作者：刘yp 时间：2025-01-16
一、EUV光刻机的光源发展史，为什么选择13.5nm波长
极紫外光刻技术由三大核心技术共建而成，分别为EUV光源系统，高精度弧形反射镜系统、超高精度真空双工件台组成，着重讲的是EUV光源系统，也是这三大核心中的核心。
光刻机最早的光源用的是汞灯UV 436 g-line和365nm i-line，然后是使用准分子激光光源DUV 248nm KrF和193nm ArF，光刻机的光源是整套光刻机系统的重中之重，但是每一代更新都是一个难题，激光器的激光由于受到放大介质的限制，很难向短波长和的紫外和X射线波段推进。
不过，科学家从理论上预测了紫外波段激光的可能性，激光发明的那一年，德国物理学家豪特曼就提出了准分子束缚－自由电子跃迁产生增益的理论，即以准分子为激活介质实现激光振荡。
果然，在1970年，印证了这个可能性，在苏联诺贝尔物理学奖获得者尼古拉·巴索夫在莫斯科物理研究所，第一束准分子激光如约而至，使用电子束激发氙气二聚体，产生了波长为172nm的准分子激光。
DUV光刻机具有“冷加工”的优良特点，193nm ArF准分子激光单光子能量为6.4eV, 能够诱导化学反应，有效打断材料组织中的化学键，从而对材料实现光解切割，避免了红外波段激光加工中的热效应。
业内很看好DUV准分子激光，但是对EUV则充满了怀疑，即便是美国最顶级的劳伦斯利弗莫尔国家实验室都没有底气面对质疑。IBM等公司直接跳过EUV波段，从1981年就开始着手更超前的1-10nm波段软x光射线的研究。时间给出了答案，X光射线无法成为光刻机的新光源，根本的原因还是软x光射线的成像系统的像场和波前误差不如预期。
从此人类世界终于将光刻技术定为从193nm到13.5nm，极紫外光刻，敲定13.5nm这个数字作为新一代光刻机光源的波长，从1981年到1996年花费了整整15年之久。
二、如何产生高功率密度的13.5nm的光源
所有材料对波长短于100nm的光都有强烈的吸收，故EUV光刻机不能采用透射式光学系统，只能采用反射式光学系统。又因为EUV波长与晶格参数接近，很容易发生衍射，反射率也很低，最终的反射方案是采用多层镀膜的Mo-Si布拉格反射器，研究表明其对13.5nm波长的反射率最高，达到了70%，因此下一代光刻机最终采用波长13.5nn附近0.27nn带宽的EUV光源。
由于13.5nm的EUV易被吸收，损耗极高，而且EUV没有DUV那种低成本的浸没式精度提升方案，光学系统的孔径也做不大，所以别看193nm和13.5nm这两个光源波长相差了15倍，极紫外光刻仅提升了3倍不到的精度，而且伴随精度的提升，是对EUV光源功率的极为苛刻的要求。
那么如何产生高功率密度的13.5nm的光源呢？
产生13.5 nm EUV的首选方法是高电荷离子的等离子体发射。三种最有希望的候选元素是 锂、锡和氙，它们都具有在所需带宽内具有强共振跃迁的离子。由于多种原因，锂基和氙基等离子体源获得的转换效率远远落后于锡基等离子体。在确定了锡作为电离材料后，实现电离的方法也出现了2个主要分支，即LPP激光等离子体和DPP放电等离子体。
DPP方案是把锡涂覆在电极两端，加高压，这样两极之间会产生等离子体，并且会发生箍缩效应，产生自发辐射，从而发出极紫外光。
LPP方案的基本原理是用强激光脉冲轰击锡液滴，金属锡中的自由电子吸收脉冲能量并转移给晶格振动，从而破坏金属键使得金属锡被打成等离子体，其中含有大量高度电离的、温度达十万摄氏度的锡离子，根据玻尔兹曼因子估算，足以使锡离子占据极紫外量级的高能激发态。
总体来说DPP整体方案看似比LPP简单得多。
虽然得到了极紫外线，但它是向四周散射的，还必须想办法把它们收集汇聚到一起，才可以对晶圆进行光刻。要汇聚极紫外线，只能借助于分布式布拉格反射器。它的原理其实并不复杂，光线在经过特殊设计的反射介质时，如果其波长恰好为1/4波长，那么介质的两面反射光恰好相差1/2波长，则发生相消干涉，实际上增强了反射光。通过设计不同反射介质的组合，可以单独加强针对某一波段的光线的反射率，起到光谱纯化效果
ASML光刻机中的布拉格反射器由蔡司研发，采用硅和钼作为主要原料，超过40层介质层，每层的厚度只有不到4纳米，而镀膜的精度误差不超过0.05纳米，镀膜技术由德国弗劳恩霍夫应用光学与精密机械研究所提供。通过精确控制介质的厚度和组合，原本四散射出的极紫外线就可以集合起来，汇聚为一束强的光线用于生产。
收集EUV还只是开始，麻烦还在后头。激光照射锡滴形成的碎屑如果沉积在镀膜镜面上，将会导致EUV收集镜的反射率降低。即便是沉积的锡厚度只有1 nm，即只有几个原子层，收集镜的反射率降低也将达到10%，而衰减10%就需要更换昂贵的收集镜了。Cymer通过氢气气流来“烧掉”沉积的锡碎屑，锡通过与氢气反应生成气体SnH4并被排出。然而这个过程产生的微量游离氢离子会逐渐渗透进入收集镜的反射多层镀膜，并在多层镀膜内部缓慢聚合成氢气，将会导致多层镀膜内产生气泡而被剥离，所以必须发明一种特殊的保护层覆盖在多层镀膜的顶部。
