EUV光刻，英特爾公布新進展，另一秘密武器曝光
這兩天，圍繞着光刻機有很多新聞。
一則是ASML表示，又賣出了一台下一代的High NA EUV光刻機，這個數值孔徑為0.55的新裝置被認為是生産1nm以下晶片的必備裝置；另一個新聞是ASML在官方x表示，公司的下一代EUV光刻機已經創造了一個裡程碑。
如圖所示，ASML表示：“我們在Veldhoven的高數值孔徑EUV系統列印了有史以來第一個10納米密集線。成像是在光學器件、傳感器和載物台完成粗略校準後完成的。接下來：使系統達到最佳性能。并在該領域取得相同的結果。”
作為人類晶片制造的明珠，EUV光刻機近年來成為了全球的風口浪尖。日前彭博社甚至還在一篇文章中表示，美國之是以在晶片制造中甚至EUV中落後，與英特爾早些年錯判EUV光刻機的作用有關，具體可參考半導體行業之前的文章《美國是如何失去EUV光刻機的》。
但現在，英特爾似乎已經醒悟過來，他們不但買下了第一台High NA EUV光刻機，還多買了一台更新的高數值孔徑裝置。英特爾在官方新聞中直言，公司計劃購買下一代 TWINSCAN EXE:5200B 系統，該系統的生産率超過每小時 200 片晶圓，使該公司也成為該系統的行業先行者。
由此可見，他們似乎正在通過押注下一代光刻機，重返晶片制造龍頭。但根據semianalysis的報道，在重返巅峰的路上，英特爾還有另個秘密武器。
下一代光刻機，裡程碑
英特爾代工廠今天發表聲明表示，公司先進半導體制造領域的一個重要裡程碑，完成了業界首個商用高數值孔徑（高數值孔徑）極紫外（EUV）光刻掃描器的組裝，該掃描器位于該公司俄勒岡州希爾斯伯勒的研發基地。
按照英特爾所說，這個名為TWINSCAN EXE:5000 系統裝在 43 個貨運集裝箱内的 250 多個闆條箱中運輸到俄勒岡州。這些貨物被裝載到降落在西雅圖的多架貨機上。然後，他們被轉移到 20 輛卡車上，開往俄勒岡州。每個新系統的總重量超過 150 噸。
據介紹，高數值孔徑 EUV 光刻是超越 EUV 光刻的進化步驟，EUV 光刻使用地球上不自然存在的光波長 (13.5 nm)。這種光是由強大的雷射撞擊加熱到近 22 萬攝氏度的錫滴而産生的——幾乎比太陽平均表面溫度高 40 倍。這種光從包含所需電路圖案模闆的掩模上反射，然後通過由有史以來最精确的鏡子建構的光學系統。
數值孔徑 (NA) 是收集和聚焦光線能力的衡量标準。通過改變用于将圖案投影到晶圓上的光學器件的設計，高數值孔徑 EUV 技術在分辨率和半導體尺寸方面取得了重大進步。制造這些更小尺寸半導體的能力還需要新的半導體結構以及英特爾正在開發的與第一個高數值孔徑 EUV 系統內建并行的其他工藝步驟的改進。
英特爾方面表示，來自光刻上司者 ASML 的英特爾 TWINSCAN EXE:5000 High NA EUV 工具目前正在進行校準步驟，為英特爾未來工藝路線圖的生産做準備。該新工具能夠通過改變将列印圖像投影到矽晶圓上的光學設計，顯著提高下一代處理器的分辨率和功能擴充。
英特爾院士兼英特爾代工邏輯技術開發光刻、硬體和解決方案總監Mark Phillips表示：
“随着高數值孔徑 EUV 的加入，英特爾将擁有業界最全面的光刻工具箱，使該公司能夠在本十年後半段推動超越英特爾 18A 的未來工藝能力。”
英特爾表示，高數值孔徑 EUV 工具将在先進晶片開發和下一代處理器的生産中發揮關鍵作用。英特爾代工廠是業界高數值孔徑 EUV 的先行者，将能夠在晶片制造方面提供前所未有的精度和可擴充性，使該公司能夠開發具有最具創新性的特性和功能的晶片，這對于推動人工智能的進步至關重要和其他新興技術。
