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光刻机|EUV光刻的“致命弱点”

几家供应商正在推出下一代检测系统和软件，以定位极紫外（EUV）光刻机工艺引起的芯片缺陷问题 。
每种缺陷检测技术都涉及到各种权衡，但由于EUV引起的随机缺陷最终会影响芯片的性能，在晶圆厂里使用一项或多项检测技术是非常必要的 。
EUV光刻用于晶圆厂的芯片生产，它使用一个巨大的扫描仪在高级节点上对芯片的微小特征进行图案化，在操作中，EUV的扫描仪产生光子，最终与晶圆上的光敏材料光刻胶相互作用，以形成精确的特征化图案 。
不过，并不是每次都可以实现精确图案化，在EUV中，光子撞击光刻胶发生反应且这一动作重复多次，这些过程充满不可预测性和随机性，可能会产生新的反应，也就是说EUV光刻工艺容易出现所谓的随机性，是具有随机变量的事件，这些变化被统称为随机效应 。随机效应有时会导致芯片中出现不必要的接触缺陷或有粗糙度的图案，两者都会影响芯片的性能，甚至导致设备出现故障 。
在过去的几年中，这些问题在传统的光刻技术中基本被忽略了 。但对于EUV而言，随机效应成为主要问题之一，越高级的节点，随机效应越严重 。尽管该行业已经找到了通过改进光刻胶和工艺来缓解问题的方法，但随机效应引发的缺陷依然会突然出现，给代工供应商及客户带来麻烦 。
“这意味着随机性作为一个重要问题永远不会消失，”Fractilia 的 CTO Chris Mack 说 。“有时在10纳米或7纳米节点附近，随机效应成为图案变化的主要来源 。这主要是因为所有其他变化来源都在变小 。随机效应却没有——或者至少它没改进得那么多或那么快 。在总变化中，随机效应变化所占比例越来越大 。”
因此，了解这些影响势在必行，并且在晶圆厂中定位芯片中随机效应引起的缺陷也同样重要 。幸运的是，最近有几家公司开发了各种工具，可以在当今EUV工艺中定位甚至预测芯片中的这些缺陷 。展望未来，面对5nm以及更先进的节点，一些厂商正在推出新方法或改进方法查找或预测这些缺陷，包括：
设备供应商正在突破光学检测的极限，以检测随机效应引起的缺陷；
一类新的电子束检测工具正在为此应用发展；
新的软件工具正在开发中，使用户能够对缺陷进行分类、建模和预测；
电气测试也在进行中 。
令人困扰的随机效应
一颗芯片的诞生需要经过多重工艺步骤，光刻一直是最为复杂的工艺之一 。多年来，芯片制造商使用基于193nm波长光刻系统在芯片上进行特征图案化，但当工艺节点达到5nm时，使用多重图案化变得十分困难 。
EUV简化了传统光刻流程，使芯片制造商能够扫描7nm及以下的特征图形 。“当您使用EUV时，光罩的次数就会减少，这是因为EUV将行业带回了单一模式，193nm的图案浸没需要更多的高级节点掩膜 。” D2S的首席执行官藤村明（Aki Fujimura）说：“有了EUV，掩膜次数减少了，但每层EUV光罩成本更贵 。”
光刻机|EUV光刻的“致命弱点”
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图一：典型的光刻处理步骤顺序 。来源：Fractilia
2018年，三星和台积电就在7nm节点使用了EUV光刻，现在这两家公司都在5nm处使用EUV光刻，其他公司也正在开发用于芯片生产的EUV光刻机 。
芯片制造商正在使用ASML的EUV光刻机进行芯片生产，该系统采用13.5nm波长0.33数值孔径透镜，分辨率为13nm，每小时可处理135至145个晶圆，ASML计划在2021年出货40套EUV系统，并在2022年再出货55套 。
与此同时，在先进节点上，芯片制造商面临一些挑战 。先进逻辑工艺在晶圆厂中可能有600到1000道甚至更多步骤，每一步都可能出现问题，导致芯片出现缺陷，因此，芯片制造商在晶圆厂中需要检测和计量设备，检测系统发现晶圆上的缺陷，计量工具测量结构 。
这是一个复杂的过程 。例如，原子力显微镜（AFM）是晶圆厂中使用的一种计量工具类型 。“使用AFM，我们可以在整个晶圆的不同芯片和裸片上检测大约50微米的区域，关键应用之一是查看顶线粗糙度——能够将这些印制图案中的断线和缺陷与之后的缺陷相关联，”Bruker高级应用工程师Sean Hand说道 。
缺陷可能会出现在其他地方，在操作中，EUV扫描仪应该在芯片中创建各种图案，例如微小的接触孔、线条和通孔，并且具有良好的均匀性 。但有时，扫描仪可能无法图案化所需线条，出现换行符，无法打印每一个接触孔，出现缺失接触，其他情况下，该过程还会导致一个或多个孔合并，出现“接吻接触”（kissing contacts） 。


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