EUV光刻，新的對手

最近，美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗室（LLNL）宣布開(kāi)發(fā)出了一種名稱(chēng)為大孔徑銩（BAT）激光器，這種激光器比現在行業(yè)內的標準 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」的光刻系統鋪平道路，從而生產(chǎn)出更小、更強大、制造速度更快、同時(shí)耗電量更少的芯片。簡(jiǎn)而言之，美國開(kāi)發(fā)的新一代 BAT 激光器，遠超現在的 EUV 光刻，能夠將效率提升 10 倍。

EUV 光刻有多強？

目前來(lái)看，沒(méi)有 EUV 光刻，業(yè)界就無(wú)法制造 7nm 制程以下的芯片。

EUV 光刻機也是歷史上最復雜、最昂貴的機器之一?！缎酒顺保杭{米工藝背后的全球競爭》一書(shū)中有描述：一臺 EUV 光刻機的零件超過(guò) 10 萬(wàn)個(gè)，重達 180 噸，需要用 40 個(gè)集裝箱來(lái)運輸，光刻機的安裝調試都要超過(guò)一年時(shí)間。阿斯麥在剛開(kāi)始時(shí)只能年產(chǎn)二三十臺 EUV 光刻機，到目前也不過(guò)增加到四五十臺。

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 NIST 發(fā)布了一個(gè)有關(guān) EUV 光刻機的重磅報告，他們在其中也分析了 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(cháng)僅為 13.5 納米，遠遠小于可見(jiàn)光，因此產(chǎn)生和維持如此短波長(cháng)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)生器內熔化，該儀器在真空室中每分鐘連續產(chǎn)生超過(guò) 300 萬(wàn)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)連續脈沖照射錫液滴，分別使液滴成形并電離。但這個(gè)過(guò)程中，需要巨大的激光能力，還需要復雜冷卻系統和真空環(huán)境維持穩定運行。

在光源方面，美國的 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 EUV 光源相關(guān)工作，由 ASML 于 2012 年收購。

為了保護 EUV 光源技術(shù)，美國工業(yè)和安全局（BIS）在 2022 年 10 月，發(fā)布了一項規則——87 FR 62186，對包括極紫外光刻在內的技術(shù)進(jìn)行出口管制。

第二，光學(xué)系統方面。

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

第三，掩模技術(shù)方面。

掩膜版又稱(chēng)光罩、光掩膜、光刻掩膜版等，是微電子制造過(guò)程中的圖形轉移工具或母版，是承載圖形設計和工藝技術(shù)等知識產(chǎn)權信息的載體。

EUV 掩膜版是整個(gè)光學(xué)系統的極為重要的一環(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，嚴格控制每層膜的厚度誤差以避免 EUV 光的損耗。

在這方面，國際領(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(kāi)始與 IBM、格羅方德半導體、三星聯(lián)合開(kāi)發(fā)高端掩模版技術(shù)，從最初的 45nm 制程節點(diǎn)發(fā)展至目前的 2nm 制程節點(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(guān)上呈現為膠狀液體。到目前為止，用于 EUV 光刻的大多數光刻膠都是基于 KrF 和 ArF 光刻膠平臺的化學(xué)放大光刻膠。

在相同條件下，光刻膠吸收的 EUV 光子數量?jì)H為 DUV 193nm 波長(cháng)的 1/14。這就要求要么在 EUV 波段創(chuàng )造出極強的光源，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，因為在 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 )導致線(xiàn)邊緣粗糙度（LER）增加。例如，當光刻膠對 EUV 光響應過(guò)于敏感，在光化學(xué)反應過(guò)程中，可能會(huì )使圖案邊緣的反應不均勻，造成線(xiàn)條邊緣不平整。

另一方面是敏感度要求高且精確。因為 EUV 光源的功率有限，且光刻過(guò)程需要在短時(shí)間內完成大量圖案的曝光，如果光刻膠敏感度不夠，就需要延長(cháng)曝光時(shí)間或者增加光強，這會(huì )影響生產(chǎn)效率和設備壽命。但是，敏感度又不能過(guò)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。舉個(gè)例子，在光刻車(chē)間的照明環(huán)境中，如果光刻膠過(guò)于敏感，可能會(huì )因為車(chē)間內的一些非 EUV 光源的微弱光線(xiàn)而提前發(fā)生反應，影響光刻質(zhì)量。

