提高數(shù)值孔徑是EUV光刻技術目標之一

光刻是大規(guī)模集成電路芯片制備的核心工藝環(huán)節(jié)，其中，EUV光刻機是服務于7nm 以下制程芯片的設備。生產(chǎn)EUV光刻機的技術壁壘極高，除了光刻機結構的整體設計外，其零部件工藝也是目前光學以及精密機械領域的極限水平。目前EUV光刻的產(chǎn)業(yè)化是一個全球頂端供應鏈的結構，德國的光學鏡頭、英國的真空設備、美國的激光光源、日本的光刻膠等國際尖端技術，組成了整個EUV光刻機制造的產(chǎn)業(yè)鏈條。

目前全球僅有荷蘭ASML公司具有EUV光刻機的生產(chǎn)能力，主要是因為荷蘭在歐洲所處的貿易環(huán)境，以及歐盟國家具有的相關產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，再加上該公司自身出色的設計能力，使其壟斷了EUV光刻機的國際市場。

EUV光刻的技術路徑梳理

EUV光刻是所有芯片生產(chǎn)的核心步驟，看似簡單的一個曝光過程，實際上決定了芯片的整個制程工藝。

芯片制作技術路線

光刻本身的技術路線并不復雜，將已經(jīng)涂覆好光刻膠的圓晶及制備好的掩模版插入光刻機中，經(jīng)過掃描儀將掩膜版圖像記錄后，通過一組投影光學器件進行掩模傳輸。驅動EUV光源，發(fā)出紫外光照射光刻膠。這屬于一種步進-掃描式投影曝光技術，其中光刻膠鏡頭起到了非常重要的作用。EUV光線經(jīng)過鏡頭聚焦后，通過整形投射在掩膜版上。高質量的光學鏡頭能夠將掩膜版的圖形完整地投影在光刻膠上，光刻膠通過光化學反應得到相應圖形，后續(xù)再經(jīng)過刻蝕將在硅基上得到最終的芯片結構。

由于聚焦鏡頭在光刻中起到了決定性作用，當前的技術發(fā)展一個主要的目標就是提高EUV光刻機的數(shù)值孔徑（NA）。根據(jù)瑞利公式，將數(shù)值孔徑從0.33增加到0.55，可以成比例地提高可實現(xiàn)的臨界尺寸——從0.33NA系統(tǒng)的13nm提升到0.55NA系統(tǒng)的8nm。估計在2023年會有第一個0.55NA EUV系統(tǒng)完成研制，該系統(tǒng)將具有一個變形鏡頭系統(tǒng)，在一個方向上具有4倍的縮小率（與0.33 NA相同），在正交的另一個方向上將具有8倍的縮小率。

EUV光刻機是一套非常復雜的系統(tǒng)，其中主要零部件的數(shù)量就超過了10萬個。除了規(guī)模大，由于光刻機輸出條件的嚴苛要求，要求整個系統(tǒng)具有極高的穩(wěn)定性，所有部件或者子系統(tǒng)要具備足夠的魯棒性。因此，EUV光刻技術的幾乎所有關鍵環(huán)節(jié)都是目前物理和機械工藝的極限水平，其生產(chǎn)存在相當大的困難。對于EUV技術開發(fā)而言，目前技術卡點主要存在于光源部分、掩膜版、光學鏡頭、精密控制系統(tǒng)等環(huán)節(jié)。

在光源部分方面，極紫外光源的發(fā)光原理雖然是明確的，但其發(fā)光過程需要激光技術、流體控制技術等復雜的環(huán)節(jié)相互配合。在激發(fā)等離子體發(fā)光的過程中，如何精確控制激光脈沖、如何降低等離子體氣氛中的各種雜質污染物是難點。

在掩膜版方面，掩膜版本身是光刻工藝中的核心環(huán)節(jié)，決定了芯片微結構的具體形式。掩模版表面多層抗反射膜的制備和防污染問題是目前存在的關鍵難點。

在光學鏡頭方面，目前EUV光刻機使用的鏡頭是一種復雜鏡頭組合結構，通過不同鏡頭的特征匹配來抑制像差，另外通過增大通光口徑來提高系統(tǒng)的截止頻率。每一塊鏡片必須使用高純度透光材料，并通過高質量拋光。優(yōu)質的光學材料是目前面臨的一個卡點問題，而超高精度的拋光技術，一方面依賴于高性能拋光設備，另外還與長時間積累的拋光工藝，經(jīng)驗深度相關。

在精密控制系統(tǒng)，作為一個加工設備，EUV光刻機中有兩個同步運動的工件臺，一個載底片，一個載膠片。兩者需始終保持高度同步，誤差必須控制在2納米以下。兩個工作臺由靜到動，加速度非常大，因此控制難度也相當大。而且作為高精度光學設備，環(huán)境對其工作性能的影響是不能忽視的。溫度、濕度、振動都會影響光學系統(tǒng)的結構，任何一點變化都將導致光路發(fā)生偏移，從而影響最終的光刻效果。環(huán)境參數(shù)的獲取，需要高精度、快速響應的傳感器件，這也是目前面臨的一個卡點。

