光刻機(jī)發(fā)展探析

半導(dǎo)體制造光刻機(jī)發(fā)展探析摘要半導(dǎo)體制造中的光刻機(jī)技術(shù)發(fā)展歷程是一個(gè)充滿挑戰(zhàn)和創(chuàng)新的故事。光刻機(jī)作為集成電路制造的核心設(shè)備，其技術(shù)進(jìn)步直接關(guān)系到芯片制造的精度和性能。從最初的接觸式光刻機(jī)到現(xiàn)在的極紫外光（EUV）光刻技術(shù)，光刻機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了多個(gè)階段，不斷推動(dòng)著摩爾定律的實(shí)現(xiàn)和信息技術(shù)的發(fā)展。關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體制造；光刻機(jī)；發(fā)展；紫極外光源

目錄TOC\o"1-3"\h\u29270引言 156711、光刻機(jī)的介紹 1128142、光刻機(jī)專(zhuān)利的發(fā)展 2324382.1接觸式光刻機(jī)專(zhuān)利發(fā)展 3215842.2接近式光刻機(jī)專(zhuān)利發(fā)展 327492.3光學(xué)光刻機(jī)專(zhuān)利發(fā)展 4173992.4EUV光刻機(jī)專(zhuān)利發(fā)展 5154183、極紫外光源光刻 6315663.1背景 6193093.2極紫外光源 7256463.3等離子體 11110023.4現(xiàn)狀與挑戰(zhàn) 12240915、中國(guó)目前光刻機(jī)研究進(jìn)程和獨(dú)立自主生產(chǎn)光刻機(jī)面臨的困境 13159016、結(jié)束語(yǔ) 1416918參考文獻(xiàn) 14引言光刻機(jī)是半導(dǎo)體制造過(guò)程中的關(guān)鍵設(shè)備，它的作用是在硅片表面形成微小的圖案，這些圖案是構(gòu)成半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。隨著半導(dǎo)體器件尺寸的不斷減小，光刻機(jī)的技術(shù)也在不斷進(jìn)步，已經(jīng)成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)之一。在過(guò)去的幾十年中，光刻機(jī)技術(shù)經(jīng)歷了多次革命性的變革。最初的光刻機(jī)使用紫外光作為曝光光源，能夠制造出的最小圖案尺寸大約為1微米。隨著半導(dǎo)體器件尺寸的不斷減小，紫外光光刻機(jī)已經(jīng)無(wú)法滿足制造需求，因此出現(xiàn)了使用極紫外光和電子束的光刻機(jī)。這些新型光刻機(jī)能夠制造出的最小圖案尺寸已經(jīng)達(dá)到了幾個(gè)納米級(jí)別，使得半導(dǎo)體器件的性能得到了極大的提升。光刻機(jī)的制造和維護(hù)需要高度的技術(shù)水平和專(zhuān)業(yè)的團(tuán)隊(duì)。光刻機(jī)的制造涉及到許多高精度的部件和復(fù)雜的系統(tǒng)，需要精密的加工和裝配。同時(shí)，光刻機(jī)的維護(hù)也需要專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員進(jìn)行，因?yàn)楣饪虣C(jī)的運(yùn)行需要高度的穩(wěn)定性和可靠性。光刻機(jī)技術(shù)的發(fā)展對(duì)于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。光刻機(jī)技術(shù)的進(jìn)步使得半導(dǎo)體器件的性能得到了極大的提升，推動(dòng)了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。未來(lái)，隨著光刻機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，半導(dǎo)體器件的性能將會(huì)得到更高的提升，也將進(jìn)一步推動(dòng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。1、光刻機(jī)的介紹光刻機(jī)是一種在微電子制造過(guò)程中使用的精密設(shè)備，主要用于將電路圖案從掩膜（mask）轉(zhuǎn)移到硅片上。它是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中不可或缺的核心設(shè)備之一，對(duì)于生產(chǎn)高性能、高集成度的集成電路（IC）至關(guān)重要。光刻機(jī)的主要組成部分包括光源、掩膜、投影系統(tǒng)、硅片傳輸系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。其中，光源是產(chǎn)生光線的裝置，掩膜上刻有電路圖案，投影系統(tǒng)負(fù)責(zé)將掩膜上的圖案精確地投影到硅片上，硅片傳輸系統(tǒng)負(fù)責(zé)將硅片精確地定位和傳輸，控制系統(tǒng)則負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各個(gè)部分的工作。