【EUV曝光技术】（一）最近1～2年内决定胜负

EUV曝光技术的开发变得越来越慢。最大原因在于EUV光源的输出功率提高不上去（图1）。处理速度（吞吐量）要达到量产时所需要的125枚/小时，需要将曝光装置入光口（中间聚光点）的EUV光输出功率提高至250W。而目前的输出功率只有10～20W，与目标值存在一位数的差距。虽然也有报告称瞬间输出功率可以达到100W，但连续发光时间（爆发时间）较短，曝光所需要的平均输出功率只有10～20W的水平（图2）。


图1 最大课题是提高EUV光源的输出功率
EUV曝光技术的最大课题是提高光源的输出功率。量产需要输出功率达到250W，而目前的数值比其低一位数。（照片由阿斯麦提供，该图由本杂志根据各种发布资料绘制）（点击放大）

图2 EUV光的输出功率的思路示意图
就算连续发光时间（爆发时间）仅为1ms时爆发输出功率可达到100W，如果占空比为10％，平均输出功率也只有10W（a）。量产时需要将爆发时间延长至相当于一次扫描时间的约400ms以上（b）。（该图由本杂志根据西盟的资料绘制）（点击放大）
EUV光的输出功率在过去5年内几乎没有增加。这是因为在提高EUV光的输出功率之前，厂商为使光源稳定工作而耗尽了精力。比如，阿斯麦（ASML）公司2010～2011年共出货了6台用来试制元件的EUV曝光装置“NXE：3100”注1）。但是，因EUV光源无法稳定工作，半导体厂商及研究机构无法按计划实施曝光实验。

注1）估计供货对象为英特尔、三星、台积电、东芝、韩国SK海力士及比利时IMEC。

EUV光源难以稳定工作的原因很多，比如，长时间使其产生EUV光的话，光源内就会蓄积庞大的热量，导致各种参数出现偏差。EUV光的输出功率越高，这种问题就越严重。因此，EUV光源厂商最近几年一直在大力开发能够使其稳定工作的技术。这样一来，尽管EUV光源的输出功率基本与原来持平，但使其稳定工作的技术取得了切实进步。

目前，“每天可使100枚以上的晶圆稳定曝光”（美国EUV光源厂商西盟）。以每天工作20小时计算，吞吐量相当于5枚/小时。虽然还远远达不到量产所需要的125枚/小时，但“光源不工作，曝光实验无法按计划进行”的情况正在改变。如果曝光实验取得进展，光刻胶及掩模等的技术开发就会进步。

害怕“单独失败”的阿斯麦
研发EUV曝光技术的企业打算在最近1～2年内大步加快技术开发。其原因是，如果EUV曝光技术的开发再拖延下去，就相当于自掘坟墓。导入技术的时间越晚，分辨率及吞吐量等EUV曝光技术所要求的门槛就会越高。在此期间，利用液浸ArF曝光技术的四重（Quad）图形技术及电子束（EB）曝光技术等竞争技术的开发向前推进，并取代EUV曝光技术的可能性就会提高。因此，有意见称，“如果2014～2016年不启动EUV曝光技术，就会失去大显身手的机会”（Gigaphoton公司EUV开发部部长助理冈崎信次）。

竭尽全力开发这种技术的是从事EUV曝光装置业务的阿斯麦。该公司长期开发EUV曝光装置并投入了大量资金。继元件试制用装置之后，该公司还打算2013年提供11台，2014年提供4台量产用EUV曝光装置“NXE：3300B”。好像也有一家半导体厂商订购多台装置的情况。目前阿斯麦正在制造或测试7台NXE：3300B（图3）。如果EUV曝光技术不成功，即便是世界第一大半导体制造装置厂商阿斯麦，根基也有可能发生倾斜。另外，其他曝光装置厂商实际上已停止开发EUV曝光技术，因此，如果EUV曝光技术无法启动，就会变成阿斯麦的“单独失败”。