如文章開頭所說，ASML 最近宣布，它已在位于荷蘭 Veldhoven 的公司總部的高數值孔徑實驗室列印出首條 10 納米 (nm) 密集線。這些是有史以來印刷的最精細的線條，為 EUV 光刻掃描器創造了世界紀錄的分辨率。該示範驗證了 ASML 合作夥伴蔡司的創新高數值孔徑 EUV 光學設計。
該工具的光學器件、傳感器和平台完成粗略校準後，列印了突破性的圖像——這是以完整規格運作的墊腳石。如英特爾所說，ASML 能夠利用全場光學光刻系統列印 10 納米密集線，這是準備高數值孔徑 EUV 工具投入商業使用的關鍵一步。
英特爾表示，在與英特爾代工廠的其他領先工藝技術功能相結合時，高數值孔徑 EUV 預計能夠列印比現有 EUV 工具小 1.7 倍的特征。這将實作 2D 特征縮放，進而使密度提高 2.9 倍。英特爾繼續引領更小、更密集圖案的發展方向，推動整個半導體行業的摩爾定律。
“與 0.33NA EUV 相比，High NA EUV（或 0.55NA EUV）可以為類似特征提供更高的成像對比度，進而減少每次曝光的光量，進而減少列印每層所需的時間并增加晶圓産量。”英特爾重申
英特爾預計将使用 0.33NA EUV 和 0.55NA EUV 以及其他光刻工藝來開發和制造先進晶片，從 2025 年英特爾 18A 的産品驗證點開始，并繼續生産英特爾 14A。英特爾的方法将優化先進工藝技術的成本和性能。
已為Intel 14A的量産做好準備
正如上面的描述所說，安裝工具是一回事，但從安裝的機器到實際制造晶片還有很多步驟。
ASML機器有許多可以單獨測試和更新的元件。英特爾表示，它已經與 ASML 在該工具上合作多年，是以對 14A 生産計劃充滿信心。
高數值孔徑 EUV 的目标是 2025 年和intel 14A。英特爾表示，他們預計高數值孔徑 EUV 将在業界的多個工藝節點中得到應用。
這是蔡司和 ASML 提供的英特爾代工廠 1985 年至 2025 年光刻技術的視圖。
當然，EUV 商業化也正在深入研究。
英特爾在 10 納米工藝中采用了 DUV 而不是 EUV，這在業界是衆所周知的，也是英特爾 10 納米工藝被大規模推遲的原因。這也是 Arm 處理器、AMD CPU 等能夠通過使用台積電超越 Intel Xeon 的主要原因。
在災難性的 10 納米過渡之前，由于架構的原因，替代品可能會好幾個百分點，但英特爾将擁有工藝領先地位，并且仍然在實際晶片中獲勝。英特爾代工廠與晶圓廠洽談的原因之一是確定英特爾産品能夠按時傳遞，同時也是向外部客戶傳達的資訊。
錯過關鍵的技術轉變可能會讓您的産品處于劣勢。這是英特爾尋求在 2024 年晚些時候重新奪回上司地位時發出的最新消息。
英特爾代工廠還擁有許多支援技術，這些技術随着高數值孔徑 EUV 的開發而不斷進步。
重要的是，當今的晶片非常複雜，ASML 的高 NA EUV 機器旨在具有更高的晶圓吞吐量，但也更昂貴。是以，高數值孔徑 EUV 将用于晶片的許多關鍵層，而不是整個晶片制造過程。
英特爾代工廠的下一步是進行基本曝光的第一道光。英特爾預計新工具将在 2024 年晚些時候啟動并運作。它将在俄勒岡州進行 14A 的技術開發，然後有望在 2025 年開始生産。
台積電多年來一直享有技術領先地位。英特爾代工廠的競争很重要，因為最終這意味着該行業可以生産更便宜的晶片。