EUV 光刻的挑戰者們

納米壓印光刻（NIL）技術(shù)

納米壓印與光學(xué)光刻流程對比

納米壓印光刻（NIL）技術(shù)是挑戰 EUV 的老對手了。

NIL 的原理和傳統的光刻技術(shù)是本質(zhì)性的不同。納米壓印是用機械變形－壓印來(lái)形成圖案，將預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制出模具上的結構圖案。

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(lái)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(guò)程。

能夠成為 EUV 的挑戰者，NIL 自然是有自己的優(yōu)勢。

第一是分辨率高，從理論上可以實(shí)現極高的分辨率，目前報道的加工精度已經(jīng)達到 2 納米，超過(guò)了傳統光刻技術(shù)達到的分辨率。

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

第三是工藝簡(jiǎn)單、效率高，EUV 光刻需要千瓦級激光器將熔融的錫滴噴射成等離子體等一系列復雜操作，而 NIL 將復制掩模直接壓在涂有液態(tài)樹(shù)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使用，且操作步驟相對較少。

2024 年，佳能的首臺納米壓印光刻機也出貨了，交付的對象是美國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 FPA-1200NZ2C，可實(shí)現最小 14nm 線(xiàn)寬的圖案化，支持 5nm 制程邏輯半導體生產(chǎn)。

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

自由電子激光（FEL）技術(shù)

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

不過(guò)，這項技術(shù)也與前文提到的激光器類(lèi)似，解決的是 EUV 光源的問(wèn)題。

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

在這方面，德國、美國、中國都有相關(guān)研究。

電子束光刻（E - beam Lithography）

電子束光刻（e-beam lithography；EBL）是無(wú)掩膜光刻的一種，它利用波長(cháng)極短的聚焦電子直接作用于對電子敏感的光刻膠（抗蝕劑）表面繪制形成與設計圖形相符的微納結構。

EUV 光刻機產(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)解決的是光刻機對光學(xué)鏡頭的依賴(lài)。

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

目前，國內松山湖材料實(shí)驗室精密儀器研發(fā)團隊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。據官方報道，基于自主研制的掃描電鏡主機，完成電子束光刻機工程樣機研制，并開(kāi)展功能驗證工作。通過(guò)對測試樣片的曝光生產(chǎn)，可以繪制出高分辨率的復雜圖形。

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(guò)程中光刻限制的技術(shù)。

多重圖案化技術(shù)的核心原理是將復雜的芯片圖案分解為多個(gè)相對簡(jiǎn)單的圖案，通過(guò)多次光刻和蝕刻工藝來(lái)實(shí)現最終的精細圖案。例如，在雙圖案化（double - patterning）技術(shù)中，對于一個(gè)原本需要單次光刻實(shí)現的精細間距圖案，先光刻和蝕刻出圖案的一部分，然后通過(guò)一些工藝調整（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(lái)，最終組合成完整的精細圖案。

之所以能夠成為 EUV 光刻的挑戰者，多重圖案化的優(yōu)勢在于：第一，成本低。在現有的成熟光刻設備（如深紫外光刻，DUV）基礎上進(jìn)行的工藝創(chuàng )新，避免了對 EUV 光刻設備的依賴(lài)，從而降低了芯片制造前期的設備投資成本。第二，工藝成熟度相對較高。因為是在傳統光刻工藝基礎上發(fā)展而來(lái)的，現在 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有的工藝步驟和設備集成。

目前多重圖案化技術(shù)的研究者包括：英特爾、臺積電、三星。不過(guò)，多重圖案化技術(shù)通常依賴(lài)于復雜的圖案化堆疊和集成方案，而這些方案通常伴隨著(zhù)性能和良率問(wèn)題，以及對晶圓設計的限制——并且成本和周期時(shí)間明顯增加。如果使用 193nm 波長(cháng)光刻系統在芯片上對特征進(jìn)行圖案化，當到達 5nm 時(shí)，使用多重圖案化已經(jīng)非常困難了。