EUV光刻机何以造出5nm芯片

电子发烧友网报道（文/周凯扬）作为近乎垄断的光刻机巨头，ASML的EUV光刻机已经在全球顶尖的晶圆厂中获得了使用。无论是英特尔、台积电还是三星，EUV光刻机的购置已经是生产支出中很大的一笔，也成了7nm之下不可或缺的制造设备，我国因为贸易条约被迟迟卡住不放行的也是一台EUV光刻机。

但EUV光刻机的面世靠的不仅仅是ASML一家的努力，还有蔡司和TRUMPF（通快）两家欧洲光学巨头的合作才得以成功。他们的技术分别为EUV光刻机的镜头和光源做出了不小的贡献，也让欧洲成了唯一能够造出此类精密半导体设备的地区。

为什么选择极紫光

光刻机的分辨率是光刻机能够清晰投影最小图像的能力，这一关键指标决定了这台光刻机可以用于何种工艺节点。R=k1*λ/NA代表了与其相关的多个参数，其中R为分辨率，k1为光刻工艺系数，λ为波长，NA为数值孔径。

很明显，要想压缩分辨率有三种方法，减小光刻工艺系数，减小波长或是增加数值孔径。k1系数取决于芯片制造工艺的多种因素，ASML通过控制光线击中光罩的方式和FlexPupil自由照明器光瞳整形技术，使得k1接近于0.3。但由于其物理极限为0.25，所以在将k1逼近极限的情况的同时，波长和数值孔径上的改进空间反而更大一点。

这也就是选用EUV的原因之一，EUV象征着极紫光。与DUV光刻机中用到的193nm ArF光源相比，其波长只有13.5nm。因此EUV光刻机面临的首要挑战，就是如何生成这样一个短波长的极紫光。

现在不少芯片都已经进入了纳米级制程，传统准分子激光器发射UV激光束的方法已经愈发受限，对短波长曝光的需求越来越大。一种解决方案就是通过激光照射生成的发光等离子体，以此提供这种超短波的辐射，而这种等离子体是如何形成的呢？这就要用到通快的二氧化碳脉冲式激光系统/激光放大器。

通快用于EUV的这套激光系统采用二氧化碳连续波激光器技术，功率可至10kW以上。发生器将锡液滴入真空容器中，激光器发射的高功率脉冲激光击中锡液，锡原子被电离化后，也就生成了等离子体。接着收集镜将等离子发射的EUV辐射集中传输至光刻系统，完成晶片曝光的过程。

提高数值孔径的途径

最后是如何做到更高的数值孔径，这一参数象征了镜头系统可以收集和聚焦多少光量，因此必须从镜头和结构出发来提高。浸入技术在透镜和晶圆之间加入了一层水，将DUV光刻机的数值孔径从0.93提高至了1.35。然而在应用了EUV之后，这一数值反而降至0.33。不过在低K值和短波长的助力下，分辨率还是要高过DUV的。目前0.33的NA虽然足以支持5nm及3nm制程，但要想更进一步，必须要用到更高的NA，所以高数值孔径成了ASML下一代系统EXE:5000主要解决的问题之一。

而ASML的EUV光刻机镜头系统中，发挥最大作用的则是同样来自德国的蔡司。由于绝大多数材料都会吸收极紫光，所以常规的透镜会吸收EUV。为此，蔡司打造了一种光滑的多层布拉格反射镜，每个镜头都有100多层，主要材料是硅和钼，最大限度地提高极紫光的反射。

抛光对于镜头的平坦度来说同样极为重要，平坦的镜面可以带来更好的波前与成像表现，蔡司的高NA镜头RMS约为50pm。根据蔡司的说法，如果将镜头大小等同于波兰面积的话，那么镜头上最高的那座“山”甚至不到1厘米高。

从ASML现有的机器来看，目前NXE:3600和3400系列主要采用了蔡司的Starlith 3400镜头系统，数值孔径可以做到0.33，分辨率为13nm。而下一代Starlith 5000可以做到0.55的数值孔径，分辨率提升至8nm，这套系统尚在开发过程中，但开发可能遇阻，因为ASML宣布0.55的高NA EUV光刻机EXE:5000仍在尚在研发中，2023年底才会交出第一台用于研究目的的机器，且这台售价3亿美元以上的机器商用量产已经被推迟至2025年。

结语

从EUV光刻机内部所用的技术来看，中国要想在半导体产业上再进一步，单靠电路设计之类的应用学科是无法突破的，光学、材料学之类的学科同样要受到重视。除了蔡司和通快这样的商用公司外，为了打造出EUV光刻机，ASML还借助了比利时微电子研究中心和美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室这些科研机构的力量，蔡司也开始每年举办免费讲学来培养光学人才。不再追求商业口号，做好产学研的深度融合，才是脱离卡脖子的困境的唯一出路。

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编辑：jq