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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(jī)是服務(wù)于7nm 以下制程芯片的設(shè)備。生產(chǎn)EUV光刻機(jī)的技術(shù)壁壘極高，除了光刻機(jī)結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)外，其零部件工藝也是目前光學(xué)以及精密機(jī)械領(lǐng)域的極限水平。目前EUV光刻的產(chǎn)業(yè)化是一個(gè)全球頂端供應(yīng)鏈的結(jié)構(gòu)，德國的光學(xué)鏡頭、英國的真空設(shè)備、美國的激光光源、日本的光刻膠等國際尖端技術(shù)，組成了整個(gè)EUV光刻機(jī)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(jī)的生產(chǎn)能力，主要是因?yàn)楹商m在歐洲所處的貿(mào)易環(huán)境，以及歐盟國家具有的相關(guān)產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，再加上該公司自身出色的設(shè)計(jì)能力，使其壟斷了EUV光刻機(jī)的國際市場。
EUV光刻的技術(shù)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(gè)曝光過程，實(shí)際上決定了芯片的整個(gè)制程工藝。
芯片制作技術(shù)路線
光刻本身的技術(shù)路線并不復(fù)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(jī)中，經(jīng)過掃描儀將掩膜版圖像記錄后，通過一組投影光學(xué)器件進(jìn)行掩模傳輸。驅(qū)動EUV光源，發(fā)出紫外光照射光刻膠。這屬于一種步進(jìn)-掃描式投影曝光技術(shù)，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(zhì)量的光學(xué)鏡頭能夠?qū)⒀谀ぐ娴膱D形完整地投影在光刻膠上，光刻膠通過光化學(xué)反應(yīng)得到相應(yīng)圖形，后續(xù)再經(jīng)過刻蝕將在硅基上得到最終的芯片結(jié)構(gòu)。
由于聚焦鏡頭在光刻中起到了決定性作用，當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展一個(gè)主要的目標(biāo)就是提高EUV光刻機(jī)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(shí)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(jì)在2023年會有第一個(gè)0.55NA EUV系統(tǒng)完成研制，該系統(tǒng)將具有一個(gè)變形鏡頭系統(tǒng)，在一個(gè)方向上具有4倍的縮小率（與0.33 NA相同），在正交的另一個(gè)方向上將具有8倍的縮小率。
EUV光刻機(jī)是一套非常復(fù)雜的系統(tǒng)，其中主要零部件的數(shù)量就超過了10萬個(gè)。除了規(guī)模大，由于光刻機(jī)輸出條件的嚴(yán)苛要求，要求整個(gè)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(shù)的幾乎所有關(guān)鍵環(huán)節(jié)都是目前物理和機(jī)械工藝的極限水平，其生產(chǎn)存在相當(dāng)大的困難。對于EUV技術(shù)開發(fā)而言，目前技術(shù)卡點(diǎn)主要存在于光源部分、掩膜版、光學(xué)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(shù)、流體控制技術(shù)等復(fù)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(zhì)污染物是難點(diǎn)。
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(jié)構(gòu)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(guān)鍵難點(diǎn)。
在光學(xué)鏡頭方面，目前EUV光刻機(jī)使用的鏡頭是一種復(fù)雜鏡頭組合結(jié)構(gòu)，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(zhì)量拋光。優(yōu)質(zhì)的光學(xué)材料是目前面臨的一個(gè)卡點(diǎn)問題，而超高精度的拋光技術(shù)，一方面依賴于高性能拋光設(shè)備，另外還與長時(shí)間積累的拋光工藝，經(jīng)驗(yàn)深度相關(guān)。
在精密控制系統(tǒng)，作為一個(gè)加工設(shè)備，EUV光刻機(jī)中有兩個(gè)同步運(yùn)動的工件臺，一個(gè)載底片，一個(gè)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(gè)工作臺由靜到動，加速度非常大，因此控制難度也相當(dāng)大。而且作為高精度光學(xué)設(shè)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(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，任何一點(diǎn)變化都將導(dǎo)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(yīng)的傳感器件，這也是目前面臨的一個(gè)卡點(diǎn)。
