挑戰(zhàn) ASML，應用材料公司重新定義了光刻和圖案化市場

ASML 的 EUV 光刻工具真的很貴。每個 EUV 工具的價格現(xiàn)在接近 1.7 億美元，其中的許多用于領先的半導體工廠。未來，每個 High-NA EUV 工具的成本將超過 3.5 億美元。此外，這些晶圓廠還需要許多 DUV 光刻工具。每個人都想要一種更具成本效益的方式來圖案化芯片，因為僅光刻就消耗了 3nm 工藝節(jié)點成本的約 35%。想象一下，如果有辦法打破這種趨勢……

近日，世界第二大半導體設備制造商應用材料公司宣布他們有一個潛在的解決方案。該解決方案就是 Centura Sculpta 工具，這是一種可以執(zhí)行新工藝步驟「圖案塑造」的新工具。根據(jù) Applied Materials（應用材料公司） 的說法，Sculpta 工具可用于將某些層的 EUV 光刻的使用減少一半之多。如果屬實，這將重塑行業(yè)的成本結(jié)構(gòu)。Applied Materials 的說法有很大的不確定空間，所以讓我們來討論一下細節(jié)。

本文將深入探討新的 Centura Sculpta。我們將討論該技術的工作原理、對 EUV 多重圖案化和 High NA EUV 的影響、它的應用領域（前端、觸點、通孔、各種金屬層、劑量減少），以及這些用例如何隨著未來的工藝技術擴展。此外還包含使用 EUV 或混合使用 EUV 和 Scuplta 的實際工藝節(jié)點的成本比較。我們將分享該工具的吞吐量、周期時間、成本、我們的出貨量預估以及來自第一個客戶的收入預估。

如何實現(xiàn) EUV 需求潛在 45 億美元的減少，影響將在哪一年達到這個規(guī)模，以及什么可以使這個數(shù)字上調(diào)/下調(diào)。還有臺積電、三星和英特爾對具有 2nm 級節(jié)點的 Centura Sculpta 的采用和插入點。這將包括特定工藝節(jié)點的詳細信息，包括用于即將使用應用材料公司 Sculpta 的工藝技術的最小間距和 Sculpta 層。本文將討論該決定的利弊。

引入新的圖形成形步驟對其他工藝步驟的影響，包括光刻、光刻膠、涂布機/顯影劑、CVD、PVD、蝕刻、CMP、外延生長、離子注入、計量和檢測。圖案塑形對行業(yè)供應商有許多影響，包括但不限于 ASML、Lam Research、Tokyo Electron、JSR、TOK、Shin-Etsu、Lasertec、KLA、Onto、Nova、Hoya 和 Asahi Glass。

首先，半導體和金融行業(yè)的人們對這個工具有很多不屑一顧的地方。有人爭辯說，這并不是什么新東西，它只是一種非常昂貴的電感耦合等離子體形式，用于進行反應離子蝕刻，這在大批量制造中已經(jīng)存在了數(shù)十年。對此，人們也可能會爭辯說，光刻技術已經(jīng)存在了 150 年，而 EUV 也不是什么新鮮事物。

另一個主要的駁斥理由是它不成熟，而且還很遙遠。那也是錯誤的。雖然 Sculpta 上周才在 SPIE 的光刻和高級圖案會議上正式宣布，但這個新工具已經(jīng)推出很長時間了。至少從 2015 年開始，應用材料公司就一直在發(fā)布關于這種工具類型的公開研究論文。自 2017 年以來，第一個客戶一直在與應用材料公司合作開發(fā)該工具。應用材料公司甚至在去年的 SPIE Advanced Lithography & Patterning 會議上進行了技術演示，并提供了真實的客戶測試數(shù)據(jù)。

