挽救摩爾定律:ASML 極紫外光(EUV)微影技術量產的開發歷程

作者 | 發布日期 2021 年 02 月 15 日 0:00 | 分類 晶片 , 材料、設備 , 零組件 Telegram share ! follow us in feedly


2019 年底在舊金山舉辦的年度國際電子元件會議(IEDM)上,台積電公布的兩個報告標誌著積體電路製造邁入了 EUV 微影時代。第一個報告宣布了應用 EUV 微影技術的 7 奈米世代的改良版晶片已經於 2019 年正式量產,我們知道這個技術已經用在 2019 年生產的麒麟 990  5G 這顆有多於 100 億個電晶體的晶片上。

第二個報告宣布了 2020 年量產的 5 奈米世代將會有十幾層的製程用 EUV 微影技術來完成,取代多於它四倍(四十幾層)的 193 奈米浸潤式微影技術。果然,2020 年秋天,蘋果公司的 5G 旗艦手機已經搭載台積電製造的 5 奈米世代的晶片。日前,蘋果更宣布用於 Mac  PC 的新晶片:這片 5 奈米世代的晶片上含有 160 億個電晶體。EUV 微影技術使摩爾定律得以延續。

ASML 上週財報中指出該公司於 2020 年底慶祝第 100 台 EUV 極紫外光微影系統出貨。台灣目前更是全球 EUV 最大的裝機基地。EUV 微影技術歷經 20 餘年的實驗室研發,以及 12 年的量產研發,至今成為半導體先進製程中最重要的生產工具。ASML 全球副總裁暨技術開發中心主任嚴濤南,正是推動 EUV 應用在量產階段的靈魂人物。

▲ ASML 全球副總裁暨技術開發中心主任嚴濤南博士

EUV 微影技術採用錫的電漿來產生波長為 13.5 奈米的光源,以及用鉬矽多層反射薄膜來把光傳遞到晶片上。不同於一般的紫外光微影技術,EUV 微影技術得在低真空中運作,技術難度更高。

EUV 微影技術以實驗室形式的研發(日本,美國,歐洲,包括 ASML 和 Cymer)已經走過了二十多年卻仍達不到量產的技術要求,但也沒有被放棄。理由只有一個:因為沒有 showstopper(明顯的重大問題)。當時業界普遍認為如果 EUV 能用於量產就可以讓摩爾定律延續生命。 這是個巨大的誘惑。台積電是全球最大的半導體代工廠,在先進製程獨占鰲頭,其開發所有新技術的目的只有一個:最終用於量產。而開發用於量產的 EUV 微影技術就落到了我的肩上。

量產的要求極高,要知道 EUV 微影技術的種種瓶頸,就必須在當時僅有的 EUV 微影設備上做實驗。 2006 年,標誌著 EUV 實驗室研發階段的結束。 那年,我現在的東家 ASML 交出了兩台 EUV 樣機,叫做 Alphademo tool (ADT)。 其中一台由紐約州的 Albany 奈米中心獲得,另一台落戶比利時微電子研發中心(imec)──ASML 的長期合作夥伴。因為台積電是 imec 的「核心夥伴」成員,我派了一位微影技術專家去那裡蹲點。 儘管那台樣機故障頻頻,但從他寄回來的晶片中,我們看到了一線希望,決定繼續往下走。

(圖片來源:ASML

2010 年的春天,在當時台積電研發組長蔣尚義博士(後為台積電共同營運長)的主導下,我們向 ASML 訂了一台型號為 NXE:3100(數值孔徑為 0.25)的 EUV 微影機台。那款機型是繼 ADT 後的 EUV 研發機台。 ASML 一共做了六台,分別運往了三星、imec、英特爾、東芝、海力士和台積電。 光源是美國 Cymer 公司提供的。

因為是第一次採用雷射電漿(laser-produced plasma,LPP)技術來產生波長為 13.5 奈米的 EUV 光,3100 的光源非常弱,最佳狀態時只能輸出 10 瓦的功率,是現在量產機台(輸出功率 250 瓦)的二十五分之一,而且可靠性低,經常故障。但我相信它是可以進步的, 因為研發中的下一代光源在 Cymer 的實驗室裡已經演示出高於 10 瓦數倍的功率,雖然只是短暫的瞬間,而不是七天二十四小時持續發光。

而且那時我們第一要關心的不是光源的輸出功率,而是微影機台鏡頭的解析度。鏡頭是 ASML 的合作夥伴 ZEISS 做的。 雖然數值孔徑都是 0.25,NXE:3100 的鏡頭比起 ADT 來有很大的進步,我們看到它已經可以在晶片上曝出 10 奈米世代需要的圖案! 再者,ASML 的下一代機型 NXE:3300 有更高的 0.33 的數值孔徑,意味著更高的解析度。還是在蔣先生的全力支援下,我們訂購了 NXE:3300,繼續往前衝。

2012 年底,張忠謀董事長問我:「你覺得 EUV 成功的機率有多少?」我答「80%」,他說:「那你很樂觀噢! 某人說只有 50%」。 回想起來,當時在大老闆前面講出 80% 的成功機率確實是有點膽大。 但我還是信心滿滿。 為什麼?