光刻機(jī)的工作原理是利用光學(xué)原理，將掩膜上的圖案通過(guò)光線投影到硅片上，再通過(guò)化學(xué)或物理方法將圖案轉(zhuǎn)移到硅片上。具體來(lái)說(shuō)，光刻機(jī)首先將掩膜放置在光源和硅片之間，然后通過(guò)光源產(chǎn)生的光線穿過(guò)掩膜，將掩膜上的圖案投影到硅片上。接著，光刻機(jī)會(huì)在硅片上涂覆一層光敏材料，稱(chēng)為光刻膠。光刻膠在光線的照射下會(huì)發(fā)生化學(xué)變化，經(jīng)過(guò)顯影、定影等處理，最終將掩膜上的圖案轉(zhuǎn)移到硅片上。光刻機(jī)的技術(shù)指標(biāo)包括分辨率、套刻精度、曝光速度和硅片尺寸等。分辨率是指光刻機(jī)能夠分辨的最小圖案尺寸，套刻精度是指在不同層次的光刻過(guò)程中，各個(gè)層次之間的對(duì)準(zhǔn)精度。曝光速度是指完成一次曝光所需的時(shí)間，硅片尺寸則是指光刻機(jī)能夠處理的硅片大小。光刻機(jī)的應(yīng)用范圍非常廣泛，包括集成電路、光電子器件、MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）等領(lǐng)域。隨著科技的不斷發(fā)展，光刻機(jī)的技術(shù)也在不斷進(jìn)步，目前已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)7nm甚至更小尺寸的電路制造。光刻機(jī)的研發(fā)和制造是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中的重要環(huán)節(jié)，也是衡量一個(gè)國(guó)家半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平的重要指標(biāo)之一。2、光刻機(jī)專(zhuān)利的發(fā)展光刻機(jī)作為制造芯片的關(guān)鍵設(shè)備，其技術(shù)進(jìn)步直接關(guān)系到芯片的制程水平和性能。在光刻機(jī)的發(fā)展過(guò)程中，光源的選擇和使用是一個(gè)關(guān)鍵因素。例如，最初的光刻機(jī)使用的是波長(zhǎng)為436nm的g-Line光源，隨后發(fā)展到使用波長(zhǎng)為365nm的汞燈光源。這些技術(shù)的發(fā)展提高了芯片制造的精度，使得晶體管的大小不斷縮小。極紫外光（EUV）光刻技術(shù)是目前最先進(jìn)的技術(shù)，它使用波長(zhǎng)為13.5nm的光源，能夠制造出3nm精度的芯片。這種技術(shù)的發(fā)展展現(xiàn)了人類(lèi)對(duì)于技術(shù)和極致的追求。極紫外光光刻技術(shù)的專(zhuān)利申請(qǐng)自1998年以來(lái)呈現(xiàn)穩(wěn)定增長(zhǎng)的趨勢(shì)，其中阿斯麥（ASML）、蔡司和尼康是該領(lǐng)域內(nèi)專(zhuān)利申請(qǐng)的主要擁有者。從全球?qū)＠季謥?lái)看，日本、美國(guó)、韓國(guó)和中國(guó)是相關(guān)專(zhuān)利布局最多的國(guó)家。這些國(guó)家的市場(chǎng)活躍度、研發(fā)熱度以及產(chǎn)業(yè)布局成本和收益都是專(zhuān)利布局時(shí)需要考慮的因素。在前沿光刻技術(shù)領(lǐng)域，中國(guó)企業(yè)的研究起步較晚，專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量相對(duì)較少，但近年來(lái)也在逐步增長(zhǎng)。圖1（網(wǎng)絡(luò)版彩圖）不同光刻原理示意圖2.1接觸式光刻機(jī)專(zhuān)利發(fā)展按照曝光方式進(jìn)行劃分，光刻機(jī)可以分為接觸式、接近式和投影式[6].早期的光刻機(jī)主要是接觸式光刻機(jī)和接近式光刻機(jī)。1961年，美國(guó)GCA公司推出了第1臺(tái)接觸式光刻機(jī)，拉開(kāi)了光刻設(shè)備生產(chǎn)的序幕。接觸式光刻技術(shù)是小規(guī)模集成電路時(shí)期主要使用的光刻技術(shù)，通過(guò)控制掩模版和晶圓之間的真空度，實(shí)現(xiàn)二者的緊密接觸，并且一次性曝光整個(gè)襯底，如圖1（a）所示。接觸式光刻能夠有效減少光的衍射效應(yīng)，但是會(huì)導(dǎo)致掩模版與晶圓上的光刻膠直接接觸，容易受到污染，且二者間的摩擦也會(huì)導(dǎo)致掩模版的使用壽命顯著降低、晶圓良率受到限制[1]。2.2接近式光刻機(jī)專(zhuān)利發(fā)展為了解決接觸式光刻帶來(lái)的問(wèn)題，20世紀(jì)70年代集成電路制造產(chǎn)業(yè)廣泛應(yīng)用接近式光刻技術(shù)，掩模版與晶圓之間并未實(shí)現(xiàn)緊密接觸，而是存在一層被氮?dú)馓畛涞拈g隙，使得掩模版不再容易受到損傷，如圖1(b)所示。