應用材料公司的 Centura Sculpta 并不是完全不成熟且遠離生產(chǎn)的瘋狂技術。Sculpta 是真實的，它確實有效，它將在未來幾年內(nèi)產(chǎn)生數(shù)億美元的收入。鑒于它被宣傳為在第一個用例中直接去除 EUV 雙重圖案化，首先讓我們快速回顧一下光刻多重圖案化過程。

光刻多重圖案化工藝

光刻是大批量半導體制造的核心工藝。一旦突破了光刻工具的限制，你仍然可以通過轉(zhuǎn)向各種多重圖案化方案來繼續(xù)縮放單個特征尺寸。下面是「光刻-蝕刻-光刻-蝕刻 (LELE)」的簡化描述，這是最常見的多重圖案化方案之一。為了簡單起見，我們將把其他方案（如 SADP 和 LELB）放入與 LELE 相同的分類中。

LELE 工藝流程經(jīng)過兩次完整的光刻周期，以實現(xiàn)比單個圖案化步驟更緊密的特征尺寸。整個周期可以是幾十個不同的工藝步驟，包括硬掩模的沉積、底層、中間層、SARC、CMP、清潔、剝離、旋涂、烘烤、顯影、曝光、蝕刻以及其間的各種計量/檢查步驟。

關鍵在于，從單一的光刻周期到 LELE 工藝涉及到雙倍的光刻成本以及該工藝中涉及的許多其他工具。

應用材料公司專門將 EUV 多重圖案化減少作為 Sculpta 的第一個用例。他們聲稱他們可以通過單個光刻周期和 Sculpta 實現(xiàn)與 LELE 相同的特征保真度。

我們估計每個晶圓約 25 千瓦時，每個晶圓約 0.5 千克二氧化碳當量排放量以及每個 LE（光刻蝕刻）循環(huán)每個晶圓約 15 升水。在右邊的框中，我們顯示了成本。估計每月每 100,000 個晶圓啟動的資本成本約為 3.5 億美元，每個晶圓制造或每個 EUV 循環(huán)每個晶圓的運營成本約為 70 美元。成本節(jié)省，估計每月每啟動 100,000 個晶圓可節(jié)省約 2.5 億美元的資本成本，每個晶圓可節(jié)省約 50 美元的制造成本。

應用材料公司宣稱的成本、電力、水和二氧化碳節(jié)約量是巨大的。臺積電已將其 7 納米和 5 納米節(jié)點的產(chǎn)能提高到（大約）每月 200,000 片晶圓。這將為他們節(jié)省 5 億美元的資本支出和超過 1 億美元的年度運營費用。我們的數(shù)字不同，稍后我們會分享。

臺積電 5nm 具有 EUV 多重圖案化步驟。臺積電 3nm 包含多個 EUV 多重圖案化步驟。該技術的目標是插入「2nm」級節(jié)點，該節(jié)點可能包含 10 多個 EUV 多重圖案化步驟，而無需應用材料公司 Sculpta 圖案整形。如果假設 Sculpta 可以在任何地方使用，那么使用 Sculpta 每年可以節(jié)省數(shù)十億美元。

該分析過于簡單化，不能在任何地方使用模式塑造。我們將分享它的使用地點和方式，但首先讓我們來談談什么是 Sculpta 和模式塑形。

什么是 Centura Sculpta 和 Pattern Shaping？

Centura Sculpta 的核心是能夠執(zhí)行一種稱為模式塑造的新型步驟。圖案整形是以一定角度向晶圓射出帶狀等離子束。與晶圓相比，角度可以控制在 0 到 70 度之間。零角與晶圓的角度成 90 度。

等離子束以一維方式行進，以保持晶圓上的處理均勻。目的是在 1 個方向上單向延伸特征。通過旋轉(zhuǎn)晶圓并再次使光束穿過晶圓，可以在任何方向上執(zhí)行圖案整形。

圖案整形不能影響需要保持不變的硅特征的關鍵尺寸，這一點至關重要。這意味著僅更改一個軸上的特征是至關重要的。應用材料公司表示，對于另一個方向上每 1 個長度單位，他們可以將單個尺寸改變 20 個長度單位。