義無反顧,全力以赴,合作無間

ASML 從一開始就認知到開發 EUV 量產微影機台是個極高風險但又是高回報的事業。 而且延續摩爾定律是它的社會責任。 因為風險極高,所以 ASML 的競爭對手從一開始就沒有打算要開發量產的 EUV 技術。 它的社長對我說:「EUV 是不會成功的;ASML 會蝕掉所有的開發成本 」。 其實那時有這樣的想法是很正常的,持這樣觀點的人也很多。

但 ASML 不是一般的公司。 決定它在 EUV 微影機台技術上成功的因素有三個:

  1. 決定開發 EUV 微影機台後,公司將全力以赴,投入了所有可能的資源來降低風險,使它成功。
  2. 技術長 Martin van den Brink 親自掛帥,事無巨細,都一一過問。
  3. 和像台積電這樣的重要客戶共同開發。

對台積電來說也一樣。 因為已經決定了,就要全方位的投入。蔣先生和我們分享過這樣一段話:「我一生中做過許多技術方面的決定。我決定的方向可能當時來說不是最好的。但是我一旦決定了,就會把所有的資源投入到那裡,讓它成功。 另一個或許是當時更好的方向已經無關緊要了,因為它已經出局了」。

我義無反顧,全心全意地投入 EUV 的開發。 每天一定會穿好無塵衣進入無塵室去看我的機器:瞭解它們的狀況,做出相應的決定。 公司內部有人說我是公司裡唯一一位每天進無塵室的處長。 不知是褒義還是貶義。 但我知道:絕對不能只聽報告,然後在辦公室或會議室裡隔空指揮,特別是當機器的可靠性還很低時。 為了讓機器的利用率達到最高,我需要看了機器當時的狀況後,決定讓它接著曝實驗晶片,或是把它拉下來做機器本身的實驗。為了趕進度,我們和 ASML 共同開發:很多實驗都是在荷蘭或美國初步進行一下,然後直接在台積電的 3300 微影機台上完成的。

在通往量產的路上,人們最擔心的是光源的輸出功率是否最終能達到 250 瓦。這是量產機台所必須有的。因為單價很高,EUV 微影機台要有高的稼動率來壓制晶片的生產成本。上面提到,微影機台最要緊的是鏡頭的解析度。那時 ZEISS 做的鏡頭已經不是問題。光源的輸出功率變成了主要問題。

2013 年十月底,我們的第一台 NXE:3300 開始曝光,但從十一月開始的好長一段時間,光源的功率都無法超越 10 瓦。透過不斷的實驗,到了 2014 年第二季,功率爬到了 40 瓦左右。 然後接著一連串的實驗都沒法讓它繼續提升:主要表現在高於 40 瓦輸出功率的穩定性欠佳。 整個夏天,我們和 ASML 在新竹、荷蘭、美國不停地做實驗。

EUV 光的產生是用二氧化碳雷射每秒 5 萬次去轟擊液態錫滴。出來的 EUV 光通過一個直徑為 0.65 公尺的橢球反光鏡送進微影機台裡頭。錫滴位於橢球反光鏡的一個焦點,機器的進口位於它的另一個焦點。 所以,保持這塊反光鏡不被霧化就成了關鍵中的關鍵。

為什麼會霧化? 因為錫滴被雷射轟擊後氣化,在腔內擴散,會沉積在鏡子上。 因此,我們在反光鏡周圍輸入氫氣。 EUV 光能把氫分子分離為氫原子。 而氫原子又能與錫結合,變成氣態的氫化錫,然後被抽出腔體。不讓反光鏡霧化的關鍵是把二氧化碳雷射的功率,氫氣的流量和氫氣的壓力調到最佳組合。當然還有其他關鍵的地方。 總之,這個十億美元的遊戲就是要怎樣把 EUV 光的穩定的輸出功率調高,再調高,調得更高。

2014 年 10 月的一個晚上是個分水嶺。 那晚我在公司餐廳匆匆用了餐,就進入無塵室和 ASML 的夥伴們一起用 Cymer 那裡先調出來的初步數據做一個嶄新的實驗。經過參數的微調,輸出功率持續上升。 九點過後,我們第二台 3300 上的 EUV 光源第一次輸出了 90 瓦的穩定功率。這是全世界的第一次! 能達到 90 瓦,250 瓦就希望很大, 因為只差不到三倍,而我們已經從 10 瓦走到了 90 瓦,那是九倍。我立即意識到,EUV 微影技術的量產應該會成功。頓時一股暖流湧上心頭,我一生都會記得那一個晚上。

接下來的任務更加艱鉅:為了證明光源的輸出功率不只是最佳的的實驗數據,我被長官要求證明這部微影機台能連續一個月平均每天曝光五百片晶片。我去和 ASML 商量。我們決定:加快步伐把錫滴管和橢球反光鏡的更換頻率降低,因為它們的更換在那個時候需要幾十個小時。 期間微影機台不能曝光。其中最重要的改進是把錫滴的體積減半,來減少錫滴管的消耗及橢球反光鏡的污染,從而降低它們的更換頻率,但不能讓每次雷射轟擊產生的 EUV 能量降低。

