EUV光刻机：超精密制造技术皇冠上的明珠

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导 读

中美贸易战以来，美国频频出招，中国左右开弓，双方似乎有来有回。然而在芯片领域，从中兴事件到华为的“禁令”，面对美国的步步紧逼，中国频频落于下风。2018年，为改善芯片领域中突出的制造问题，中芯国际订购了最新型光刻机。然而，美国的再次插手导致了该设备交付遥遥无期。有分析认为该设备的延误或将导致中国芯片制造水平停滞不前，和国外先进水平的代差继续加大。该设备即EUV光刻机，其被誉为“超精密制造技术皇冠上的明珠”。

概 述

半导体芯片作为信息技术产业的基石，在信息技术快速发展和渗透的当下，重要性日益凸显。目前，我国最大的进口项目就是半导体芯片，而且几乎逐年增加，进口金额早已超越石油。

2015~2019年石油、集成电路进口额

半导体芯片产业链庞大，上游设备具备高技术门槛。整个半导体产业链主要包括IC设计、晶圆制造、封装测试等环节，可分为单晶硅片制造、前道工序和后道工序三阶段，如下图所示：

芯片制造流程

在半导体芯片制造流程中，光刻是制作半导体芯片线路的关键制程，光刻工艺决定了半导体芯片线路的线宽，同时也决定了半导体芯片的性能和功耗。半导体芯片制程越先进，光刻设备便需要越精密复杂，因此光刻机被认为是半导体芯片产业中是最关键性的设备之一，各大芯片制造商每年的资本开支中就有30%～40%投入用在了光刻机上。

光刻机基本结构如下图所示，其工作原理跟照相机类似，不过它的底片是涂满光刻胶的硅片，各种电路图案经激光缩微投影曝光到光刻胶上，光刻胶的曝光部分与硅片进行反应，将其永久刻在硅片上。

光刻机基本结构

光刻机通过一系列的光源能量、形状控制手段，将光束透射过画着线路图的掩模，经物镜补偿各种光学误差，将线路图成比例缩小后映射到硅片上，不同光刻机的成像比例不同，有5:1，也有4:1。然后使用化学方法显影，得到刻在硅片上的电路图（即芯片）。一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、激光刻蚀等工序。

光刻机简易原理

光刻机发展较早，经过几十年的发展已经形成了激光直写光刻机、接触/接近式光刻机、投影光刻机等多种类型，光刻机类型如下图所示。

光刻机分类

根据所使用的光源的改进以及双工作台、沉浸式光刻等新型光刻技术的创新与发展，光刻机的发展一共可以分为5代，每次光源的改进都显著提升了光刻机的工艺制程水平，以及生产的效率和良率。

光刻机发展历程

光源

波长（nm）

对应设备

最小工艺节点（nm）

第一代

g-line

436

接触式光刻机

800～250

接近式光刻机

800～250

第二代

i-line

365

接触式光刻机

800～250

接近式光刻机

800～250

第三代

KrF

148

扫描投影式光刻机

180～130

第四代

ArF

193

步进扫描投影光刻机

130～65

浸没式步进扫描投影光刻机

45～22

第五代

EUV

13.5

极紫外光刻机

22～7

资料来源：市场调研

目前最为先进的光刻机就是EUV（Extreme Ultra-violet）光刻机，它以波长为13.5nm纳米的极紫外光作为光源的光刻技术。根据瑞利公式（分辨率=k1λ/NA，其中k代表工艺因子，λ表示波长，NA表示光学系统的数值孔径），这么短的波长可以提供极高的光刻分辨率。

目前EUV光刻机市场属于完全垄断市场，由荷兰的ASML（Advanced Semiconductor Material Lithography）公司独家供应。ASML公司是光刻机领域毋庸置疑的行业龙头，在超高、高、中、低端光刻机领域都拥有超过80%的市场份额，其中在超高端光刻机（EUV光刻机）领域市场份额更是达到了100%。ASML公司EUV光刻机发展历程如下图所示：