對(duì)于接近式曝光，其最小分辨尺寸與間隙成正比，間隙越小，最小分辨尺寸越小，分辨率也就越高。但是，接近式光刻的主要缺點(diǎn)在于掩模版和晶圓之間的間隙會(huì)導(dǎo)致光產(chǎn)生衍射效應(yīng)，影響最終曝光的成像質(zhì)量，因此接近式光刻機(jī)的分辨率要略低于接觸式光刻機(jī)。但是，接觸式/接近式光刻機(jī)的極限分辨率均停留在微米級(jí)，難以滿足日益減小的特征尺寸需求。2.3光學(xué)光刻機(jī)專(zhuān)利發(fā)展1973年，美國(guó)的PerkinElmer公司推出了世界上首臺(tái)投影式光刻機(jī)Micralign100，分辨率為2μm，且投影式光刻下的對(duì)稱(chēng)光路設(shè)計(jì)可以消除球面鏡產(chǎn)生的大部分像差，讓芯片生產(chǎn)的良率從10%提升到了70%。早期的投影式光刻機(jī)為掃描投影曝光，投影成像比例為1:1，通過(guò)一次掃描過(guò)程完成整個(gè)硅片的曝光，屬于逐片曝光的方式.由于晶圓尺寸每隔幾年就會(huì)增加，因此這種逐片曝光的方式持續(xù)存在的問(wèn)題是設(shè)計(jì)能夠在越來(lái)越大的區(qū)域上形成精確圖像的光學(xué)器件，且1:1的投影成像比例使得更加精細(xì)的掩模版制作難度顯著提升[2]。為了滿足芯片生產(chǎn)的更高要求，1978年，美國(guó)GCA公司推出了世界上第1臺(tái)步進(jìn)重復(fù)式光刻機(jī)，硅片表面上存在若干個(gè)曝光場(chǎng)，每個(gè)曝光場(chǎng)完成曝光后，硅片臺(tái)進(jìn)行步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，使得下一個(gè)曝光場(chǎng)得以繼續(xù)曝光.該光刻機(jī)的投影成像比例為10:1，開(kāi)啟了光刻機(jī)縮小倍率成像的時(shí)代，并經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，形成了現(xiàn)在廣泛使用的4:1投影成像比例.步進(jìn)重復(fù)式光刻機(jī)基本能夠滿足0.25μm以上線寬制程的工藝要求，目前仍然應(yīng)用在芯片非關(guān)鍵層、封裝等精度要求相對(duì)較低的領(lǐng)域.當(dāng)集成電路工藝制程達(dá)到0.25μm后，由于較大視場(chǎng)成像的局限性以及對(duì)高分辨率、低像差和低畸變的需求，步進(jìn)掃描式光刻機(jī)逐步引入并取代步進(jìn)重復(fù)式光刻機(jī).1990年，美國(guó)SVGL公司推出世界上首臺(tái)步進(jìn)掃描式光刻機(jī)MicrascanI[3]。光刻機(jī)設(shè)備的上述發(fā)展路線總結(jié)如圖2所示。圖2(網(wǎng)絡(luò)版彩圖)國(guó)際上光刻機(jī)發(fā)展歷程1990年至今的三十余年間，集成電路制造工藝水平發(fā)生了翻天覆地的變化，為了滿足先進(jìn)制程的各項(xiàng)要求、市場(chǎng)需求的不斷擴(kuò)大，更加高效地制造出具有更小線寬的高端集成電路，光刻機(jī)也經(jīng)歷了眾多技術(shù)上的重大革新，分辨率的不斷提高和產(chǎn)率的不斷提升，也成為光刻機(jī)不斷演進(jìn)的主線。2.4EUV光刻機(jī)專(zhuān)利發(fā)展最早期的光刻機(jī)采用汞燈產(chǎn)生的紫外光源(ultraviolet，UV)，如g線(波長(zhǎng)436nm)、i線(波長(zhǎng)365nm)光源，能夠應(yīng)用于250nm以上的制程節(jié)點(diǎn).隨后，光刻機(jī)使用的光源從紫外光向波長(zhǎng)更短的深紫外光(deepultraviolet，DUV)邁進(jìn)，1995年日本Nikon公司推出其首臺(tái)步進(jìn)掃描式光刻機(jī)NSRS201，首次在光刻機(jī)上使用波長(zhǎng)248nm的KrF光源，分辨率達(dá)到250nm.此后，KrF光源的光刻機(jī)不斷將制程節(jié)點(diǎn)推進(jìn)到180～130nm，目前日本Canon公司最先進(jìn)的KrF光源光刻機(jī)甚至可以實(shí)現(xiàn)90nm制程.1999年前后，Nikon，ASML，Canon，SVG等公司均開(kāi)始推出采用波長(zhǎng)193nm的ArF光源的光刻機(jī)，并最終使得制程節(jié)點(diǎn)達(dá)到130～65nm[4]。在此之后的很長(zhǎng)一段時(shí)間，光源的波長(zhǎng)一直基本停滯在193nm的水平，提升光刻分辨率的主要方式為改良投影物鏡，進(jìn)而提升數(shù)值孔徑NA.