EUV技術(shù)未來的市場前景和技術(shù)發(fā)展趨勢
EUV光刻機(jī)并不是應(yīng)用消費(fèi)產(chǎn)品，作為高端制造設(shè)備，其實(shí)際的市場并不會很大。ASML預(yù)計(jì)今年EUV設(shè)備出貨量有望達(dá)到50臺，雖然絕對數(shù)量有限，但是因?yàn)楦郊又蹈?，最終的產(chǎn)值會非常可觀。隨著芯片在各領(lǐng)域的大量使用，芯片制造也成為一個(gè)重要的增長點(diǎn)，因此目前ASML的產(chǎn)能還不能滿足市場需求。
EUV光刻機(jī)投入使用后，又大量催生了EUV曝光設(shè)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(jī)需求將逐年創(chuàng)下新紀(jì)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(jī)，存儲芯片制造商SK海力士也已開始采用EUV光刻機(jī)，未來5年也將大幅增加采購量，美光科技也計(jì)劃在2024年開始使用EUV設(shè)備。相關(guān)芯片生廠商將會進(jìn)一步推動高端芯片的下游市場活力，進(jìn)而使得EUV技術(shù)的市場前景看好。
關(guān)于EUV光刻機(jī)未來的發(fā)展方向，當(dāng)前ASML正在探尋NA從0.33向0.55推進(jìn)，預(yù)計(jì)2025年后能夠進(jìn)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(jìn)的DRAM制程中得到應(yīng)用。對于0.55 NA的光刻機(jī)而言，僅僅是光刻機(jī)系統(tǒng)的更新是不夠的。作為一個(gè)高協(xié)調(diào)性的復(fù)雜光學(xué)設(shè)備，光刻機(jī)中的任何一個(gè)部件變動都需要進(jìn)行整體性的設(shè)計(jì)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(zhuǎn)移工藝等方面也需要進(jìn)行優(yōu)化，從而確保整個(gè)光刻機(jī)的性能。
另外，EUV 光刻膠的研發(fā)也一直是系統(tǒng)關(guān)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(guān)注的一個(gè)方向。利用金屬團(tuán)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(qiáng)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(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。結(jié)合大NA透鏡的結(jié)構(gòu)及光學(xué)特性，需要對掩膜版材料進(jìn)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(jìn)行重新優(yōu)化，確保照明光路的正常。發(fā)展更高效的設(shè)計(jì)算法，推動計(jì)算光刻技術(shù)的發(fā)展也將對EUV整體工藝技術(shù)的發(fā)展起到推進(jìn)作用。
EUV光刻領(lǐng)域的明星企業(yè)和成長性企業(yè)
從全球歷年的光刻機(jī)出貨數(shù)據(jù)可知， ASML、尼康和佳能三個(gè)企業(yè)占90%以上的光刻機(jī)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(jī)領(lǐng)域，ASML是唯一生產(chǎn)商。
EUV光刻機(jī)的研制首先離不開大量的資金投入，ASML每年在技術(shù)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(jī)是一個(gè)復(fù)雜的光機(jī)系統(tǒng)，涉及的技術(shù)領(lǐng)域?qū)挿海虼苏麢C(jī)的研制過程需要不同領(lǐng)域的研發(fā)機(jī)構(gòu)來共同完成。就ASML的產(chǎn)品開發(fā)過程而言，從EUV光刻機(jī)研發(fā)任務(wù)一開始提出，就采用了全球合作的發(fā)展路線，不僅從技術(shù)上集合了歐美各國最先進(jìn)的光學(xué)、機(jī)械、控制技術(shù)，同時(shí)在公司運(yùn)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(shí)地獲得最先進(jìn)技術(shù)的支撐。
尼康與佳能雖然目前還沒有完整研制出EUV光刻機(jī)整機(jī)，但這兩個(gè)公司在光刻機(jī)研發(fā)生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)嶋H上具有很強(qiáng)的技術(shù)儲備。另外，經(jīng)過多年的發(fā)展，日本在半導(dǎo)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(gòu)建了完善的半導(dǎo)體業(yè)態(tài)。再加上日本國內(nèi)一向?qū)Ω呔獠牧仙a(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(shù)瓶頸可能性很大，完成EUV光刻機(jī)研發(fā)任務(wù)是很有希望的。通過一定的資金和技術(shù)投入，有能力推出EUV光刻機(jī)。
作者丨四川大學(xué)電子信息學(xué)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
