EUV光刻機何以造出5nm芯片？

作為近乎壟斷的光刻機巨頭，ASML的EUV光刻機已經在全球頂尖的晶圓廠中獲得了使用。無論是英特爾、臺積電還是三星，EUV光刻機的購置已經是生產支出中很大的一筆，也成了7nm之下不可或缺的制造設備，我國因為貿易條約被遲遲卡住不放行的也是一臺EUV光刻機。

但EUV光刻機的面世靠的不僅僅是ASML一家的努力，還有蔡司和TRUMPF（通快）兩家歐洲光學巨頭的合作才得以成功。他們的技術分別為EUV光刻機的鏡頭和光源做出了不小的貢獻，也讓歐洲成了唯一能夠造出此類精密半導體設備的地區(qū)。

為什么選擇極紫光

光刻機的分辨率是光刻機能夠清晰投影最小圖像的能力，這一關鍵指標決定了這臺光刻機可以用于何種工藝節(jié)點。R=k1*λ/NA代表了與其相關的多個參數(shù)，其中R為分辨率，k1為光刻工藝系數(shù)，λ為波長，NA為數(shù)值孔徑。

很明顯，要想壓縮分辨率有三種方法，減小光刻工藝系數(shù)，減小波長或是增加數(shù)值孔徑。k1系數(shù)取決于芯片制造工藝的多種因素，ASML通過控制光線擊中光罩的方式和FlexPupil自由照明器光瞳整形技術，使得k1接近于0.3。但由于其物理極限為0.25，所以在將k1逼近極限的情況的同時，波長和數(shù)值孔徑上的改進空間反而更大一點。

這也就是選用EUV的原因之一，EUV象征著極紫光。與DUV光刻機中用到的193nmArF光源相比，其波長只有13.5nm。因此EUV光刻機面臨的首要挑戰(zhàn)，就是如何生成這樣一個短波長的極紫光。

現(xiàn)在不少芯片都已經進入了納米級制程，傳統(tǒng)準分子激光器發(fā)射UV激光束的方法已經愈發(fā)受限，對短波長曝光的需求越來越大。一種解決方案就是通過激光照射生成的發(fā)光等離子體，以此提供這種超短波的輻射，而這種等離子體是如何形成的呢？這就要用到通快的二氧化碳脈沖式激光系統(tǒng)/激光放大器。

EUV光源生成 / 通快

通快用于EUV的這套激光系統(tǒng)采用二氧化碳連續(xù)波激光器技術，功率可至10kW以上。發(fā)生器將錫液滴入真空容器中，激光器發(fā)射的高功率脈沖激光擊中錫液，錫原子被電離化后，也就生成了等離子體。接著收集鏡將等離子發(fā)射的EUV輻射集中傳輸至光刻系統(tǒng)，完成晶片曝光的過程。

提高數(shù)值孔徑的途徑

最后是如何做到更高的數(shù)值孔徑，這一參數(shù)象征了鏡頭系統(tǒng)可以收集和聚焦多少光量，因此必須從鏡頭和結構出發(fā)來提高。浸入技術在透鏡和晶圓之間加入了一層水，將DUV光刻機的數(shù)值孔徑從0.93提高至了1.35。然而在應用了EUV之后，這一數(shù)值反而降至0.33。不過在低K值和短波長的助力下，分辨率還是要高過DUV的。目前0.33的NA雖然足以支持5nm及3nm制程，但要想更進一步，必須要用到更高的NA，所以高數(shù)值孔徑成了ASML下一代系統(tǒng)EXE:5000主要解決的問題之一。

EUV光刻機中的光線路徑 / 蔡司

而ASML的EUV光刻機鏡頭系統(tǒng)中，發(fā)揮最大作用的則是同樣來自德國的蔡司。由于絕大多數(shù)材料都會吸收極紫光，所以常規(guī)的透鏡會吸收EUV。為此，蔡司打造了一種光滑的多層布拉格反射鏡，每個鏡頭都有100多層，主要材料是硅和鉬，最大限度地提高極紫光的反射。

拋光對于鏡頭的平坦度來說同樣極為重要，平坦的鏡面可以帶來更好的波前與成像表現(xiàn)，蔡司的高NA鏡頭RMS約為50pm。根據(jù)蔡司的說法，如果將鏡頭大小等同于波蘭面積的話，那么鏡頭上最高的那座“山”甚至不到1厘米高。

蔡司的高NA鏡頭系統(tǒng)研發(fā)生產基地 / 蔡司

從ASML現(xiàn)有的機器來看，目前NXE:3600和3400系列主要采用了蔡司的Starlith 3400鏡頭系統(tǒng)，數(shù)值孔徑可以做到0.33，分辨率為13nm。而下一代Starlith 5000可以做到0.55的數(shù)值孔徑，分辨率提升至8nm，這套系統(tǒng)尚在開發(fā)過程中，但開發(fā)可能遇阻，因為ASML宣布0.55的高NA EUV光刻機EXE:5000處于緊張開發(fā)階段，2023年底才會交出第一臺用于研究用機器，且這臺售價3億美元以上的機器商用量產已經被推遲至2025年。

結語

從EUV光刻機內部所用的技術來看，中國要想在半導體產業(yè)上再進一步，單靠電路設計之類的應用學科是無法突破的，光學、材料學之類的學科同樣要受到重視。除了蔡司和通快這樣的商用公司外，為了打造出EUV光刻機，ASML還借助了比利時微電子研究中心和美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室這些科研機構的力量，蔡司也開始每年舉辦免費講學來培養(yǎng)光學人才。不再追求商業(yè)口號，做好產學研的深度融合，才是脫離卡脖子困境的唯一出路。