在预脉冲技术的推动下，ASML的EUV光源功率在过去十年保持了线性增长。第一代EUV验证机型NXE3100光刻机曝光功率仅有10W左右，其产能仅为8-10片晶圆/小时。2018年Cymer将功率提升到250W，NXE3400B光刻机的产能是155片/小时，而NXE3400C的产能提高到170片/小时。通过采用新的1微米激光预脉冲，ASML已经实现闭环600W，开环700W的创纪录的EUV功率！LPP EUV光源在未来3-5年很可能突破千瓦级大关，直指1nm芯片节点。
三，中国光刻机之路
中国省略了光刻机光源的选择，直接在最新技术上开展实用工程化研究，在起步上就节省了大量成本，在可供查询的公开信息上显示，哈尔滨工业大学的DPP-EUV光源已经达到实用化的120W的水平。DPP方案的痛点在于无法提升功率，经过中国科学院院士、中国科学院前院长白春礼的调研，DPP方案可以避开LLP-EUV的专利保护，在未来加速器光源上还能有一定的继承性
至于EUV反射收集镜，其实中国造有技术底蕴，在2015年，长光所就已经研发出了EUV高精度弧形反射镜系统，制造设备来源于海外，在遭到制裁无法使用设备后，又在21年研发出了类似设备，已经能满足EUV反射收集镜的要求
另一边中科院上光所倾向于LPP方案，LPP方案是目前ASML使用的方案，已经是完全成熟的解决方案，这条看似平坦的路有诸多限制，首先是大功率二氧化碳激光器的国外禁售与国内落后，还有专利技术壁垒，最终完成也是跟随ASML的脚步，很难超越
广东智能机器研究院与华中科技大学，在尝试采用分时高功率光纤激光器射击液态锡靶，绕开超高功率、超高重频二氧化碳激光器这个路线，400路光纤激光器和分时束照射装置理论上可以实现数倍于ASML LPP的光源转换效率。
四，中国光刻机的未来
除了国外的DPP和LDD的光刻机光源方案以外，中国开发了一个最为创新、最为颠覆性的加速器光源SSMB-EUV，即稳态微聚束极紫外光源路线，由清华大学主导。
加速器光源主要包括基于电子储存环的同步辐射SR和基于电子直线加速器自由电子激光FEL两种。我们知道极紫外光刻对光源的有4方面要求：高平均功率，这样曝光速度快，利于提高生产效率；高亮度，可以降低对光刻胶的敏感度要求；高纯度，就是频带比较窄，有利于提高分辨率；短波长，同样有利于提高分辨率。
SR光源的功率、亮度都很好，比LPP/DPP光源强得多，但它产生的是一个频率范围较大的连续光谱，需要配合滤光器得到合适的窄带光源。问题是“宽带”滤成“窄带”必然损失大量的光能，部分抵消了功率高的优点。而FEL亮度更高，可以比SR还高10个量级，纯度也非常高，还能做到波长连续可调。但麻烦的是脉冲重复频率比较低，这样平均功率就降得很厉害。
SSMB光源把SR和FEL结合起来了，可以得到高功率、高亮度、高重频、窄带宽的光源，而且波长可调，别说EUV，就是下一代波长约6 nm的Blue-X光源都能达到，而且不需要SR的滤光器或LPP/DPP的多反射光谱纯化装置。显然，就性能来讲是非常适合进行极紫外光刻的。
只是加速器光源最大的弱点是非常昂贵，而SSMB贵上加贵，另外体积也太大，适合建设为国家级的EUV光源研究和生产的基础设施。
我国的加速器光源的基础建设完全是国际水平。同步辐射上海光源于2004年2月立项，于2009年4月完成调试并向用户开放。自由电子激光大连相干光源于2012年初正式启动，2016年9月24日首次出光。而世界上亮度最高的第四代同步辐射光源，怀柔科学城的国家重大科技基础设施，高能同步辐射光源HEPS于2019年6月启动建设，中科院高能所承担，建设周期6.5年，与我国现有的光源形成能区互补。由清华大学主导的SSMB，已经在雄安选址开工建设1千瓦级SSMB-EUV光源，投资在10亿量级。
当然，SSMB技术进展不可能赶上首台国产EUV光刻机，尽快达成实用工程化还得指望上海光机所的LPP-EUV或者哈工大的DPP-EUV。
显然EUV光刻关键技术备受社会关注，有声音认为只要我们能够自己制造出一台EUV光刻机，国内半导体产业发展问题就基本解决，但事实并非如此。EUV光刻机只不过是中国半导体产业发展路上需要解决的问题的一个缩影，重要的，但绝非唯一的问题。作为全新的芯片前沿工艺体系，其研发是一个庞大的原始创新工程，需要光学、数学、物理学、微电子学、材料学与精密机械以及控制等多学科交叉的、大纵深的开创性研究；科学家必须在光源、结构、器件、工艺及检测等领域解决一系列核心科学问题，并阐释许多新机制和新机理。以中国科学院为代表的国家战略科技力量，需要以雄厚的前沿科研积累、高水平的研发大平台和权责清晰的组织规则，形成强大的平台吸引力和合作凝聚力，激发产业合作伙伴的创新热情与潜能。
还是那句话：尊重规律，保持敬畏，充满信心，中国光刻机之路黎明一定会到来。
