用于高端邏輯半導體量產(chǎn)的EUV（Extreme Ultra-Violet，極紫外線光刻）曝光技術的未來藍圖逐漸“步入”我們的視野，從7nm階段的技術節(jié)點到今年（2019年，也是從今年開始），每2年~3年一個階段向新的技術節(jié)點發(fā)展。

高端邏輯半導體的技術節(jié)點和對應的EUV曝光技術的藍圖。

也就是說，在EUV曝光技術的開發(fā)比較順利的情況下，5nm的量產(chǎn)日程時間會大約在2021年，3nm的量產(chǎn)時間大約在2023年。關于更先進的2nm的技術節(jié)點，還處于模糊階段，據(jù)預測，其量產(chǎn)時間最快也是在2026年。

決定解像度（Half Pitch）

的是波長和數(shù)值孔徑、工程系數(shù)

技術節(jié)點的發(fā)展推動著半導體曝光技術解像度（Half Pitch）的發(fā)展，ArF液浸曝光技術和EUV曝光技術等的解像度（R）和曝光波長（λ）成正比，和光學的數(shù)值孔徑（NA，Numerical Aperture）成反比，也就是說，如果要增大解像度，需要在縮短波長的同時，擴大數(shù)值孔徑。

實際上，解像度和被稱為“工程系數(shù)（k1）”的定數(shù)也成一定的比例關系。如果降低工程系數(shù)，解像度就會上升。但是，工程系數(shù)如果降低到最小極限值(0.25)，就無法再降低了。

ArF液浸曝光技術、EUV曝光技術中的解像度（Half Pitch）（R）和波長、數(shù)值孔徑（NA）、工程系數(shù)（k1）的關系。

在ArF液浸曝光技術、EUV曝光技術中，光源的波長是固定的，無法改變。順便說一下，ArF液浸曝光的波長是193nm，EUV曝光的波長是13.5nm。兩者有超過10倍的差距，單純計算的話，EUV曝光絕對是占優(yōu)勢。

對ArF液浸曝光技術以前的光制版（lithography）技術來說，提高數(shù)值孔徑是提高解像度的有效手段。具體來說，就是通過改良作為曝光設備的Stepper和Scanner，來提高數(shù)值孔徑。

與之相反，運用EUV曝光技術的話，不怎么需要改變數(shù)值孔徑，EUV曝光技術利用X線的反射光學系統(tǒng)，光學系統(tǒng)擁有非常復雜的構造，同時光學系統(tǒng)的變化也會伴隨著巨額的開發(fā)投資。所以，過去一直以來EUV曝光設備方面從沒有更改過數(shù)值孔徑。最初的EUV scanner的數(shù)值孔徑是0.25，現(xiàn)行設備的數(shù)值孔徑是0.33，不管怎么說，和ArF Dry曝光技術的最高值（0.93）相比，都是很低的。

正如在本欄目中去年（2018年）12月報道的一樣（使用EUV曝光的高端邏輯半導體和高端DRAM的量產(chǎn)終于開始了！），用于量產(chǎn)7nm的最尖端邏輯半導體的EUV scanner--“NXE:3400B”內置的數(shù)值孔徑是0.33。

而且，今后數(shù)年內，都會在使用數(shù)值孔徑為0.33的EUV scanner的同時，提高解像度。換句話說，也就是通過使用同樣數(shù)值孔徑的曝光設備來使解像度（Half Pitch）更細微化。

通過階段性地降低工程系數(shù)來提高解像度

所以，很多用來提高細微化的辦法都被限制了，因為波長和數(shù)值孔徑是固定的，剩下的就是工程系數(shù)。光學方面，通過降低工程系數(shù)，可以提高解像度。和ArF液浸曝光技術一樣，通過和Multi-patterning 技術組合起來，就可以達到實質上降低工程系數(shù)的效果。而且，機械方面，有必要降低曝光設備的重合誤差。

提高EUV曝光技術的解像度的方法（2019年以后）

據(jù)EUV曝光設備廠商ASML說，他們把未來EUV曝光技術方面的細微化工作分為“四代”。現(xiàn)行技術水平是第一代，同時也是7nm邏輯半導體的量產(chǎn)是用的技術。工程系數(shù)是0.45左右。

第二代是把工程系數(shù)降低到0.40以下，通過改良曝光技術的硬件（光學方面）和軟件（阻焊層，resist）得以實現(xiàn)。其技術核心也不過是改良現(xiàn)行技術。

第三代是把工程系數(shù)降低到0.30以下，要得以實現(xiàn)，只改良現(xiàn)行技術比較困難，需要導入像Multi-pattering、新型mask材料、新型resist材料等這些基本要素。

第四代，由于工程系數(shù)無法再降低，所以開發(fā)新的光學系統(tǒng)，它可以數(shù)值孔徑提高到0.55。

EUV曝光設備廠家ASML公布的EUV曝光技術的發(fā)展。

ASML公布的技術發(fā)展資料里面沒有提到工程系數(shù)的具體數(shù)值，不過我們把工程系數(shù)的假設值放進去計算了一下，看看解像度可以提到何種程度，現(xiàn)行（第一代）的工程系數(shù)是0.46，其對應的解像度（Half Pitch）是19nm。