為了進(jìn)一步提升光刻分辨率，DUV光刻技術(shù)也逐漸演化成兩條發(fā)展方向，一是以Nikon為代表的使用波長(zhǎng)更短的F2準(zhǔn)分子光源(157nm)，但由于材料兼容性、技術(shù)成熟度和成本效益的限制，這種方案最終走向衰落;另一種方案是ASML采用的最早由臺(tái)積電林本堅(jiān)博士提出的浸沒(méi)式構(gòu)想，在投影物鏡的最后一片透鏡與硅片之間填充去離子水，由于去離子水的折射率為1.436，原本波長(zhǎng)193nm的光經(jīng)過(guò)折射后的等效波長(zhǎng)即為134nm，不僅小于F2準(zhǔn)分子光源的157nm，也更容易集成到已有的制造工藝中，有著巨大的應(yīng)用前景.值得一提的是，浸沒(méi)式光刻構(gòu)想產(chǎn)生的年代，IBM公司也曾探索使用X-ray光刻技術(shù)，其雖然理論上能夠達(dá)到更高的分辨率，但是由于光源穩(wěn)定性、掩模技術(shù)的復(fù)雜性，以及高昂的整機(jī)成本，最終并未內(nèi)在商業(yè)應(yīng)用中取得主導(dǎo)地位。2004年，ASML推出首臺(tái)商用浸沒(méi)式光刻機(jī)TWINSCANXT1250i，并從浸沒(méi)式光刻機(jī)開(kāi)始，至今一直占據(jù)著中高端的光刻機(jī)市場(chǎng).伴隨著投影物鏡的不斷改進(jìn)，浸沒(méi)式光刻機(jī)目前數(shù)值孔徑最高可達(dá)1.35，能夠?qū)崿F(xiàn)低于38nm的分辨率，結(jié)合多重圖形技術(shù)甚至能夠?qū)崿F(xiàn)7nm制程集成電路的量產(chǎn).此處提到的多重圖形(multiplepatterning)技術(shù)，對(duì)光刻工藝實(shí)現(xiàn)更小線寬起到重要作用，例如光刻–刻蝕–光刻–刻蝕(litho-etch-litho-etch，LELE)技術(shù)，通過(guò)將光刻圖形拆分到兩個(gè)光掩模上，通過(guò)兩次曝光降低線寬，在此基礎(chǔ)上還發(fā)展出3次曝光的LELELE技術(shù)[5]。在DUV光源的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)20多年的研發(fā)和探索，波長(zhǎng)為13.5nm的極紫外光(extremeultraviolet，EUV)成功應(yīng)用于光刻領(lǐng)域，是目前最為先進(jìn)的光刻機(jī)光源.如今，ASML是唯一一家能夠生產(chǎn)EUV光刻機(jī)的廠商，從2010年第1代樣機(jī)NXE:3100，到2013年第1臺(tái)商業(yè)化產(chǎn)品NXE:3300B，再到如今最先進(jìn)的適用于3nm制程的NXE:3600D，EUV光刻機(jī)為摩爾定律的延續(xù)提供了重要支撐，使得半導(dǎo)體行業(yè)能夠繼續(xù)朝著更高的集成度和性能發(fā)展。3、極紫外光源光刻3.1背景從光源發(fā)展情況來(lái)看，光刻機(jī)經(jīng)過(guò)了五次波長(zhǎng)迭代。從最初紫外波段的高壓放電汞燈g-line（436nm）到i-line（365nm），再發(fā)展到深紫外波段的準(zhǔn)分子激光器KrF（248nm）以及ArF（193nm），目前最先進(jìn)的極紫外光刻機(jī)采用13.5nm（2%帶寬）的極紫外光（EUV），其光源波長(zhǎng)縮小到了g-line的1/30。此外，非球面鏡頭制造能力的提升也在不斷刷新數(shù)值孔徑的極限，g-line光刻機(jī)誕生之初數(shù)值孔徑NA只有0.28，而目前荷蘭阿斯麥（ASML）公司最先進(jìn)的干式深紫外（DUV）光刻機(jī)NXT：1470搭載的投影物鏡NA已經(jīng)達(dá)到了0.93。Lin提出浸沒(méi)式光刻的概念后，ASML公司通過(guò)在透鏡和光刻膠中間填入去離子水，利用去離子水折射率比空氣高的特性，制作了等效NA為1.35的浸沒(méi)式光刻機(jī)，該系列目前最先進(jìn)的機(jī)型NXT：2050i每小時(shí)可曝光295片300mm的晶圓。EUV光刻機(jī)的光源處在極紫外光波段，只能依靠反射鏡設(shè)計(jì)，NA有所降低，ASML公司目前最先進(jìn)機(jī)型NXE3600D的NA為0.33，未來(lái)計(jì)劃將NA提升到0.55[6]。臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)臺(tái)積電公司，TSMC）和三星公司（Samsung）在7nm的技術(shù)節(jié)點(diǎn)引入了極紫外光刻（EUVL），三星公司通過(guò)對(duì)比單次EUV曝光和DUV浸沒(méi)式多次曝光發(fā)現(xiàn)，前者在成像質(zhì)量、設(shè)計(jì)難度、良率和成本各方面均優(yōu)于后者，這也標(biāo)志著先進(jìn)半導(dǎo)體制程正式進(jìn)入EUVL時(shí)代。此外，TSMC和三星公司已實(shí)現(xiàn)了5nm半導(dǎo)體制程量產(chǎn)，且均使用了EUVL。如海思半導(dǎo)體的麒麟（Kirin）9000系列芯片以及蘋(píng)果公司M1芯片和A15仿生芯片均采用了臺(tái)積電公司的5nm工藝，高通公司的驍龍（Snapdragon）888則采用了三星公司的5nm工藝。