ASML公司EUV光刻机发展历程

对于其市场地位的形成，日本一桥大学教授中马宏之指出，ASML光刻机有90%以上零件向外采购（其中至少55%的零部件从美国供应商处采购，并接受定期审查），这一比例远高于竞争对手Nikon和Canon，“这种独特的采购策略，是ASML成为市场领导者的关键。”中马宏之认为，高度外包的策略，让ASML可以快速取得各领域最先进的技术（例如卡尔蔡司公司的镜片、Cymer公司的大功率光源等）并与多方利益绑定，而自己只需专注于客户需求以及系统整合即可。

EUV光刻机特点

由于采用了极紫外光作为光源，EUV光刻机相比之前使用的传统光刻机进行了重大改进，EUV光刻机技术示意图如下所示。

EUV光刻机技术示意图

EUV光刻机主要技术优势如下：

1）更高的光刻分辨率

长久以来，芯片制造商使用193nm波长的光刻技术在晶圆上描绘精细的图案。但实际上，193nm浸没式光刻在80nm间距（40nm半间距）就已经达到了极限。之后，为了进一步缩小间距，芯片制造商开始使用多重图案化技术。虽然多重图案化是有效的，但步骤更多，增加了制造流程的成本和时间。

双重图案化可以增加密度

EUV光刻机采用的是波长为13.5nm纳米的极紫外光，无需额外的分辨率增强技术(如光学光刻中的移相技术、光学邻近校正和离轴照明)就能实现7nm节点，优势突出。

2）生产效率高，光刻工艺简单

EUV能显著减少芯片处理步骤。ASML资料显示采用EUV代替ARF浸渍将大大减少沉积、蚀刻和计量步骤(如下图所示)。

EUV和ArFi芯片处理步骤对比

例如，在7nm节点时，采用多层图案化需要27层掩模层，而采用EUV后，只需要14层掩模层（如下图所示）。

ArFi多层图案化和EUV掩模层数对比（7nm节点时）

同时，目前EUV光刻机也存在着很多问题：

1）耗能巨大，能量利用率低

由于极紫外光能被多种材料吸收（包括空气和光学透镜），因此EUV光刻机进行了两项改进：一是消耗电力把整个光刻环境都抽成真空；二是改变传统透镜集中的方式，采用特制的反射镜集中极紫外光。资料显示极紫外光每被反射一次，能量就会损失三成，极紫外光从光源出发，经过十几次反射，到达晶圆的时候，只剩下不到2%的光线了。

反射集中极紫外光

另外，极紫外光的电光转换效率也十分低，韩国企业海力士曾经说过，极紫外光EUV的能源转换效率只有0.02%左右。

极紫外光的电光转换效率

2）光学系统设计与制造复杂

ASML EUV光刻机采用的是卡尔蔡司旗下的Carl ZeissSMT光学镜片，其精确程度达到皮米（纳米的千分之一）级别。如果把整个镜片放大到德国那么大，其最高突起不能超过一厘米（一个指甲盖的大小）。为实现这样的精确度，EUV需要解决投影系统的精确理论计算、反射镜的纯度和同质性、抛光光滑度、定位精度等一系列问题。它对周围环境因素如大气压、空气湿度、温度的变化也比较敏感，必须采用一定的措施来进行补偿。

卡尔蔡司公司的光学镜片精度控制

3）光罩掩膜版表面缺陷

ASML资料显示，当涉及到光罩区域的清洁度时，ASML主要光刻机产品NXE：3400B每10000次曝光接近1个杂质颗粒物。对于每10000次暴露中甚至不能容忍一个杂质颗粒物的客户，可以选择EUV光罩保护薄膜。这是一种超薄透明膜，覆盖在掩模上，旨在防止杂质颗粒物直接到达掩模。虽然这有助于弥补缺陷，但目前使用薄膜的问题是透光率下降。目前平均透过率只有83%，距离业界超过90-93%的透光率目标差距较大。

光罩掩膜和带保护薄膜的光罩掩膜

EUV光刻机核心技术

EUV光刻机的核心技术包括EUV光源、相关的光学系统等，其中EUV光源关乎光刻机的吞吐量（Throughput），相关的光学系统关乎光刻机的分辨率（Resolution）和套刻误差(Overlay)能力等。以下根据ASML主流光刻机NXE：3400B的资料进行相关技术介绍。

