柔弱的雕刻大師——EUV光刻機

首先，介紹一下同步輻射光源：要是想產(chǎn)生同步輻射光源，我們需要一臺粒子加速器，當電子在加速器的圓環(huán)之中加速到接近光速的過(guò)程中，它就會(huì )不斷地向切線(xiàn)方向輻射光線(xiàn)，這就是所謂的“同步輻射”。這種光源能量轉化率高，包含幾乎所有頻譜的光線(xiàn)，從可見(jiàn)光、紅外線(xiàn)、紫外線(xiàn)和極紫外線(xiàn)應有盡有，只要將其他光線(xiàn)過(guò)濾掉，就能獲得極紫外光線(xiàn)。這東西能不能用來(lái)做光刻機呢？答案肯定是不行，這東西設備巨大，造價(jià)昂貴，而且其主要是用于更加重要的基礎科學(xué)的研究，顯然不合適用于光刻機。

粒子加速器需要以公里計的加速軌道

其次，我們來(lái)看一下自由電子激光：它的原理也很簡(jiǎn)單，就是讓電子在磁場(chǎng)之中震蕩，產(chǎn)生同步輻射，而輻射出波長(cháng)和磁場(chǎng)震蕩周期與電子運動(dòng)速度有關(guān)，因此，我們控制磁場(chǎng)和電子運動(dòng)速度就能獲得想要的波長(cháng)，也就是極紫外線(xiàn)。不過(guò)和同步輻射光源一樣，自由電子激光也需要相當長(cháng)的磁場(chǎng)軌道加速，而且同樣昂貴，在上海建設的硬X射線(xiàn)自由電子激光裝置，整整耗資100億人民幣，這是商業(yè)化光刻機不能承受的成本。

但是，這種光源雖然現在還不合適，但是有望在未來(lái)成為下一代光刻機光源，上海光機所也在積極探索一種名為激光尾波場(chǎng)加速的技術(shù)，可以將自由電子激光加速軌道縮短到幾米，有興趣的讀者可以去自行搜索了解一下。

之后，第三種方式，放電生成等離子體就很簡(jiǎn)單粗暴，就是直接將氙、錫等材料放入電極之中電離，這些材料在變?yōu)榈入x子體的時(shí)候就會(huì )放出極紫外線(xiàn)，這之中氙是最理想的材料，因為它是氣體，不會(huì )污染電極，但是氙有一個(gè)致命的缺點(diǎn)，就是極紫外線(xiàn)轉化率很低，只有1%，大量能量會(huì )變成其他波長(cháng)的光線(xiàn)輻射出來(lái)。而錫就沒(méi)有這個(gè)問(wèn)題，其在電離中的輻射光的峰值就出現在極紫外波段，轉化率可以提高的2%，但是這又引來(lái)了另一個(gè)問(wèn)題，錫是固體，在電離過(guò)程中飛濺的碎片會(huì )污染設備，這要如何解決呢？這就是目前唯一商業(yè)化的解決方案，激光產(chǎn)生等離子體。

最后，我們來(lái)介紹一下第四種，也是唯一成熟的極紫外光產(chǎn)生方式，激光產(chǎn)生等離子體。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是用高能量的激光轟擊微小的錫液滴（30微米左右），使其瞬間等離子體化，同時(shí)放出極紫外線(xiàn)。目前ASML的EUV光刻機使用的是二氧化碳激光器來(lái)作為激光光源，其工作原理如下：錫液發(fā)生器將錫加熱融化，使錫液滴落入真空室，這時(shí)，激光發(fā)生器會(huì )先發(fā)出一道能量稍弱的激光擊中錫液滴，這發(fā)激光的目的是將錫液滴攤平，就像我們烙餅一樣，這樣有助于錫液滴受熱均勻確保完全蒸發(fā)，第二道強激光會(huì )接踵而至（這種打兩道激光的方法，即ASML的預脈沖技術(shù)），使得“錫餅”瞬間加熱等離子化，同時(shí)放出極紫外光，真空室內的收集鏡捕獲等離子體向所有方向發(fā)出的極紫外輻射，匯聚形成光源，極紫外光會(huì )被傳遞至光刻系統以曝光晶片。