EUV光刻機(jī)已成為半導(dǎo)體大規(guī)模量產(chǎn)和工業(yè)化不可或缺的設(shè)備，也是未來(lái)工藝制程延續(xù)的保障。EUV光刻機(jī)最關(guān)鍵的六大分系統(tǒng)為EUV光源、照明系統(tǒng)、投影物鏡、掩模臺(tái)、雙工件臺(tái)、對(duì)準(zhǔn)套刻系統(tǒng)，EUV光源是其中最為核心的分系統(tǒng)，也是EUV光刻機(jī)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行的最大難點(diǎn)。因此，本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外眾多機(jī)構(gòu)的研究結(jié)果對(duì)EUV光源的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行歸納總結(jié)，同時(shí)結(jié)合產(chǎn)業(yè)趨勢(shì)對(duì)EUV光源的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。3.2極紫外光源目前商用EUV光刻機(jī)采用13.5nm的EUV光源，為了滿足大規(guī)模量產(chǎn)的需求，其光源系統(tǒng)應(yīng)具有輸出功率高且穩(wěn)定、轉(zhuǎn)換效率高、污染低、維護(hù)成本低等性能。以ASML公司的商業(yè)化光源為例，其平均功率可達(dá)到250W，轉(zhuǎn)換效率為5.5%~6%，收集鏡的反射率衰減每十億發(fā)脈沖小于0.05%，系統(tǒng)可用性高于85%，可實(shí)現(xiàn)每天穩(wěn)定高于2500片300mm晶圓的產(chǎn)量［10］。曾被考慮用來(lái)產(chǎn)生EUV光源的主流方案有同步輻射光源、自由電子激光器（FEL）、激光等離子體（LPP）、放電等離子體（DPP）和激光輔助放電等離子體（LDP）。ASML公司收購(gòu)美國(guó)光源公司CYMER后，LPP成為了其選擇的技術(shù)路線。作為全球唯一的EUV光刻機(jī)生產(chǎn)商，ASML基于LPP原理生產(chǎn)的NXE3600D搭載了功率為250W的EUV光源[7]。此外，日本的光源公司Gigaphoton基于不同的LPP原理也制造出了功率為250W的EUV光源。LPP極紫外光源的運(yùn)行原理是通過(guò)高強(qiáng)度激光與靶材的相互作用，使靶材吸收層被加熱氣化并產(chǎn)生等離子體，由于逆軔致吸收（IBA）等離子體持續(xù)被加熱，同時(shí)釋放出超寬光譜輻射。在熱平衡狀態(tài)下，可通過(guò)黑體輻射理論解釋特定波長(zhǎng)和溫度之間的關(guān)系，產(chǎn)生EUV光刻所需中心波長(zhǎng)λmax處于13.5nm附近的溫度Te（單位為eV）可以通過(guò)維恩位移定律（Wien’sdisplacementlaw）計(jì)算，約為20eV（太陽(yáng)表面溫度的40倍）［17］。中心波長(zhǎng)可表示為：λmax≈250/Te。（1）對(duì)比Te的理論數(shù)值與實(shí)際數(shù)值發(fā)現(xiàn)，二者之間存在較大的差距。實(shí)驗(yàn)中Te的溫度范圍為30~100eV。Rollinger對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行了解釋?zhuān)琍oirier等根據(jù)典型EUV等離子體參數(shù)獲得的閾值電子密度和臨界電子密度不一致，也表明在等離子體羽流的主要部分不滿足局部熱平衡。在非局部熱平衡狀態(tài)下，除了電子碰撞，其他過(guò)程也非常重要，如碰撞輻射體系，這也是動(dòng)力學(xué)溫度并不等于輻射普朗克溫度的原因。ASML公司商用化的EUV光刻機(jī)光源采用了雙脈沖激發(fā)方案。其作用過(guò)程可以分為4步：1）錫液滴產(chǎn)生器將大小適宜且高速穩(wěn)定的錫液滴供給作用區(qū)域；2）預(yù)脈沖激光精準(zhǔn)轟擊迅速通過(guò)的錫液滴，使其擴(kuò)散成適宜的形狀分布；3）主脈沖激光轟擊，通過(guò)激光激發(fā)等離子體物理機(jī)制產(chǎn)生極紫外光；4）產(chǎn)生的極紫外光被收集鏡收集，經(jīng)過(guò)光譜純化傳輸至光刻系統(tǒng)以曝光晶圓。ASML公司的NXE3400C機(jī)型搭載平均功率為250W的EUV光源，晶圓廠每臺(tái)機(jī)器在20mJ/cm2曝光劑量下能實(shí)現(xiàn)每小時(shí)170片300mm晶圓的產(chǎn)量。借助NXE3600D光刻機(jī)，ASML公司使每臺(tái)機(jī)器在30mJ/cm2曝光劑量下能實(shí)現(xiàn)每小時(shí)160片300mm晶圓的產(chǎn)量，且在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了平均功率為420W的閉環(huán)控制，瞬時(shí)平均功率甚至能達(dá)到530W[8]。