图3 打算启动EUV曝光技术的阿斯麦
阿斯麦计划2013年出货11台量产用EUV曝光装置，目前已有7台正在制造或者测试。（该图由本杂志根据阿斯麦的资料绘制）（点击放大）
另一方面，主要EUV光源厂商因巨额开发资金带来负担，没有多余精力加快开发速度。于是阿斯麦2012年10月决定收购全球最大的半导体曝光用光源厂商西盟。大多数观点认为，“阿斯麦挽救了苦于EUV光源开发的西盟”（半导体业内人士），也有人指出，英特尔决定向阿斯麦出资的意向起到了助推作用。阿斯麦打算通过收购西盟，加速开发最大的课题——EUV光源，无论如何也要启动EUV曝光技术。

目标是2015年使EUV光的输出功率达到250W
目前，EUV光源的开发正以两种方式进行。分别为通过向锡（Sn）液滴照射高输出功率的CO2激光使其产生EUV光的LPP（激光等离子体，laser-produced plasma）方式，以及通过在溶融锡附着的旋转电极之间引发放电现象来产生EUV光的LDP（激光辅助放电等离子体，laser-assisted discharge plasma）方式。这些方式的原理都是使锡处于高能量等离子体状态，使用聚光镜将由此放射出来的EUV光聚集在一起（图4）。


图4 通过两种方式开发EUV光源
LPP方式通过向锡液滴照射CO2激光来产生EUV光。而LDP方式通过锡附着的旋转电极之间的放电来产生EUV光。目前，还看不出哪种方式更适合产生EUV光源，两种方式的开发都在进行。（该图由本杂志根据阿斯麦的资料绘制）（点击放大）

阿斯麦决定收购的西盟采用LPP方式，迄今为止该公司一直走在实用化的最前列。这样说的原因是，该公司目前已经出货了5台元件试制用EUV曝光装置使用的光源“HVM I”，并一直在客户那里长期使用。虽然目前HVM I的输出功率仅为9～13W，但曝光量（DOSE量）的不均减小到了±0.5％以内，西盟一直致力于使光源稳定工作的技术开发注2）。为了提高输出功率，该公司打算今后分阶段提高CO2激光的输出功率，同时还会改善转换为EUV光的效率，2015年使输出功率达到量产所要求的250W（图5）。


图5 2015年将提高至250W
西盟计划通过提高CO2激光的输出功率及改善转换效率，2015年使EUV光源输出功率提高至250W。（该图由本杂志根据西盟的资料绘制）（点击放大）[!--empirenews.page--]
注2）EUV光源存在的问题是名为“碎片”（Debris）的高能量锡粒子等与聚光镜撞击并附着在上面，导致反射率逐渐降低。西盟公司采用了名为“氢气Curtain”的方式，通过向光源装置内通入大量氢气，使锡粒子与氢分子碰撞，从而减少与集光镜的撞击，延长聚光镜的寿命。除了这种方式之外，最近该公司还宣布，通过利用可保护聚光镜表面的封顶层，将聚光镜的寿命延长到了4个月（450亿个脉冲）。据该公司介绍，最终的目标是使其寿命延长至1年（1000亿个脉冲）以上。

西盟为了提高转换成EUV光的效率，采用了名为“预脉冲（Prepulse）”的技术。锡液滴的直径约为30μm，而CO2激光的聚光点直径约为100μm。因此，只有部分CO2激光照射到锡液滴上，转换效率降低。于是，该公司利用名为预脉冲的弱CO2激光击碎锡液滴，使其扩散为直径100μm左右之后再照射标准的CO2激光。据西盟介绍，通过这种方法，可将目前1％左右的转换效率提高至2～3％以上。

目前，西盟已成功使用预脉冲技术和15kW的CO2激光，使爆发输出功率为50W、占空比为40％、平均输出功率为20W的EUV光源连续工作5.5小时。量产用EUV曝光装置使用的光源“HVM II”就采用了这种预脉冲技术。首台HVM II已经出货，“目前正与阿斯麦的量产用EUV曝光装置进行整合评估”（西盟EUV战略营销副总裁Nigel Farrar）。（记者：大下 淳一，木村 雅秀，日经BP半导体调查）