假設第二代的工程系數(shù)為0.39，對應的解像度為16nm，如果是最先進的邏輯半導體的技術節(jié)點的話，可以適用于7nm~5nm的量產(chǎn)品。

假設第三代的工程系數(shù)是0.29，對應的解像度是12nm，如果是最先進的邏輯半導體的技術節(jié)點的話，可以適用于5nm~3nm的量產(chǎn)品。

由于第四代大幅度更改了數(shù)值孔徑，工程系數(shù)假設為0.46，和第一代相同。假設數(shù)值孔徑為0.55，工程系數(shù)即使增加為0.46，相對應的解像度也和第三代基本相同，為11.3nm，可以適用于5nm~3nm的量產(chǎn)品。

EUV曝光技術發(fā)展和解像度的發(fā)展。以EUV曝光機廠商ASML發(fā)布的數(shù)據(jù)為基礎作者推測的數(shù)字。

把Multi-patterning（多重曝光）

導入到EUV曝光技術里

不需要改良光學系統(tǒng)和阻焊層（resist）等曝光技術，把工程系數(shù)k1實質性地降低的辦法----Multi-patterning（多重曝光）技術。正在討論把ArF液浸曝光方面廣泛普及的多重曝光技術應用到EUV曝光技術里。

比方說，兩次曝光就是導入LELE技術，即重復兩次Lithography（L）和Etching（E），如果把LELE技術導入到工程系數(shù)為0.46的EUV曝光技術（數(shù)值孔徑為0.33）上，解像度會變?yōu)?6nm，這和把單次曝光時的工程系數(shù)降到0.39得到的效果一樣。

三次曝光，即導入LELELE技術，重復三次Lithography（L）和Etching（E），再次降低解像度，為12nm，這和把單次曝光時的工程系數(shù)降低到0.29得到的效果一樣。

但是，利用多重曝光技術的話，“吞吐量（through-put）”會大幅度降低，單次曝光（SE技術）的晶圓處理數(shù)量約為130片/小時，兩次曝光（LELE）曝光的話，下降為70片/小時，三次曝光（LELELE）曝光的“吞吐量”下降為單次的1/3，為40片/小時。

聯(lián)合運用EUV曝光和多重曝光的解像度和“吐出量”的變化（k1是0.46），作者根據(jù)ASML公布的數(shù)據(jù)總結的數(shù)字。

總結一下，新型的5nm技術有兩個方向，第一、維持著單次曝光技術的同時，把工程系數(shù)下降到0.39；第二、通過利用兩次曝光（LELE技術）技術，實質性地降低工程系數(shù)。兩個的解像度都是16nm，預計量產(chǎn)開始時間為2021年。如果采用兩次曝光技術，預計量產(chǎn)時間可以提前到2020年。

第三代的3nm技術的節(jié)點稍微有點復雜，有三個方向：第一、把單次曝光的工程系數(shù)維持為0.29；第二、聯(lián)合兩次曝光（LELE技術）和把工程系數(shù)改為0.39的曝光技術；第三、利用三次曝光（LELELE）技術。三個方向的解像度都是12nm，預計量產(chǎn)時間為2023年。但是，如果采用三次曝光的話，量產(chǎn)時間有可能再提前。

關于第四代2nm技術節(jié)點，如果用數(shù)值孔徑為0.33的EUV曝光技術估計很難實現(xiàn)。應該是期待把數(shù)值孔徑提高到0.55的EUV曝光技術。

EUV曝光設備的組合運用，

繼續(xù)改良精度和生產(chǎn)性能

EUV曝光技術的開發(fā)方面最重要的是EUV曝光設備（EUV scanner）的改良。EUV曝光設備廠商ASML已經(jīng)公布了繼用于現(xiàn)行量產(chǎn)品7nm的EUV scanner--“NXE:3400B”之后的開發(fā)藍圖。

據(jù)ASML的技術藍圖預測，以“NXE:3400B”為基礎，首次開發(fā)降低重合誤差的版本，后面是以“降低重合誤差版本”為基礎，開發(fā)提高“吐出量”（生產(chǎn)性能）的版本。預計在今年（2019年）的上半年，完成這些改良。

基于以上改良成果的新產(chǎn)品“NXE:3400C”預計會在今年年末開始出貨，預計“NXE:3400C”將要“擔任”5nm的量產(chǎn)工作。

而且，降低重合誤差的同時，還要開發(fā)提高產(chǎn)能的新版本，ASML還沒有公布新版本的型號，出貨時間預計在2021年的下半年，新版本應該會承擔3nm的量產(chǎn)工作吧。

EUV曝光設備（EUV scanner）的開發(fā)藍圖，作者根據(jù)ASML公布的數(shù)據(jù)匯總的。

EUV曝光設備的開發(fā)藍圖，摘自2018年12月ASML在國際學會IEDM上發(fā)布的論文。

新一代用于量產(chǎn)的EUV曝光設備（EUV scanner）“NXE:3400C”的概要，出自ASML在2018年12月國際學會IEDM的演講資料。

這些曝光設備基本都是搭載了數(shù)值孔徑為0.33的光學系統(tǒng)。ASML同時也在致力于開發(fā)把數(shù)值孔徑提高到0.55的EUV曝光設備。

被ASML稱為“High NA”的、數(shù)值孔徑為0.55的EUV scanner的出貨時間預計在2023年的下半年，首批試驗設備預計在2021年年底做成。