光刻光源在光刻系統(tǒng)接口處（IF）的功率可表示為PEUV∝Plaser×XCE×T×(1-XDose)，（2）式中，∝為正比符號(hào)，PEUV和Plaser分別為產(chǎn)生的極紫外光功率和激發(fā)光功率，XCE為由激發(fā)光產(chǎn)生2πsr范圍內(nèi)波長(zhǎng)為13.5nm（帶寬為2%）極紫外光的轉(zhuǎn)換效率（CE），T為考慮收集鏡收集角度、反射率、背景氣體透過(guò)率、光譜純化效率等參數(shù)的整體傳輸效率，1-XDose為滿足特定曝光劑量要求的EUV功率比例。可以發(fā)現(xiàn)，若想提升EUV光源的平均功率，可從提升激發(fā)光功率、提升EUV轉(zhuǎn)換效率、提升整體傳輸效率以及增強(qiáng)光源功率穩(wěn)定性四個(gè)方面入手[9]。目前，極紫外光源（EUV）技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，包括半導(dǎo)體制造、生物成像、材料科學(xué)研究等。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，極紫外光源相關(guān)專(zhuān)利的申請(qǐng)和授權(quán)數(shù)量也在逐漸增長(zhǎng)。從專(zhuān)利申請(qǐng)趨勢(shì)來(lái)看，極紫外光源技術(shù)的專(zhuān)利申請(qǐng)量在過(guò)去幾年中呈現(xiàn)出穩(wěn)定的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。這表明越來(lái)越多的研發(fā)團(tuán)隊(duì)和企業(yè)開(kāi)始關(guān)注并投入到這一領(lǐng)域的研究與開(kāi)發(fā)中。從專(zhuān)利申請(qǐng)人來(lái)看，主要申請(qǐng)人包括一些知名企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)，如三星、臺(tái)積電、ASML等。這些申請(qǐng)人在極紫外光源技術(shù)領(lǐng)域具有較強(qiáng)的研發(fā)實(shí)力和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。從專(zhuān)利技術(shù)構(gòu)成來(lái)看，極紫外光源技術(shù)主要涉及光源產(chǎn)生、光學(xué)系統(tǒng)、光刻機(jī)、生物成像等方面。其中，光源產(chǎn)生和光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)是極紫外光源技術(shù)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是專(zhuān)利申請(qǐng)的熱點(diǎn)?？傮w而言，極紫外光源技術(shù)的專(zhuān)利發(fā)展呈現(xiàn)出積極態(tài)勢(shì)，預(yù)示著該技術(shù)在未來(lái)的應(yīng)用前景廣闊。然而，由于極紫外光源技術(shù)的高難度和復(fù)雜性，專(zhuān)利競(jìng)爭(zhēng)也將愈發(fā)激烈。因此，相關(guān)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)需要不斷加強(qiáng)研發(fā)投入，提高自身專(zhuān)利實(shí)力，以在未來(lái)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)有利地位。根據(jù)光源的波長(zhǎng)，光刻設(shè)備分為第一代（436nm）、第二代（365nm）、第三代（248nm）、第四代（193nm）、第五代（13.5nm），其中第三代、第四代均為深紫外光刻機(jī)（DUV），第五代為極紫外光刻機(jī)（EUV）。EUV光刻設(shè)備制造難度高，機(jī)構(gòu)極其復(fù)雜，一臺(tái)重達(dá)數(shù)十噸，零部件高達(dá)10萬(wàn)多個(gè)，因此研究規(guī)模明顯超越前四代光刻機(jī)。圖1：刻設(shè)備技術(shù)時(shí)間趨勢(shì)（數(shù)據(jù)來(lái)源：上圖上情所研究整理）圖1顯示了EUV光刻技術(shù)國(guó)內(nèi)外專(zhuān)利總體申請(qǐng)趨勢(shì)，可見(jiàn)，EUV光刻設(shè)備專(zhuān)利技術(shù)（藍(lán)色）起步于1986年，1997年以前，發(fā)展較為緩慢。EUV光刻技術(shù)的研發(fā)始于1986年日本電信電話公司（NTT）首先報(bào)道EUV光刻曝光成果。1987年蘇聯(lián)的列別捷夫物理研究所和1988年美國(guó)AT&T的Bell實(shí)驗(yàn)室分別獨(dú)立報(bào)道了其研究成果。從此以后，世界各國(guó)的科學(xué)家在各種項(xiàng)目的資助下開(kāi)展了一系列研究。1997年后，EUV光刻設(shè)備技術(shù)進(jìn)入快速增長(zhǎng)期。