的计划，但许多人怀疑EUV能否及时准备好用于10nm工艺。GlobalFoundries的Mangat表示:“我认为在10nm处插入EUV将是一个挑战。”“7nm更加真实。”

与此同时，一段时间以来，英特尔一直计划将193nm浸泡工艺扩展到11nm节点。利用193nm的浸泡技术，芯片巨头正在考虑在11nm的5倍曝光。英特尔正在为其7nm节点评估几种NGL技术，但EUV是领先的候选技术。英特尔光刻资本设备开发总监Janice Golda表示:“7nm可能是(EUV)的插入点。“我们都在焦急地等待EUV的出现。”

和以前一样，最大的问题是电源。在最近的更新中，ASML在20小时的运行时间内展示了40瓦和50瓦的EUV功率。55瓦的源转换为EUV工具的总吞吐量为43片/小时(wph)。然而，为了使EUV可行，Golda说EUV源必须产生至少80瓦的功率。这意味着EUV的总吞吐量约为58 wph。“80瓦是每个人的重要里程碑，”Golda说。“这是一个神奇的数字。”

另一个挑战是EUV掩模基础设施。EUV掩模必须在生产过程中无缺陷，但该行业正在努力实现这些目标。例如，要制作EUV掩模，第一步是获得原玻璃材料或基板。EUV掩膜上大约70%的相位缺陷可以追溯到玻璃本身。

这甚至是在EUV掩模本身经过生产过程之前。“对于EUV掩模，最大的问题仍然是缺陷，”应用材料公司掩模和TSV蚀刻部门的主要技术人员兼首席技术官Banqiu Wu说。“真正的问题是如何控制相位缺陷数。其中一些来自于底物。如果我们不能控制基板凹坑，就意味着我们无法克服挑战。”

这只是冰山一角。EUV掩膜的生产过程也具有挑战性和昂贵。而且许多检查工具还没有准备好。“另一个挑战是缺陷检查，”吴说。

还有其他问题。如果或当EUV投入生产时，该技术最初的目标是接触孔缩小。Imec的Ronse说:“接触孔层面的最大问题是所谓的局部CD均匀性，与必须打印的尺寸相比，它达到了从1nm到2nm的数量级。”

对于NXE:3300B来说，本地CD均匀性数字仍然太高，他说。为了解决这个问题，光刻机可以使用较慢的电阻或提高图像对比度。在另一个解决方案中，Imec正在探索后处理蚀刻步骤，该步骤可以使接触孔收缩率提高30%。

450毫米的困境
如果这还不够解决问题，芯片制造商和晶圆制造工具供应商现在必须修改他们的路线图，并达到450mm的重置按钮。Pacific Crest的Twigg表示:“我们认为，英特尔正式将450毫米测试设备的交付预期从2015年第一季度推迟了至少三个季度。”“延迟的原因可能是与三星和台积电在450mm晶圆厂的时间上缺乏一致。”

Twigg表示，尽管如此，这一推出只是推迟了不可避免的向450mm晶圆厂的迁移，而450mm晶圆厂预计仍将在2018年至2020年出现。当450mm出现时，光刻技术的竞争者包括193nm和多模式、EUV和多光束。DSA更像是一种互补的模式方案。

目前，ASML正在开发两种波长，EUV和193nm浸入式，用于300mm和450mm晶圆尺寸。一般来说，业界希望ASML先开发300mm的EUV工具，然后再担心450mm的EUV工具，这引发了人们对ASML 450mm路线图可能会下滑的担忧。阿斯麦本身也担心450mm的研发成本和投资回报。ASML总裁兼首席技术官马丁•范登•布林克(Martin van den Brink)在最近的一次活动中表示:“我们对450mm芯片缺乏发展势头感到担忧。”

在450mm的路线图上，阿斯麦计划在2015年推出beta EUV工具，并在2016年推出193nm浸没系统。450mm EUV扫描仪将于2018年投产。450mm的EUV工具预计将是一个昂贵的解决方案，但吞吐量令人怀疑。据ASML称，300mm工具的吞吐量约为250 wph，而450mm系统的运行速度为100至125 wph，成本为1.1倍。

为了对冲风险，一个行业组织-全球450mm联盟(G450C) -正在资助尼康为450mm晶圆厂开发193nm浸没式扫描仪。尼康计划在2015年推出“早期学习工具”。尼康精密执行副总裁Hamid Zarringhalam表示:“正如我们所说，我们将在2015年满足客户的订单。”“大批量制造工具的出货时间将继续与客户要求同步。”

到那时，包括多波束直写在内的其他NGL技术也将准备就绪。多波束工具初创公司MultiBeam董事长David Lam表示:“我们准备在10nm节点进行插入。”“我们450mm晶圆的产量与300mm晶圆的产量相同。”

KLA-Tencor, Mapper Lithography和其他公司也在开发多光束工具。该行业也在追求DSA。当然，还有EUV。不过，接下来要插入的内容取决于几个因素。“方案仍在最后敲定。我们必须考虑拥有成本，”GlobalFoundries的Mangat总结道。