按照semianalysis所說，14A 将成為英特爾代工廠的成敗節點。
赢得客戶始于工藝技術，英特爾在這方面下了很大的賭注，但他們需要一代讓所有人都能感到舒适的技術。客戶将使用 18A 來涉足英特爾領域，使用不那麼關鍵的晶片，這些晶片不是其業務的核心；如果一切順利，他們将把 14A 作為其關鍵設計的主要工藝——想想 2027 年最大、最昂貴的晶片，如人工智能加速器、CPUS，甚至可能是移動晶片。
英特爾需要赢得他們的業務才能使其 IDM 2.0 代工戰略發揮作用，否則他們将沒有足夠的規模和數量來競争，因為他們的内部産品業務将在未來幾年繼續失去市場佔有率。如果沒有多個大型、領先的客戶，就不可能營運一家領先的代工廠。
英特爾将在幾年内率先在大批量生産中采用 ASML 的高數值孔徑 EUV 光刻掃描器。台積電和三星都隻訂購了研發工具。英特爾也許是在試圖糾正在低NA遊戲中遲到的問題，但它一直是High NA中最響亮、最強的冠軍。随着第一個客戶擁有的示例現已安裝在其希爾斯伯勒工廠，英特爾将在高數值孔徑掃描器的研發和實際經驗方面占據領先地位。
但semianalysis認為，高數值孔徑光刻機存在一個經濟問題。他們的模型表明，高 NA 單次曝光比低 NA 雙圖案曝光更昂貴。在他們看來，其他制造商也表達了類似的觀點。
他們引述台積電魏哲家的話說道：“技術本身沒有任何價值。隻有能夠為您的客戶服務的東西。是以，我們始終與客戶合作，以合理的成本為他們提供最好的半導體技術和最佳能效技術。更重要的是，在大批量生産中，技術成熟度非常重要。是以，每當我們知道有一些新結構、新工具（例如高NA EUV）出現時，我們都會仔細觀察，看看工具的成熟度，看看工具的成本，看看時間表其中——如何實作它。我們總是在正确的時刻做出正确的決定來服務我們的客戶。”
那麼，如果高數值孔徑更貴，為什麼英特爾代工廠要把自己的未來押在高數值孔徑上呢？在 SPIE 光刻和進階圖案化展會上，以及最近英特爾釋出的新公告中，我們終于聽到了答案：定向自組裝 (DSA：directed-self assembly ) ，這是英特爾大幅降低光刻成本的靈丹妙藥。
英特爾的另一個秘密武器：DSA
下面我們将讨論 DSA 是什麼、它如何可能使High NA 變得經濟。
正如我們所說，導緻高數值孔徑高成本的主要挑戰是臨界尺寸 (CD) 與劑量曲線（dose curve）及其對吞吐量和每片晶圓成本的影響。臨界尺寸是光刻掃描器可以成像的最小線或空間的寬度。要在較低 CD 下獲得良好的圖像品質，需要指數級更高的劑量。
由于光源功率有限，提供更高的劑量意味着掃描器必須運作得更慢，等待足夠的光子到達每個曝光場。運作緩慢意味着掃描器生産的晶圓更少，當使用每天貶值超過 150,000 美元的工具時，這意味着成本大幅增加。（參考文章：《ASML的困境，High NA太難了》）
較低的曝光劑量使掃描器能夠以或接近其最大、階段限制的吞吐量運作。雖然通常圖像品質會差得令人無法接受，但通過定向自組裝可以糾正它。定向自組裝 (DSA) 是一種納米圖案化技術，利用嵌段共聚物的自組織特性，由預圖案化模闆引導。簡而言之，它可以修複特征，大大減少所需的劑量，并實際上提高最終圖案的品質。
DSA 的機制就如其名稱所示：一種“自組裝”的化學物質，并在其“定向”的位置進行組裝。
盡管“自組裝”背後有複雜的化學原理，但它是一個直覺的概念——當能量添加到系統中時，随機排列的元件會組織成有用的結構。想象一下（這有點雙曲線）當你在烤箱中烘烤時，樂高積木會自行組裝。