1997年，Intel、IBM等聯(lián)合美國(guó)三大國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、勞倫斯·伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室）及其他設(shè)備、材料等研發(fā)機(jī)構(gòu)成立EUV有限責(zé)任公司（EUVlimitedliabilitycompany,EUVLLC），開(kāi)展綜合的上下游、產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的EUV光刻技術(shù)研究，并于2003年成現(xiàn)代光刻機(jī)原型——EngineeringTestStand（ETS）系統(tǒng)。1998年，ASML與Zeiss、牛津儀器等公司合作進(jìn)行EUV光刻關(guān)鍵技術(shù)研究。ASML在充分利用歐洲和美國(guó)研發(fā)成果的基礎(chǔ)上，于2006年推出商用測(cè)試機(jī)AlphaDemoToo（ADT）。2003年專(zhuān)利族數(shù)量出現(xiàn)一個(gè)小高峰。日本為了開(kāi)發(fā)光源技術(shù)及曝光裝置技術(shù)，2001年設(shè)立了EUVA，同年成立以大阪大學(xué)為中心的LeadingProject，與EUVA密切配合進(jìn)行研究。Nikon在2003年研制了小型曝光裝置HiNA，并于2005年報(bào)道其曝光線條，在2008-2009年在Selete安裝一臺(tái)曝光裝置，但于2013年基本退出EUV光刻市場(chǎng)。2012年之后總體呈現(xiàn)穩(wěn)定緩慢增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。2012年臺(tái)積電、Intel、三星三家IC制造巨頭投資ASML進(jìn)行聯(lián)合研發(fā)，三家同時(shí)獲得EUV光刻機(jī)的優(yōu)先獲取權(quán)。2013和2016年，ASML先后向臺(tái)積電發(fā)貨第三代和第四代機(jī)型NXE:3300B和3350B，逐漸受到業(yè)界的認(rèn)可。中國(guó)的EUV光刻設(shè)備技術(shù)萌芽較晚，首件相關(guān)專(zhuān)利于1998年來(lái)自國(guó)外來(lái)華專(zhuān)利申請(qǐng)。由圖可知，在2010年之前國(guó)外來(lái)華申請(qǐng)相較于國(guó)內(nèi)申請(qǐng)量具有較大優(yōu)勢(shì)，國(guó)外來(lái)華申請(qǐng)?jiān)?011-2018年的申請(qǐng)量處于平穩(wěn)狀態(tài)。受2008年國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)實(shí)施“02專(zhuān)項(xiàng)”推動(dòng)，中國(guó)本土技術(shù)發(fā)展從2008年開(kāi)始明顯增長(zhǎng)，在2013年和2015年超過(guò)20件，但之后數(shù)量下降，2018年開(kāi)始重新呈現(xiàn)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，并于2021年專(zhuān)利數(shù)量超過(guò)30件。與此同時(shí)，2019年之后，國(guó)外來(lái)華申請(qǐng)專(zhuān)利數(shù)量明顯減少，分析與中美關(guān)系惡化相關(guān)，美國(guó)推動(dòng)荷蘭對(duì)中國(guó)禁售EUV光刻設(shè)備，我國(guó)開(kāi)始加強(qiáng)EUV光刻技術(shù)的自主研發(fā)，而國(guó)外機(jī)構(gòu)減少對(duì)中國(guó)市場(chǎng)的關(guān)注。圖2：中國(guó)EUV光刻設(shè)備技術(shù)時(shí)間趨勢(shì)（數(shù)據(jù)來(lái)源：上圖上情所研究整理）3.3等離子體LPP方案中驅(qū)動(dòng)光源的選擇至關(guān)重要。激發(fā)光的波長(zhǎng)、脈沖能量均會(huì)影響CE和生成的光源碎屑。CO2激光和Nd∶YAG激光具有功率大、轉(zhuǎn)換效率高且工作穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，成為L(zhǎng)PP驅(qū)動(dòng)光源的熱門(mén)備選方案。Aota等和Endo等用上述兩種激光照射錫（Sn）靶分析不同激光對(duì)CE的影響，結(jié)果表明，相比Nd∶YAG激光，CO2激光的CE更高且產(chǎn)生的碎屑數(shù)量更少、光譜純度更高。