EUV光刻，新的對(duì)手

最近，美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）宣布開發(fā)出了一種名稱為大孔徑銩（BAT）激光器，這種激光器比現(xiàn)在行業(yè)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn) CO2 激光器將 EUV 光源提高約 10 倍。

這一進(jìn)步，可能為新一代「超越 EUV」的光刻系統(tǒng)鋪平道路，從而生產(chǎn)出更小、更強(qiáng)大、制造速度更快、同時(shí)耗電量更少的芯片。簡(jiǎn)而言之，美國(guó)開發(fā)的新一代 BAT 激光器，遠(yuǎn)超現(xiàn)在的 EUV 光刻，能夠?qū)⑿侍嵘?10 倍。

EUV 光刻有多強(qiáng)？

目前來看，沒有 EUV 光刻，業(yè)界就無法制造 7nm 制程以下的芯片。

EUV 光刻機(jī)也是歷史上最復(fù)雜、最昂貴的機(jī)器之一。《芯片浪潮：納米工藝背后的全球競(jìng)爭(zhēng)》一書中有描述：一臺(tái) EUV 光刻機(jī)的零件超過 10 萬個(gè)，重達(dá) 180 噸，需要用 40 個(gè)集裝箱來運(yùn)輸，光刻機(jī)的安裝調(diào)試都要超過一年時(shí)間。阿斯麥在剛開始時(shí)只能年產(chǎn)二三十臺(tái) EUV 光刻機(jī)，到目前也不過增加到四五十臺(tái)。

EUV 光刻，有哪些瓶頸？

EUV 光刻技術(shù)，存在很多難點(diǎn)。

此前，美國(guó) NIST 發(fā)布了一個(gè)有關(guān) EUV 光刻機(jī)的重磅報(bào)告，他們?cè)谄渲幸卜治隽?EUV 光刻技術(shù)發(fā)展的瓶頸。

第一，光源技術(shù)方面。

EUV 光源的波長(zhǎng)僅為 13.5 納米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于可見光，因此產(chǎn)生和維持如此短波長(zhǎng)光源的難度極大。

目前，最成熟的 EUV 光源是由高純度錫產(chǎn)生的高溫等離子體產(chǎn)生的。固體錫在液滴發(fā)生器內(nèi)熔化，該儀器在真空室中每分鐘連續(xù)產(chǎn)生超過 300 萬個(gè) 27μm 的液滴。平均功率為 25kW 的二氧化碳（CO2）激光器用兩個(gè)連續(xù)脈沖照射錫液滴，分別使液滴成形并電離。但這個(gè)過程中，需要巨大的激光能力，還需要復(fù)雜冷卻系統(tǒng)和真空環(huán)境維持穩(wěn)定運(yùn)行。

在光源方面，美國(guó)的 EUV 光源的研發(fā)和制造基地位于加利福尼亞州圣地亞哥。駐扎在圣地亞哥的 Cymer 是要負(fù) EUV 光源相關(guān)工作，由 ASML 于 2012 年收購。

為了保護(hù) EUV 光源技術(shù)，美國(guó)工業(yè)和安全局（BIS）在 2022 年 10 月，發(fā)布了一項(xiàng)規(guī)則——87 FR 62186，對(duì)包括極紫外光刻在內(nèi)的技術(shù)進(jìn)行出口管制。

第二，光學(xué)系統(tǒng)方面。

EUV 光刻機(jī)的難點(diǎn)不止光源，還有光學(xué)系統(tǒng)。極紫外光的波長(zhǎng)太短，傳統(tǒng)的透鏡根本無法使用，只能靠多片超光滑的反射鏡來引導(dǎo)光線。EUV 反射鏡片的制造工藝相當(dāng)復(fù)雜，鏡片表面的光滑度要求變態(tài)到極致，0.33NA 的鏡面糙度達(dá)到驚人的 0.05nm?？梢赃@么理解，如果把反射鏡放大到中國(guó)國(guó)土這樣大的面積，那么整個(gè)國(guó)土最大的凸起和下凹高度不會(huì)超過 0.4 毫米。再加上能量損耗的問題，如何讓光線最終精準(zhǔn)地打到晶圓上，也是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。

第三，掩模技術(shù)方面。

掩膜版又稱光罩、光掩膜、光刻掩膜版等，是微電子制造過程中的圖形轉(zhuǎn)移工具或母版，是承載圖形設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)等知識(shí)產(chǎn)權(quán)信息的載體。

EUV 掩膜版是整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的極為重要的一環(huán)。

EUV 掩模版由襯底上的 40 到 50 層交替的硅和鉬層組成，每層膜厚度約 3.4 納米，形成 250 納米到 350 納米厚的多層堆疊，嚴(yán)格控制每層膜的厚度誤差以避免 EUV 光的損耗。

在這方面，國(guó)際領(lǐng)先的掩模版制造商 Toppan 一直致力于掩模版業(yè)務(wù)，其于 2005 年收購了杜邦光掩模公司，并于同年開始與 IBM、格羅方德半導(dǎo)體、三星聯(lián)合開發(fā)高端掩模版技術(shù)，從最初的 45nm 制程節(jié)點(diǎn)發(fā)展至目前的 2nm 制程節(jié)點(diǎn)。

