关于EUV光刻技术的分析和应用
用于高端逻辑半导体量产的euv（extreme ultra-violet，极紫外线光刻）曝光技术的未来蓝图逐渐“步入”我们的视野，从7nm阶段的技术节点到今年（2019年，也是从今年开始），每2年~3年一个阶段向新的技术节点发展。
高端逻辑半导体的技术节点和对应的euv曝光技术的蓝图。
也就是说，在euv曝光技术的开发比较顺利的情况下，5nm的量产日程时间会大约在2021年，3nm的量产时间大约在2023年。关于更先进的2nm的技术节点，还处于模糊阶段，据预测，其量产时间最快也是在2026年。
决定解像度（half pitch）
的是波长和数值孔径、工程系数
技术节点的发展推动着半导体曝光技术解像度（half pitch）的发展，arf液浸曝光技术和euv曝光技术等的解像度（r）和曝光波长（λ）成正比，和光学的数值孔径（na，numerical aperture）成反比，也就是说，如果要增大解像度，需要在缩短波长的同时，扩大数值孔径。
实际上，解像度和被称为“工程系数（k1）”的定数也成一定的比例关系。如果降低工程系数，解像度就会上升。但是，工程系数如果降低到最小极限值(0.25)，就无法再降低了。
arf液浸曝光技术、euv曝光技术中的解像度（half pitch）（r）和波长、数值孔径（na）、工程系数（k1）的关系。
在arf液浸曝光技术、euv曝光技术中，光源的波长是固定的，无法改变。顺便说一下，arf液浸曝光的波长是193nm，euv曝光的波长是13.5nm。两者有超过10倍的差距，单纯计算的话，euv曝光绝对是占优势。
对arf液浸曝光技术以前的光制版（lithography）技术来说，提高数值孔径是提高解像度的有效手段。具体来说，就是通过改良作为曝光设备的stepper和scanner，来提高数值孔径。
与之相反，运用euv曝光技术的话，不怎么需要改变数值孔径，euv曝光技术利用x线的反射光学系统，光学系统拥有非常复杂的构造，同时光学系统的变化也会伴随着巨额的开发投资。所以，过去一直以来euv曝光设备方面从没有更改过数值孔径。最初的euv scanner的数值孔径是0.25，现行设备的数值孔径是0.33，不管怎么说，和arf dry曝光技术的最高值（0.93）相比，都是很低的。
正如在本栏目中去年（2018年）12月报道的一样（使用euv曝光的高端逻辑半导体和高端dram的量产终于开始了！），用于量产7nm的最尖端逻辑半导体的euv scanner--“nxe:3400b”内置的数值孔径是0.33。
而且，今后数年内，都会在使用数值孔径为0.33的euv scanner的同时，提高解像度。换句话说，也就是通过使用同样数值孔径的曝光设备来使解像度（half pitch）更细微化。
通过阶段性地降低工程系数来提高解像度
所以，很多用来提高细微化的办法都被限制了，因为波长和数值孔径是固定的，剩下的就是工程系数。光学方面，通过降低工程系数，可以提高解像度。和arf液浸曝光技术一样，通过和multi-patterning 技术组合起来，就可以达到实质上降低工程系数的效果。而且，机械方面，有必要降低曝光设备的重合误差。
提高euv曝光技术的解像度的方法（2019年以后）
据euv曝光设备厂商asml说，他们把未来euv曝光技术方面的细微化工作分为“四代”。现行技术水平是第一代，同时也是7nm逻辑半导体的量产是用的技术。工程系数是0.45左右。
第二代是把工程系数降低到0.40以下，通过改良曝光技术的硬件（光学方面）和软件（阻焊层，resist）得以实现。其技术核心也不过是改良现行技术。
第三代是把工程系数降低到0.30以下，要得以实现，只改良现行技术比较困难，需要导入像multi-pattering、新型mask材料、新型resist材料等这些基本要素。
第四代，由于工程系数无法再降低，所以开发新的光学系统，它可以数值孔径提高到0.55。
euv曝光设备厂家asml公布的euv曝光技术的发展。
asml公布的技术发展资料里面没有提到工程系数的具体数值，不过我们把工程系数的假设值放进去计算了一下，看看解像度可以提到何种程度，现行（第一代）的工程系数是0.46，其对应的解像度（half pitch）是19nm。