從化學角度來說，這種行為是通過嵌段共聚物（BCP）實作的。兩種長度隻有幾十納米的聚合物通過共價鍵連接配接形成 BCP。目前使用的最先進的聚合物是聚苯乙烯嵌段聚甲基丙烯酸甲酯，縮寫為PS- b -PMMA。
PS 和 PMMA 這兩種聚合物不能很好地混合。就像油和水一樣，PS 是非極性分子，而 PMMA 是極性分子 - 它們自然會分層，因為這是能量最低的排列。PS- b -PMMA，自然要排列成規則、有序的層狀圖案。以熱的形式添加能量可以使分子更快地找到這種平衡排列。
實際上，這意味着用 PS- b -PMMA 塗覆晶圓并烘烤不到一個小時，就會産生 PS 和 PMMA 交替線的規則圖案，每條線寬約 20 納米。如果這聽起來像是生産超細金屬線以将數十億個半導體連接配接在一起（前沿邏輯中的 M0 層）的良好起點……那麼您是對的。
但這種自組裝方法本身是毫無用處的，因為線路的放置和方向或多或少是随機的。它需要被引導，這就是光刻的用武之地。
EUV 曝光用于産生引導圖案：這定義了自組裝的方向和位置。該工藝與普通 EUV 光刻流程非常相似，不同之處在于圖案從光刻膠轉移到為 DSA 定制的特殊底層。該底層僅對一種嵌段共聚物具有化學親和力。有了這種帶圖案的底層，在烘烤過程中，共聚物不僅會相對于彼此對齊，而且還會相對于底層對齊，是以線路的位置恰好位于所需的位置。
這些線的臨界尺寸由每個聚合物鍊的長度定義。這意味着 BCP 可以定制，列印與可生産的聚合物鍊一樣小（或大）的特征。EMD 是該應用中 DSA 化學品的領先制造商，它展示了 9 納米 CD，并且有可能變得更小。這足以與高數值孔徑 EUV 相得益彰。
這是 EUV 生産的引導圖案的關鍵細節：它可以用低得多的劑量來生産。無論引導圖案的 LER 是多少，DSA 分子都會自組裝成具有非常低的線邊緣粗糙度 (LER) 的線。它們将與引導圖案的平均值對齊。隻要引導圖案放置準确（這是可以的，EUV 疊加非常好），EUV 曝光的 LER 可能很差 - DSA 可以修複它。放寬 EUV 曝光的圖像品質要求意味着劑量可以減少 50% 或更多。
我們使用劑量減少 50% 的數字作為基于現有重複工作的合理假設。英特爾的早期研發工作使用了一種“新型底層”，可以直接通過 EUV 曝光進行圖案化，而不是通過光刻膠的圖案轉移，表明 25 mJ/cm 2的劑量是可行的 – 減少了 3-4 倍。如果這是可以投入生産的，那麼節省的成本甚至比我們在下面保守地模組化的要高得多。
圖案化難題的最後一部分是幹法蝕刻：可以選擇性蝕刻 PS- b -PMMA，進而僅去除極性分子 (PMMA)。PS 成為線條，PMMA 留下空間 - 它最終的作用或多或少與顯影後的光刻膠相同，是以可以使用典型的後顯影內建流程（圖案轉移到硬掩模、SOC、基闆等）。
最終，實驗結果不言而喻。當使用 DSA 校正圖案時，英特爾展示了自對準 EUV 光刻-光刻-蝕刻方案的出色良率結果：
到目前為止，這對于 DSA 來說是一個近乎完美的故事。
鑒于上述産品，每個晶片制造商都會将其用于每個 EUV 層。但目前情況并非如此。它已經被困在研究中十多年了，為什麼？大家可以分享一下嗎！
https://www.intel.com/content/www/us/en/newsroom/resources/intel-high-na-euv.html#gs.860xqa