第四，光刻膠方面。

光刻膠是一種具有光敏化學(xué)作用的高分子聚合物材料，外觀上呈現(xiàn)為膠狀液體。到目前為止，用于 EUV 光刻的大多數(shù)光刻膠都是基于 KrF 和 ArF 光刻膠平臺(tái)的化學(xué)放大光刻膠。

在相同條件下，光刻膠吸收的 EUV 光子數(shù)量?jī)H為 DUV 193nm 波長(zhǎng)的 1/14。這就要求要么在 EUV 波段創(chuàng)造出極強(qiáng)的光源，要么發(fā)明更靈敏的光刻膠。

光刻膠的難點(diǎn)一方面是高分辨率與低粗糙度的平衡，因?yàn)樵?EUV 光刻中，需要光刻膠具備高分辨率以精確地描繪出極小的芯片圖案特征。然而，提高光刻膠分辨率的同時(shí)，往往會(huì)導(dǎo)致線邊緣粗糙度（LER）增加。例如，當(dāng)光刻膠對(duì) EUV 光響應(yīng)過于敏感，在光化學(xué)反應(yīng)過程中，可能會(huì)使圖案邊緣的反應(yīng)不均勻，造成線條邊緣不平整。

另一方面是敏感度要求高且精確。因?yàn)?EUV 光源的功率有限，且光刻過程需要在短時(shí)間內(nèi)完成大量圖案的曝光，如果光刻膠敏感度不夠，就需要延長(zhǎng)曝光時(shí)間或者增加光強(qiáng)，這會(huì)影響生產(chǎn)效率和設(shè)備壽命。但是，敏感度又不能過高，否則很容易受到環(huán)境因素（如微弱的雜散光）的影響而產(chǎn)生不必要的反應(yīng)。舉個(gè)例子，在光刻車間的照明環(huán)境中，如果光刻膠過于敏感，可能會(huì)因?yàn)檐囬g內(nèi)的一些非 EUV 光源的微弱光線而提前發(fā)生反應(yīng)，影響光刻質(zhì)量。

EUV 光刻的挑戰(zhàn)者們

納米壓印光刻（NIL）技術(shù)

納米壓印與光學(xué)光刻流程對(duì)比

納米壓印光刻（NIL）技術(shù)是挑戰(zhàn) EUV 的老對(duì)手了。

NIL 的原理和傳統(tǒng)的光刻技術(shù)是本質(zhì)性的不同。納米壓印是用機(jī)械變形－壓印來形成圖案，將預(yù)先圖形化的模具壓緊與涂布好的納米壓印膠，從而在納米壓印膠上復(fù)制出模具上的結(jié)構(gòu)圖案。

為了減少壓印的壓力，納米壓印膠需要在壓印時(shí)非常軟，如水一樣（液態(tài)聚合物）。納米壓印膠有加熱型：膠在加熱時(shí)變軟但冷下來變硬；有紫外光照型：膠在光照前時(shí)是軟但光照后變硬；及熱光混合型。壓印后，模具和納米壓印膠分離－脫模過程。

能夠成為 EUV 的挑戰(zhàn)者，NIL 自然是有自己的優(yōu)勢(shì)。

第一是分辨率高，從理論上可以實(shí)現(xiàn)極高的分辨率，目前報(bào)道的加工精度已經(jīng)達(dá)到 2 納米，超過了傳統(tǒng)光刻技術(shù)達(dá)到的分辨率。

第二是成本較低，無論是耗電量、購買價(jià)格還是運(yùn)行成本都更低，與采用 250 瓦光源的 EUV 系統(tǒng)相比，佳能估計(jì) NIL 僅消耗十分之一的能量。

第三是工藝簡(jiǎn)單、效率高，EUV 光刻需要千瓦級(jí)激光器將熔融的錫滴噴射成等離子體等一系列復(fù)雜操作，而 NIL 將復(fù)制掩模直接壓在涂有液態(tài)樹脂的晶圓表面上，像壓印印章一樣。并且，NIL 技術(shù)使用的模板可以反復(fù)使用，且操作步驟相對(duì)較少。

2024 年，佳能的首臺(tái)納米壓印光刻機(jī)也出貨了，交付的對(duì)象是美國(guó)得克薩斯電子研究所。

佳能最先進(jìn)的納米壓印光刻 NIL 系統(tǒng) FPA-1200NZ2C，可實(shí)現(xiàn)最小 14nm 線寬的圖案化，支持 5nm 制程邏輯半導(dǎo)體生產(chǎn)。

實(shí)際上，這是納米壓印光刻（NIL）技術(shù)向著商業(yè)化邁進(jìn)的一大步。佳能目標(biāo)是三到五年內(nèi)每年銷售約 10 到 20 臺(tái)。

自由電子激光（FEL）技術(shù)

