Verdict結論
ArF曝光與KrF曝光最大的差異在於「光源波長」。ArF使用氟化氬準分子雷射的193nm,以在投影透鏡與晶圓之間注入純水的浸潤式(ArFi)實現有效NA>1,可支援45nm~20nm節點,搭配多重圖案化可達7nm左右。KrF使用氟化氪的248nm,不支援浸潤式,目前仍用於250nm~130nm的成熟節點與先進元件的非關鍵層。
主要差異
| 比較面向 | ArF曝光(193nm) | KrF曝光(248nm) |
|---|---|---|
| 光源雷射・波長 | 氟化氬(ArF)準分子雷射:193nm | 氟化氪(KrF)準分子雷射:248nm |
| 浸潤式曝光 | ArFi(浸潤式):在投影透鏡與晶圓之間注入純水(n=1.44),實現有效NA>1 | 不支援浸潤式(僅乾式曝光) |
| 解析度(參考) | 乾式:90nm左右,ArFi浸潤式:支援45nm~20nm節點(搭配多重圖案化可達7nm左右) | 主要適用節點為250nm~130nm左右 |
| 適用節點 | 先進邏輯(7nm~)・DRAM・NAND(關鍵層/部分非關鍵層) | 成熟節點(250nm~130nm)・先進元件的非關鍵層 |
| 多重圖案化 | 搭配SADP/SAQP・LELELE等進行微縮。EUV普及後仍大量作為補充使用 | 主要以單次或雙重曝光(LELE)程度使用 |
| 光阻 | 化學放大型ArF光阻(CAR)・與EUV光阻設計不同 | 化學放大型KrF光阻(CAR) |
| 代表設備廠商 | 艾司摩爾(NXT系列:NXT:2100i等)・尼康(NSR系列)・佳能(FPA-8300iZ等) | 艾司摩爾(PAS 5500系列)・尼康・佳能 |
| 設備價格(參考) | ArFi浸潤式機台:數十億日圓~超過100億日圓(依機型與規格差異很大) | 價格相對ArF較低。二手市場也有流通 |
EUV普及後ArF與KrF仍在第一線的原因
EUV集中用於閘極、接觸窗、通孔等關鍵層,但完成1片晶圓需要100道以上的曝光步驟,其中多數由ArF或KrF負責。即使是先進3nm邏輯,EUV使用一般也只占全部曝光步驟的20~30%左右,其餘為ArFi(多重曝光)與KrF。從成本、產能與設備台數的角度來看,ArF與KrF今後仍將是半導體晶圓廠的主力設備。
什麼是ArFi:浸潤式ArF曝光的原理
ArFi(ArF浸潤式)是在投影透鏡與晶圓之間填充折射率n=1.44的純水,實現比空氣中(n=1.0)更高NA的曝光技術。NA由n×sinθ決定,因此在純水中即使透鏡角度相同,解析度也能提升44%。ASML的NXT:2100i NA=1.35,產能超過300WPH。ArFi搭配SADP或SAQP可支援到7nm節點左右,在EUV普及的現在仍是邏輯、DRAM、NAND的主力曝光技術。
常見問題
ArF曝光機與KrF曝光機的差異是什麼?
最大的差異是光源波長。ArF為193nm、KrF為248nm,波長越短解析度越高。ArF搭配浸潤式(ArFi)技術可支援45nm以下的先進節點,KrF則主要用於250~130nm左右的成熟節點。目前先進晶圓廠以ArFi(浸潤式)為主力,KrF用於非關鍵層與成熟產品的量產。
ArF浸潤式(ArFi)是什麼?(ArFi的定義)
ArFi(ArF浸潤式,ArF Immersion)是使用193nm ArF雷射的曝光機,在投影透鏡與晶圓之間填充純水(折射率n=1.44),將數值孔徑(NA)延伸到1以上的技術。在空氣中曝光(乾式ArF)時NA<1是極限,浸潤式則可提升解析度。代表機型為ASML的NXT:2100i,產能超過305WPH。
EUV與ArFi普及後,KrF還在使用嗎?
是的,目前仍有大量機台在運轉。先進晶圓廠製造1片晶圓需要100道以上的曝光步驟,但EUV只用在少數幾個關鍵層。其他多數層(非關鍵的導線層、接觸窗等)都以ArF或KrF曝光。特別是在成熟節點以及類比・功率半導體的製造中,KrF至今仍是主力設備。
ArF曝光機的產能(WPH)大約是多少?
代表性的產能為:ArFi浸潤式(ASML NXT:2100i):最高305 WPH(片/小時),ArF乾式(ASML XT:1900i等):200 WPH左右,KrF(ASML PAS 5500等):依機型而異,約100~200 WPH。相較EUV的NXE:3800E(約220 WPH),ArFi產能高、成本效益優異。
導入EUV後仍需要ArF與KrF的原因是什麼?
EUV設備單價超過170億日圓,產能也低於ArFi,因此將所有步驟都換成EUV在經濟上並不可行。典型的先進邏輯晶圓(3nm節點)中,使用EUV的曝光步驟約占全部的20~30%,其餘為ArFi或KrF。此外,在成熟節點(28nm~130nm等)的量產中,ArF與KrF仍比EUV更具成本效益。
ArF與KrF哪一種設備比較貴?
ArFi浸潤式機台貴上許多。ASML NXT:2100i等最新ArFi設備據稱為數十億~超過100億日圓。KrF設備依機型而異,但價格相對較低,二手市場也有流通。EUV設備(NXE:3600D:約170億日圓)的價格又遠高於ArFi。