來源：內容由 公眾號 半導體行業觀察（ID：icbank）翻譯自「pc. watch. Impress」，謝謝。

用於高端邏輯半導體量產的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點發展。

高端邏輯半導體的技術節點和對應的EUV曝光技術的藍圖。

也就是說，在EUV曝光技術的開發比較順利的情況下，5nm的量產日程時間會大約在2021年，3nm的量產時間大約在2023年。關於更先進的2nm的技術節點，還處於模糊階段，據預測，其量產時間最快也是在2026年。

決定解像度（Half Pitch）

的是波長和數值孔徑、工程係數

技術節點的發展推動著半導體曝光技術解像度（Half Pitch）的發展，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，擴大數值孔徑。

實際上，解像度和被稱為「工程係數（k1）」的定數也成一定的比例關係。如果降低工程係數，解像度就會上升。但是，工程係數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、數值孔徑（NA）、工程係數（k1）的關係。

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曝光絕對是佔優勢。

對ArF液浸曝光技術以前的光製版（lithography）技術來說，提高數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，來提高數值孔徑。

與之相反，運用EUV曝光技術的話，不怎麼需要改變數值孔徑，EUV曝光技術利用X線的反射光學系統，光學系統擁有非常複雜的構造，同時光學系統的變化也會伴隨著巨額的開發投資。所以，過去一直以來EUV曝光設備方面從沒有更改過數值孔徑。最初的EUV scanner的數值孔徑是0.25，現行設備的數值孔徑是0.33，不管怎麼說，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的量產終於開始了！），用於量產7nm的最尖端邏輯半導體的EUV scanner--「NXE:3400B」內置的數值孔徑是0.33。

而且，今後數年內，都會在使用數值孔徑為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係數來提高解像度

所以，很多用來提高細微化的辦法都被限制了，因為波長和數值孔徑是固定的，剩下的就是工程係數。光學方面，通過降低工程係數，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係數的效果。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年以後）

據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」。現行技術水平是第一代，同時也是7nm邏輯半導體的量產是用的技術。工程係數是0.45左右。

第二代是把工程係數降低到0.40以下，通過改良曝光技術的硬體（光學方面）和軟體（阻焊層，resist）得以實現。其技術核心也不過是改良現行技術。

第三代是把工程係數降低到0.30以下，要得以實現，只改良現行技術比較困難，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，由於工程係數無法再降低，所以開發新的光學系統，它可以數值孔徑提高到0.55。

EUV曝光設備廠家ASML公佈的EUV曝光技術的發展。

ASML公佈的技術發展資料裡面沒有提到工程係數的具體數值，不過我們把工程係數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，現行（第一代）的工程係數是0.46，其對應的解像度（Half Pitch）是19nm。

假設第二代的工程係數為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點的話，可以適用於7nm~5nm的量產品。

假設第三代的工程係數是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點的話，可以適用於5nm~3nm的量產品。

由於第四代大幅度更改了數值孔徑，工程係數假設為0.46，和第一代相同。假設數值孔徑為0.55，工程係數即使增加為0.46，相對應的解像度也和第三代基本相同，為11.3nm，可以適用於5nm~3nm的量產品。

EUV曝光技術發展和解像度的發展。以EUV曝光機廠商ASML發布的數據為基礎作者推測的數字。

把Multi-patterning（多重曝光）

導入到EUV曝光技術裏

不需要改良光學系統和阻焊層（resist）等曝光技術，把工程係數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曝光技術裏。

比方說，兩次曝光就是導入LELE技術，即重複兩次Lithography（L）和Etching（E），如果把LELE技術導入到工程係數為0.46的EUV曝光技術（數值孔徑為0.33）上，解像度會變為16nm，這和把單次曝光時的工程係數降到0.39得到的效果一樣。

三次曝光，即導入LELELE技術，重複三次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係數降低到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ASML公佈的數據總結的數字。

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，把工程係數下降到0.39；第二、通過利用兩次曝光（LELE技術）技術，實質性地降低工程係數。兩個的解像度都是16nm，預計量產開始時間為2021年。如果採用兩次曝光技術，預計量產時間可以提前到2020年。

第三代的3nm技術的節點稍微有點複雜，有三個方向：第一、把單次曝光的工程係數維持為0.29；第二、聯合兩次曝光（LELE技術）和把工程係數改為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，預計量產時間為2023年。但是，如果採用三次曝光的話，量產時間有可能再提前。

關於第四代2nm技術節點，如果用數值孔徑為0.33的EUV曝光技術估計很難實現。應該是期待把數值孔徑提高到0.55的EUV曝光技術。

EUV曝光設備的組合運用，

繼續改良精度和生產性能

EUV曝光技術的開發方面最重要的是EUV曝光設備（EUV scanner）的改良。EUV曝光設備廠商ASML已經公佈了繼用於現行量產品7nm的EUV scanner--「NXE:3400B」之後的開發藍圖。

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

基於以上改良成果的新產品「NXE:3400C」預計會在今年年末開始出貨，預計「NXE:3400C」將要「擔任」5nm的量產工作。

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

EUV曝光設備（EUV scanner）的開發藍圖，作者根據ASML公佈的數據匯總的。

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

新一代用於量產的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值孔徑為0.33的光學系統。ASML同時也在致力於開發把數值孔徑提高到0.55的EUV曝光設備。

被ASML稱為「High NA」的、數值孔徑為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。關於「High NA」設備的開發情況，我們後續會繼續報道。

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