假设第二代的工程系数为0.39，对应的解像度为16nm，如果是最先进的逻辑半导体的技术节点的话，可以适用于7nm~5nm的量产品。
假设第三代的工程系数是0.29，对应的解像度是12nm，如果是最先进的逻辑半导体的技术节点的话，可以适用于5nm~3nm的量产品。
由于第四代大幅度更改了数值孔径，工程系数假设为0.46，和第一代相同。假设数值孔径为0.55，工程系数即使增加为0.46，相对应的解像度也和第三代基本相同，为11.3nm，可以适用于5nm~3nm的量产品。
euv曝光技术发展和解像度的发展。以euv曝光机厂商asml发布的数据为基础作者推测的数字。
把multi-patterning（多重曝光）
导入到euv曝光技术里
不需要改良光学系统和阻焊层（resist）等曝光技术，把工程系数k1实质性地降低的办法----multi-patterning（多重曝光）技术。正在讨论把arf液浸曝光方面广泛普及的多重曝光技术应用到euv曝光技术里。
比方说，两次曝光就是导入lele技术，即重复两次lithography（l）和etching（e），如果把lele技术导入到工程系数为0.46的euv曝光技术（数值孔径为0.33）上，解像度会变为16nm，这和把单次曝光时的工程系数降到0.39得到的效果一样。
三次曝光，即导入lelele技术，重复三次lithography（l）和etching（e），再次降低解像度，为12nm，这和把单次曝光时的工程系数降低到0.29得到的效果一样。
但是，利用多重曝光技术的话，“吞吐量（through-put）”会大幅度降低，单次曝光（se技术）的晶圆处理数量约为130片/小时，两次曝光（lele）曝光的话，下降为70片/小时，三次曝光（lelele）曝光的“吞吐量”下降为单次的1/3，为40片/小时。
联合运用euv曝光和多重曝光的解像度和“吐出量”的变化（k1是0.46），作者根据asml公布的数据总结的数字。
总结一下，新型的5nm技术有两个方向，第一、维持着单次曝光技术的同时，把工程系数下降到0.39；第二、通过利用两次曝光（lele技术）技术，实质性地降低工程系数。两个的解像度都是16nm，预计量产开始时间为2021年。如果采用两次曝光技术，预计量产时间可以提前到2020年。
第三代的3nm技术的节点稍微有点复杂，有三个方向：第一、把单次曝光的工程系数维持为0.29；第二、联合两次曝光（lele技术）和把工程系数改为0.39的曝光技术；第三、利用三次曝光（lelele）技术。三个方向的解像度都是12nm，预计量产时间为2023年。但是，如果采用三次曝光的话，量产时间有可能再提前。
关于第四代2nm技术节点，如果用数值孔径为0.33的euv曝光技术估计很难实现。应该是期待把数值孔径提高到0.55的euv曝光技术。
euv曝光设备的组合运用，
继续改良精度和生产性能
euv曝光技术的开发方面最重要的是euv曝光设备（euv scanner）的改良。euv曝光设备厂商asml已经公布了继用于现行量产品7nm的euv scanner--“nxe:3400b”之后的开发蓝图。
据asml的技术蓝图预测，以“nxe:3400b”为基础，首次开发降低重合误差的版本，后面是以“降低重合误差版本”为基础，开发提高“吐出量”（生产性能）的版本。预计在今年（2019年）的上半年，完成这些改良。
基于以上改良成果的新产品“nxe:3400c”预计会在今年年末开始出货，预计“nxe:3400c”将要“担任”5nm的量产工作。
而且，降低重合误差的同时，还要开发提高产能的新版本，asml还没有公布新版本的型号，出货时间预计在2021年的下半年，新版本应该会承担3nm的量产工作吧。
euv曝光设备（euv scanner）的开发蓝图，作者根据asml公布的数据汇总的。
euv曝光设备的开发蓝图，摘自2018年12月asml在国际学会iedm上发布的论文。
新一代用于量产的euv曝光设备（euv scanner）“nxe:3400c”的概要，出自asml在2018年12月国际学会iedm的演讲资料。
这些曝光设备基本都是搭载了数值孔径为0.33的光学系统。asml同时也在致力于开发把数值孔径提高到0.55的euv曝光设备。