這在方向上是高度選擇性的。晶圓廠還可以通過增加或減少帶狀光束轟擊所花費的時間來控制圖案被拉長的程度。蝕刻時間是晶圓廠可以利用的一個重要杠桿。

保持形狀統(tǒng)一的另一個考慮因素是確保針對晶圓上的各種不同結(jié)構(gòu)優(yōu)化光束角。

如果光束角度未正確對齊，則可能會在不同尺寸的結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生陰影。

如果平坦化層和硬掩模具有不同的蝕刻選擇性，則等離子束將導致側(cè)壁不均勻平直。

必須優(yōu)化特征的側(cè)壁輪廓，否則會出現(xiàn)性能、功率或良率問題。

等離子束的角度對于晶圓廠進行優(yōu)化以確保各種尺寸的特征具有均勻一致的伸長量非常重要。使用較高的角度與較低的角度將兼顧蝕刻所需的時間、頂層的侵蝕率和底層的侵蝕率等因素，以保持關鍵尺寸的完整性。每個應用程序?qū)⒂胁煌墓馐嵌群蜁r間。應用材料公司研究了多種不同的化學物質(zhì)，因此光束可用于各種硬掩模、底層和中間層。

圖案成形發(fā)生在光刻膠和抗反射涂層的顯影、清潔和蝕刻之后。

一旦發(fā)生圖案成形，就可以進行圖案轉(zhuǎn)移蝕刻。即使你有多個掩模和圖案化階段，這也允許使用圖案整形。圖案整形可以與多重圖案組合。

模式塑造不僅僅需要朝著現(xiàn)有特征的方向發(fā)展。它也可以在任何任意角度進行。對我們來說，這似乎更多地展示了 Applied 與 Sculpta 的對齊和過程控制，而不是非對稱整形的實際用例。

現(xiàn)在我們已經(jīng)介紹了什么是模式塑造，是時候介紹模式塑造的實際用例了。

用例

Scuplta 工具有 3 個主要用例：緊密的孔和槽圖案、更窄的尖端到尖端圖案以及消除隨機橋接。

第一個應用是使用傳統(tǒng)的光刻 (LE) 方法獲得具有緊密角對角尺寸的孔和槽圖案，這需要多重圖案化。借助圖案整形，你的優(yōu)勢在于只需使用一個 LE 步驟即可從一個角落到另一個角落。緊密的角對角很重要，因為它可以讓你將更多功能放入同一區(qū)域。在這種使用過孔的情況下，由于有更多的過孔區(qū)域，因此可以提高性能和功率特性。

在上圖中，你可以在左側(cè)看到如何使用傳統(tǒng)的自對準 LELE 技術實現(xiàn)緊密的角對角。你需要 2 個不同的掩模來實現(xiàn)過孔的緊角對角，但是通過圖案整形，你可以使用一個掩模來創(chuàng)建所有沒有緊角到角的過孔，然后對過孔進行整形。

第二個應用是生產(chǎn)具有更緊密的尖端到尖端圖案的溝槽。這與第一個應用程序非常相似，但具有不同的功能類型。在此應用中，圖形整形用于在不使用第二個掩模的情況下使兩組線盡可能靠近。

左邊是傳統(tǒng)的 LELE 技術。第一個蒙版創(chuàng)建線條，然后第二個蒙版在兩者之間創(chuàng)建一個拆分，以獲得盡可能緊密的尖端間距。通過圖案塑造，你可以使用一個面具創(chuàng)建兩組線條，中間有一條松散的溝槽。然后 Sculpta 可以去除盡可能多的材料，使溝槽盡可能薄。

第三個應用是減少隨機橋接缺陷。隨機橋接缺陷位于一條線上，其中蝕刻無法去除它應該具有的所有材料。一般來說，這是因為光刻膠層也沒有正確曝光。