台積電和 ASML 成立了 One  Team,日夜不停地改進光源的各項參數。這項任務在 2015 年上半年完成了。在那之後,One  Team 在各個方面都取得了進步,包括一次又一次地改進各項參數來延長反光鏡的壽命。在這裡我要感謝我以前的 EUV 研發團隊及和我們緊密合作的 ASML 的夥伴──我現在的同事們。

打造一個全新的生態系統

以上的工作是艱難的,但是還是不足的。 EUV 微影量產技術是到目前為止半導體工業最大的開發計劃,它的成功需要整個半導體業界的力量。為了說服 ASML 開發,從 2013 年起的五年內,台積電、三星、英特爾加在一起付給了 ASML 超過十億歐元研發費用來共襄盛舉。為了達成此任務,ASML 援助它的供應商:2012 年,它花了二十五億美元收購了美國 Cymer 公司;2016 年,它花了十億歐元入股德國 ZEISS 公司,並在之後的六年內提供 ZEISS 七點六億歐元研發費用。 這些舉動都是為了確保 EUV 微影技術的成功。

要成功將 EUV 技術導入晶片的量產階段,除了微影機台外,還需要開發一個 EUV 微影技術專門的生態系統。 這個系統包括光阻與光罩。 其實光罩本身就是一個子系統,它在台積電的開發也是由我負責。

當初,雖然 193 奈米光阻那時已是成熟的技術,也是日本供應商的天下,但是由於已看到 EUV 要走到量產不是一、兩年的事,一般光阻供應商都不願意在 EUV 光阻上投入太多資源。唯有 JSR 有戰略眼光。在小柴社長的支援下,我們和 JSR 進行了長期的不間斷的合作,確保了我們的 EUV 微影機台有光阻可用,以及 EUV 光阻本身的開發。

光罩技術的開發更加困難。唯二的光罩基材(mask blank)供應商也是日本公司。這裡要提一下 Hoya 公司。我們努力地合作,但它做的 EUV 光罩基材一開始充滿了缺陷。而且它自己沒法全然知道,因為它自己的檢測設備解析度沒有我們的高。所以他們的工程師要靠我們的反饋來改進他們的製程。Hoya 的光罩基材事業部部長堀川先生提出請求,讓我們每個月能有固定的採購來維持它小小的EUV光罩基材生產線。為了量產,不能只用實驗室裡做出來的東西; 有了生產線,製程才能改進。

我們答應了他的請求。為了提高光罩基材缺陷的檢測解析度,我們和 KLA 的工程師合作,把一台光罩檢測機改良為光罩基材缺陷專用的檢測機。 然後我們可以一次次地反饋給 Hoya 的工程師們,而他們就按照我們的反饋調參數,又一次次地把新的光罩基材送過來。到了 2016 年,光罩基材的缺陷已經降到十到二十顆左右。

我們也和本地供應商合作,例如和家登精密合作開發 EUV 用的雙層光罩盒。與此同時,台積電 2011 年加入的國際半導體聯盟 SEMATECH 及日本半導體聯盟 EIDEC,也來共襄盛舉。這兩個組織都百分之百致力於 EUV 生態系統的開發。ZEISS 的 EUV AIMS 光罩影像機及 Lasertec 的 EUV 光罩基材檢測機器就是在這些聯盟的資助下完成開發的。

總之,EUV 量產的開發是微影機台加上生態系統再加上製程的開發,缺一不可。在這裡應該感謝以前台積電 EUV 團隊裡的每一位成員的辛勤付出,ASML 同事們頑強的拼搏,其他半導體公司的相關研發人員的不懈努力,以及所有開發 EUV 相關技術的供應商及研究單位。EUV 量產的成功歸功於我們的共同努力,唯有如此,這個技術才有成功的今天。

2015 年春 SPIE 國際光電工程學會年會上有人問我:「你們的 B 計畫是什麼?」我回答:「我們沒有  B 計畫」,因為那時我已堅信我們的 A 計畫會成功。

EUV 挽救了摩爾定律

二十多年的前期研發不算,僅量產用的 EUV 微影技術的開發就走了足足十二年。 ASML 更是直接投入了大量人力物力,這還不算 ASML 在微影機台方面多年的技術積累和產業界的全力合作。所以大事業的成功是成年累月不懈的努力。 是不可能一步登天,一蹴而就的。

EUV 微影技術最終是成功了。摩爾定律的生命被延續了。不然,積體電路的進步會在 2018 年量產的 7 奈米那代就嘎然而止了。而現在呢,EUV 微影技術已經應用於 7 及 5 奈米世代的量產。2020 年十月,台積電魏哲家執行長宣布:3 奈米世代將於 2022 年下半年投入量產。正如 193 奈米浸潤式微影技術讓摩爾定律延續了十年(五個世代的積體電路),EUV 微影技術也將會讓摩爾定律至少延續再一個十年。屆時,積體電路製造已經走到了埃米世代了。

(作者:嚴濤南,ASML 全球副總裁暨技術開發中心主任;首圖來源:ASML)

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