EUV技術未來的市場前景和技術發(fā)展趨勢

EUV光刻機并不是應用消費產(chǎn)品，作為高端制造設備，其實際的市場并不會很大。ASML預計今年EUV設備出貨量有望達到50臺，雖然絕對數(shù)量有限，但是因為附加值高，最終的產(chǎn)值會非?？捎^。隨著芯片在各領域的大量使用，芯片制造也成為一個重要的增長點，因此目前ASML的產(chǎn)能還不能滿足市場需求。

EUV光刻機投入使用后，又大量催生了EUV曝光設備的需求。就目前的訂單數(shù)據(jù)顯示，2025年之前的EUV光刻機需求將逐年創(chuàng)下新紀錄。隨著芯片制程工藝的提升，臺積電和三星已采購大量EUV光刻機，存儲芯片制造商SK海力士也已開始采用EUV光刻機，未來5年也將大幅增加采購量，美光科技也計劃在2024年開始使用EUV設備。相關芯片生廠商將會進一步推動高端芯片的下游市場活力，進而使得EUV技術的市場前景看好。

關于EUV光刻機未來的發(fā)展方向，當前ASML正在探尋NA從0.33向0.55推進，預計2025年后能夠進入量產(chǎn)，對 1.5nm及1nm邏輯制程工藝提供支撐，并有望在目前最先進的DRAM制程中得到應用。對于0.55 NA的光刻機而言，僅僅是光刻機系統(tǒng)的更新是不夠的。作為一個高協(xié)調性的復雜光學設備，光刻機中的任何一個部件變動都需要進行整體性的設計改良，因此為了配合0.55鏡頭的升級，光掩模、光刻膠疊層和圖案轉移工藝等方面也需要進行優(yōu)化，從而確保整個光刻機的性能。

另外，EUV 光刻膠的研發(fā)也一直是系統(tǒng)關注的問題，金屬氧化物納米顆粒型光刻膠的研制，是目前極紫外光刻工藝流程中最受關注的一個方向。利用金屬團簇核心對極紫外光的高吸收率，以及后續(xù)刻蝕過程中的強抗刻蝕性，這種材料非常適合的紫外光刻。解決該類光刻膠的均勻性問題，待制備工藝成熟后將成為EUV光刻的優(yōu)選光刻膠。

三維掩模成像的研究也是目前EUV技術發(fā)展的一個重要方向。結合大NA透鏡的結構及光學特性，需要對掩膜版材料進行優(yōu)化。由于大NA透鏡使得光線輻照角度變大，這需要對掩膜吸收層的厚度進行重新優(yōu)化，確保照明光路的正常。發(fā)展更高效的設計算法，推動計算光刻技術的發(fā)展也將對EUV整體工藝技術的發(fā)展起到推進作用。

EUV光刻領域的明星企業(yè)和成長性企業(yè)

從全球歷年的光刻機出貨數(shù)據(jù)可知， ASML、尼康和佳能三個企業(yè)占90%以上的光刻機市場份額。其中ASML一家市場份額就占到了60%以上，且在EUV光刻機領域，ASML是唯一生產(chǎn)商。

EUV光刻機的研制首先離不開大量的資金投入，ASML每年在技術研發(fā)環(huán)節(jié)的投入的資金占銷售額的百分之十幾甚至更高。另外，EUV光刻機是一個復雜的光機系統(tǒng)，涉及的技術領域寬泛，因此整機的研制過程需要不同領域的研發(fā)機構來共同完成。就ASML的產(chǎn)品開發(fā)過程而言，從EUV光刻機研發(fā)任務一開始提出，就采用了全球合作的發(fā)展路線，不僅從技術上集合了歐美各國最先進的光學、機械、控制技術，同時在公司運營發(fā)展思路上也采用了并購、控股等靈活的合作形式，來確保能夠無門檻、及時地獲得最先進技術的支撐。

尼康與佳能雖然目前還沒有完整研制出EUV光刻機整機，但這兩個公司在光刻機研發(fā)生產(chǎn)領域實際上具有很強的技術儲備。另外，經(jīng)過多年的發(fā)展，日本在半導體行業(yè)具有非常突出的產(chǎn)業(yè)生態(tài)優(yōu)勢，尼康與佳能也各自構建了完善的半導體業(yè)態(tài)。再加上日本國內一向對高精尖材料生產(chǎn)鏈極為重視，在政策支持上也不存在困難，因此尼康和佳能要突破EUV技術瓶頸可能性很大，完成EUV光刻機研發(fā)任務是很有希望的。通過一定的資金和技術投入，有能力推出EUV光刻機。

作者丨四川大學電子信息學院教授 張蓉竹

編輯丨陳炳欣

美編丨馬利亞

監(jiān)制丨連曉東