1）EUV光源

NXE：3400B EUV光刻机的光源是通过用高功率CO2激光器激发约30um的锡（Sn）金属液滴，利用高价Sn离子能级间的跃迁获得13.5nm波长的极紫外光，这样的光源被称为激光等离子体光源（Laser Produced Plasma Source）。在生成极紫外光光源时，需要发生两次激光轰击，第一次是CO2激光击中锡液滴使之变形扁平化，第二次是再次轰击变形的液滴激发生成极紫外光光波。最后，没有被击中的液滴将被液滴收集器收集起来。

极紫外光产生原理图

该系统是由美国Cymer公司（2012年被ASML收购）研发而成的，Cymer公司在2014年首次展示了250W的极紫外光光源，该技术被认为使得EUV光刻机成为可能。

NXE：3400B EUV光刻机采用的CO2激光器是由德国TRUMPF公司提供的，可以50 kHz的重复频率产生40 kW的脉冲辐射。该CO2激光器体积庞大，具有两个注入器和四个放大器，必须放置在EUV机器下方的单独地板上。

TRUMPF公司CO2激光器

2）光学系统

EUV光刻机另一项核心技术就是EUV所需要的光学系统。由于传统的透射式光学元件对于极紫外光已经无法提供足够的折射能力，所以需要用到所谓的多层膜反射镜（Multilayer Mirror）。多层膜反射镜是一种布拉格衍射元件，是通过在基底上交替镀上数十层Mo和Si，每一层约为2nm，最后对于13.5nm波长的光在特定入射角度下能实现平均反射率高于40%。

布拉格衍射

NXE3400B光刻机采用的光学系统性能如下表所示：

NXE：3400B光刻机光学系统性能

项目

NXE：3400B

重量（kg）

1600

波长（nm）

13.5

NA

0.33

k1

0.32

分辨率(nm)

13

步进扫描间距(mm)

26*33

每个视场像素

5.1*1012

吞吐量(片/h)

125

数据速率(像素/s)

1.5*1013

资料来源：ZEISS

EUV光刻机内部完整光路如下所示。当极紫外光产生后，首先通过EUV光源收集器收集产生的极紫外光，然后通过一组超精密镜片进一步集中和反射，将光从光源一路导到晶圆。

EUV光源在左下方，而掩模在顶部，晶圆在右下角

未来发展

目前，EUV光学系统已达到0.33的NA。下一代EUA光刻机（ASML宣布该机器为EXE:5000）的NA将达到0.55，可实现小于1.7nm的套刻误差，产能也将提升至每小时185片晶圆以上。根据ASML公布的信息，EXE:5000系列光刻机最快在2021年问世，不过首发的还是样机，估计2022或者2023年左右才能够量产交付给客户。

EXE:5000光刻机

另外，虽然EUV光刻机的技术路线未来发展似乎一片坦途，但一些研究小组也在探索新型光刻技术。德国弗劳恩霍夫协会的两个机构于2016年完成了一项关于“超越EUV”的研究项目。它们探索了针对6.7nm波长光源的反射涂层和等离子体源。2019年，欧洲芯片实验室IMEC研发出一种激光器，该设备可以发出高次谐波光源，且无需卡尔蔡司镜头即可成像。

小 结

近年来，随着我国信息技术的发展和深入，半导体芯片已替代石油，成为我国产业发展、升级的最大瓶颈，半导体芯片领域特别是半导体芯片制造领域的短板时时制约着我国的技术和产业发展。我国由于受制于《瓦森纳协定》，无法复制ASML公司全球采购、强强联合的模式，因此应立足国情，在积极追赶现有技术路线差距的同时大力创新，开创新型技术路线，以实现我国光刻机发展后来居上之目标。

主要参考资料

1.EUV Lithography optics current status and outlook

2.EUV Update for UBS Korea Conference 2019

3.EUV Lithography Coming to your local IC manufacturer!Soon

4.Overview of EUV Lithography

5.How An EUV Light Source Works

6.ASML今年将推新一代EUV光刻机，产能为每小时170片

7.透过ASML（ASML.US）看EUV的未来

8.ASML的EUV极紫外光刻机未来的发展路线

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