被asml称为“high na”的、数值孔径为0.55的euv scanner的出货时间预计在2023年的下半年，首批试验设备预计在2021年年底做成。
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也就是说，在euv曝光技术的开发比较顺利的情况下，5nm的量产日程时间会大约在2021年，3nm的量产时间大约在2023年。关于更先进的2nm的技术节点，还处于模糊阶段，据预测，其量产时间最快也是在2026年。
决定解像度（half pitch）
的是波长和数值孔径、工程系数
技术节点的发展推动着半导体曝光技术解像度（half pitch）的发展，arf液浸曝光技术和euv曝光技术等的解像度（r）和曝光波长（λ）成正比，和光学的数值孔径（na，numerical aperture）成反比，也就是说，如果要增大解像度，需要在缩短波长的同时，扩大数值孔径。
实际上，解像度和被称为“工程系数（k1）”的定数也成一定的比例关系。如果降低工程系数，解像度就会上升。但是，工程系数如果降低到最小极限值(0.25)，就无法再降低了。
arf液浸曝光技术、euv曝光技术中的解像度（half pitch）（r）和波长、数值孔径（na）、工程系数（k1）的关系。
在arf液浸曝光技术、euv曝光技术中，光源的波长是固定的，无法改变。顺便说一下，arf液浸曝光的波长是193nm，euv曝光的波长是13.5nm。两者有超过10倍的差距，单纯计算的话，euv曝光绝对是占优势。
对arf液浸曝光技术以前的光制版（lithography）技术来说，提高数值孔径是提高解像度的有效手段。具体来说，就是通过改良作为曝光设备的stepper和scanner，来提高数值孔径。
与之相反，运用euv曝光技术的话，不怎么需要改变数值孔径，euv曝光技术利用x线的反射光学系统，光学系统拥有非常复杂的构造，同时光学系统的变化也会伴随着巨额的开发投资。所以，过去一直以来euv曝光设备方面从没有更改过数值孔径。最初的euv scanner的数值孔径是0.25，现行设备的数值孔径是0.33，不管怎么说，和arf dry曝光技术的最高值（0.93）相比，都是很低的。
正如在本栏目中去年（2018年）12月报道的一样（使用euv曝光的高端逻辑半导体和高端dram的量产终于开始了！），用于量产7nm的最尖端逻辑半导体的euv scanner--“nxe:3400b”内置的数值孔径是0.33。
而且，今后数年内，都会在使用数值孔径为0.33的euv scanner的同时，提高解像度。换句话说，也就是通过使用同样数值孔径的曝光设备来使解像度（half pitch）更细微化。
通过阶段性地降低工程系数来提高解像度
所以，很多用来提高细微化的办法都被限制了，因为波长和数值孔径是固定的，剩下的就是工程系数。光学方面，通过降低工程系数，可以提高解像度。和arf液浸曝光技术一样，通过和multi-patterning 技术组合起来，就可以达到实质上降低工程系数的效果。而且，机械方面，有必要降低曝光设备的重合误差。
提高euv曝光技术的解像度的方法（2019年以后）
据euv曝光设备厂商asml说，他们把未来euv曝光技术方面的细微化工作分为“四代”。现行技术水平是第一代，同时也是7nm逻辑半导体的量产是用的技术。工程系数是0.45左右。
第二代是把工程系数降低到0.40以下，通过改良曝光技术的硬件（光学方面）和软件（阻焊层，resist）得以实现。其技术核心也不过是改良现行技术。
第三代是把工程系数降低到0.30以下，要得以实现，只改良现行技术比较困难，需要导入像multi-pattering、新型mask材料、新型resist材料等这些基本要素。
第四代，由于工程系数无法再降低，所以开发新的光学系统，它可以数值孔径提高到0.55。
euv曝光设备厂家asml公布的euv曝光技术的发展。
asml公布的技术发展资料里面没有提到工程系数的具体数值，不过我们把工程系数的假设值放进去计算了一下，看看解像度可以提到何种程度，现行（第一代）的工程系数是0.46，其对应的解像度（half pitch）是19nm。
假设第二代的工程系数为0.39，对应的解像度为16nm，如果是最先进的逻辑半导体的技术节点的话，可以适用于7nm~5nm的量产品。