FEL 的工作原理與傳統(tǒng)激光不同，它利用自由電子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生激光。自由電子激光的優(yōu)勢(shì)在于其光電轉(zhuǎn)換效率極高，可達(dá)到 30% 以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于 EUV 的 3% 到 5%。這種高效性意味著 FEL 設(shè)備在相同能耗下可以產(chǎn)生更多的光子，極大地提高了設(shè)備的工作效率和生產(chǎn)能力。在電力消耗方面，F(xiàn)EL 光源也要遠(yuǎn)低于 EUV-LPP 光源。

不過，這項(xiàng)技術(shù)也與前文提到的激光器類似，解決的是 EUV 光源的問題。

值得注意的是，EUV-FEL 還可升級(jí)為 BEUV-FEL，可以使用更短的波長(zhǎng)（6.6-6.7 nm）實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的圖案化。它還可以可變地控制 FEL 光的偏振，以實(shí)現(xiàn) High NA 光刻。

在這方面，德國(guó)、美國(guó)、中國(guó)都有相關(guān)研究。

電子束光刻（E - beam Lithography）

電子束光刻（e-beam lithography；EBL）是無掩膜光刻的一種，它利用波長(zhǎng)極短的聚焦電子直接作用于對(duì)電子敏感的光刻膠（抗蝕劑）表面繪制形成與設(shè)計(jì)圖形相符的微納結(jié)構(gòu)。

EUV 光刻機(jī)產(chǎn)能不足，很大一部分原因是光學(xué)鏡頭的供貨不足。蔡司公司是 EUV 光刻鏡頭的唯一供應(yīng)商。電子束光刻采用電子源發(fā)出電子束而并非光源，因此電子束光刻技術(shù)解決的是光刻機(jī)對(duì)光學(xué)鏡頭的依賴。

電子束具有波長(zhǎng)短的優(yōu)勢(shì)，波長(zhǎng)越短，越可以雕刻出更精細(xì)的電路，芯片工藝的納米數(shù)也可以做到更小。EUV 光刻機(jī)的波長(zhǎng)為 13.5nm，而 100KeV 電子束的波長(zhǎng)只有 0.004nm，波長(zhǎng)短使其在分辨率方面與 EUV 相比有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，也使得電子束能夠?qū)崿F(xiàn) EUV 光刻都實(shí)現(xiàn)不了的先進(jìn)制程技術(shù)。

目前，國(guó)內(nèi)松山湖材料實(shí)驗(yàn)室精密儀器研發(fā)團(tuán)隊(duì)與東莞澤攸精密儀器有限公司合作，打造集科研與產(chǎn)業(yè)化為一體的電子束裝備技術(shù)創(chuàng) 新基地。據(jù)官方報(bào)道，基于自主研制的掃描電鏡主機(jī)，完成電子束光刻機(jī)工程樣機(jī)研制，并開展功能驗(yàn)證工作。通過對(duì)測(cè)試樣片的曝光生產(chǎn)，可以繪制出高分辨率的復(fù)雜圖形。

多重圖案化技術(shù)（Multi - patterning）

多重圖案化是一種克服芯片制造過程中光刻限制的技術(shù)。

多重圖案化技術(shù)的核心原理是將復(fù)雜的芯片圖案分解為多個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的圖案，通過多次光刻和蝕刻工藝來實(shí)現(xiàn)最終的精細(xì)圖案。例如，在雙圖案化（double - patterning）技術(shù)中，對(duì)于一個(gè)原本需要單次光刻實(shí)現(xiàn)的精細(xì)間距圖案，先光刻和蝕刻出圖案的一部分，然后通過一些工藝調(diào)整（如沉積間隔層材料），再進(jìn)行第二次光刻和蝕刻，將剩余部分的圖案制作出來，最終組合成完整的精細(xì)圖案。

之所以能夠成為 EUV 光刻的挑戰(zhàn)者，多重圖案化的優(yōu)勢(shì)在于：第一，成本低。在現(xiàn)有的成熟光刻設(shè)備（如深紫外光刻，DUV）基礎(chǔ)上進(jìn)行的工藝創(chuàng)新，避免了對(duì) EUV 光刻設(shè)備的依賴，從而降低了芯片制造前期的設(shè)備投資成本。第二，工藝成熟度相對(duì)較高。因?yàn)槭窃趥鹘y(tǒng)光刻工藝基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，現(xiàn)在 DUV 光刻技術(shù)已經(jīng)非常成熟，多重圖案化技術(shù)可以很好地與這些現(xiàn)有的工藝步驟和設(shè)備集成。

目前多重圖案化技術(shù)的研究者包括：英特爾、臺(tái)積電、三星。不過，多重圖案化技術(shù)通常依賴于復(fù)雜的圖案化堆疊和集成方案，而這些方案通常伴隨著性能和良率問題，以及對(duì)晶圓設(shè)計(jì)的限制——并且成本和周期時(shí)間明顯增加。如果使用 193nm 波長(zhǎng)光刻系統(tǒng)在芯片上對(duì)特征進(jìn)行圖案化，當(dāng)?shù)竭_(dá) 5nm 時(shí)，使用多重圖案化已經(jīng)非常困難了。