假设第三代的工程系数是0.29，对应的解像度是12nm，如果是最先进的逻辑半导体的技术节点的话，可以适用于5nm~3nm的量产品。
由于第四代大幅度更改了数值孔径，工程系数假设为0.46，和第一代相同。假设数值孔径为0.55，工程系数即使增加为0.46，相对应的解像度也和第三代基本相同，为11.3nm，可以适用于5nm~3nm的量产品。
euv曝光技术发展和解像度的发展。以euv曝光机厂商asml发布的数据为基础作者推测的数字。
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导入到euv曝光技术里
不需要改良光学系统和阻焊层（resist）等曝光技术，把工程系数k1实质性地降低的办法----multi-patterning（多重曝光）技术。正在讨论把arf液浸曝光方面广泛普及的多重曝光技术应用到euv曝光技术里。
比方说，两次曝光就是导入lele技术，即重复两次lithography（l）和etching（e），如果把lele技术导入到工程系数为0.46的euv曝光技术（数值孔径为0.33）上，解像度会变为16nm，这和把单次曝光时的工程系数降到0.39得到的效果一样。
三次曝光，即导入lelele技术，重复三次lithography（l）和etching（e），再次降低解像度，为12nm，这和把单次曝光时的工程系数降低到0.29得到的效果一样。
但是，利用多重曝光技术的话，“吞吐量（through-put）”会大幅度降低，单次曝光（se技术）的晶圆处理数量约为130片/小时，两次曝光（lele）曝光的话，下降为70片/小时，三次曝光（lelele）曝光的“吞吐量”下降为单次的1/3，为40片/小时。
联合运用euv曝光和多重曝光的解像度和“吐出量”的变化（k1是0.46），作者根据asml公布的数据总结的数字。
总结一下，新型的5nm技术有两个方向，第一、维持着单次曝光技术的同时，把工程系数下降到0.39；第二、通过利用两次曝光（lele技术）技术，实质性地降低工程系数。两个的解像度都是16nm，预计量产开始时间为2021年。如果采用两次曝光技术，预计量产时间可以提前到2020年。
第三代的3nm技术的节点稍微有点复杂，有三个方向：第一、把单次曝光的工程系数维持为0.29；第二、联合两次曝光（lele技术）和把工程系数改为0.39的曝光技术；第三、利用三次曝光（lelele）技术。三个方向的解像度都是12nm，预计量产时间为2023年。但是，如果采用三次曝光的话，量产时间有可能再提前。
关于第四代2nm技术节点，如果用数值孔径为0.33的euv曝光技术估计很难实现。应该是期待把数值孔径提高到0.55的euv曝光技术。
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据asml的技术蓝图预测，以“nxe:3400b”为基础，首次开发降低重合误差的版本，后面是以“降低重合误差版本”为基础，开发提高“吐出量”（生产性能）的版本。预计在今年（2019年）的上半年，完成这些改良。
基于以上改良成果的新产品“nxe:3400c”预计会在今年年末开始出货，预计“nxe:3400c”将要“担任”5nm的量产工作。
而且，降低重合误差的同时，还要开发提高产能的新版本，asml还没有公布新版本的型号，出货时间预计在2021年的下半年，新版本应该会承担3nm的量产工作吧。
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新一代用于量产的euv曝光设备（euv scanner）“nxe:3400c”的概要，出自asml在2018年12月国际学会iedm的演讲资料。
这些曝光设备基本都是搭载了数值孔径为0.33的光学系统。asml同时也在致力于开发把数值孔径提高到0.55的euv曝光设备。
被asml称为“high na”的、数值孔径为0.55的euv scanner的出货时间预计在2023年的下半年，首批试验设备预计在2021年年底做成。
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