LPP方案產(chǎn)生EUV的輻射區(qū)域和激發(fā)光能量沉積區(qū)域如圖3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，相比Nd∶YAG激光，CO2激光脈沖能量沉積區(qū)域與EUV輻射區(qū)域的距離較近，呈光學(xué)薄特性，能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中的損耗更低，只需吸收較少的熱量便可轉(zhuǎn)移至EUV激光能量輻射區(qū)域?；谶@些優(yōu)點(diǎn)，CO2激光成為了業(yè)界主流的LPP驅(qū)動(dòng)光源[10]。圖3不同激光誘發(fā)的激光等離子體EUV輻射區(qū)域與激光能量沉積區(qū)域。（a）Nd∶YAG激光；（b）CO2激光為了達(dá)到產(chǎn)生EUV所需的單脈沖能量和平均功率，目前的主流方案采用了主振蕩器功率放大（MOPA）技術(shù)。實(shí)際應(yīng)用中，振蕩器方面：ASML公司使用射頻泵浦電光腔倒空CO2激光器作為振蕩器，可獲得較高功率的CO2激光且技術(shù)相對(duì)成熟；Gigaphoton公司使用了多線放大技術(shù)即量子級(jí)聯(lián)激光器（QCL），可精確控制輸出激光的波長(zhǎng)和線寬；俄羅斯圣彼得堡國(guó)家信息技術(shù)、機(jī)械學(xué)與光學(xué)研究型大學(xué)（簡(jiǎn)稱(chēng)為圣光機(jī)）使用1.06μm激光器，經(jīng)受激拉曼產(chǎn)生9.1~10.6μm波段的種子光。隔離器方面：為了抑制光的反向傳輸和消除時(shí)域脈沖之間的噪聲光，Gigaphoton公司和俄羅斯圣光機(jī)均使用了SF6可飽和吸收隔離，避免了CO2激光發(fā)生自振蕩與背反射，進(jìn)而損害光學(xué)鏡和隔離器。預(yù)放大器方面：ASML和Gigaphoton公司均采用了射頻激勵(lì)的板條CO2激光放大器作為預(yù)放大器。主放大器方面：Gigaphoton公司采用了三菱重工快橫流激光放大器，ASML公司則利用德國(guó)通快公司提供的高頻率快軸流CO2激光放大器[11]。3.4現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)MOPA的關(guān)鍵技術(shù)是短脈沖CO2激光的放大與隔離。由CO2激光放大的基本原理可知，CO2種子光在功率放大器中的放大效率直接決定了MOPA系統(tǒng)輸出的激發(fā)光功率，也決定了系統(tǒng)輸出EUV光源的平均功率。短脈沖CO2激光增益特性（包括時(shí)間增益和空間增益）的研究和脈沖波形演化是LPPEUV系統(tǒng)的核心研究?jī)?nèi)容。張自豪基于封離式玻璃管的CO2激光開(kāi)展了系統(tǒng)的聲光調(diào)Q實(shí)驗(yàn)，在重復(fù)頻率為1kHz時(shí)，得到的峰值功率為4.5kW，脈沖寬度約為200ns。張冉冉用電光腔倒空的調(diào)制方式產(chǎn)生的脈沖寬度在18ns以內(nèi)。胡志通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了快軸流CO2激光放大器的增益系數(shù)與其放電電流和氣體流速分布的關(guān)系。易翔宇搭建的CO2激光主振放大系統(tǒng)，用功率為4kW的快軸流CO2激光器作為放大器，對(duì)脈沖寬度為300ns左右的機(jī)械調(diào)Q激光進(jìn)行放大，并研究了該放大器對(duì)不同特性種子光的功率放大情況。國(guó)外的研究大多集中在CO2激光的空間增益特性上，如：Polyanskiy等采用啁啾脈沖放大（CPA）技術(shù)將CO2激光放大器的能量提高了1個(gè)數(shù)量級(jí)；Feldman對(duì)10.6μm的CO2激光多線短脈沖在高增益CO2激光放大器中的放大和壓縮進(jìn)行了理論研究；Baeva等研究了放電管氣體湍流和對(duì)流對(duì)增益的影響。CO2激光放大器增益時(shí)域特性研究多使用Frantz-Nodvik（F-N）方程，可用于評(píng)估放大器參數(shù)對(duì)輸出光的影響和分析放大期間的脈沖波形演化。目前對(duì)CO2激光在時(shí)間增益的研究較少，對(duì)在連續(xù)放大器上實(shí)現(xiàn)短脈沖CO2激光放大的動(dòng)力學(xué)過(guò)程研究還不成熟。在快軸流功率放大器實(shí)現(xiàn)更高功率放大方面，還需在短脈沖CO2時(shí)域分析上取得較多的突破。SF6可飽和吸收光隔離器作為目前主流MOPA-CO2激光系統(tǒng)的可飽和吸收光隔離器，適用于大功率MOPA體制的CO2激光放大系統(tǒng)。但還存在著上能級(jí)弛豫時(shí)間較慢和插入損害較大等缺點(diǎn)，目前人們還在尋找更好的新型可飽和吸收材料。張冉冉仿真了石墨烯層數(shù)對(duì)時(shí)域波形演化和透過(guò)率的影響，結(jié)果表明，石墨烯的損傷閾值較小，可作為SF6隔離器的補(bǔ)充。但后續(xù)還需要探尋更多種類(lèi)的新型二維材料，獲得損傷閾值高、吸收系數(shù)大、漂白透過(guò)率高、上能級(jí)弛豫時(shí)間更快的新型材料，從而搭建性能更優(yōu)異的新型可飽和吸收光隔離器。5、中國(guó)目前光刻機(jī)研究進(jìn)程和獨(dú)立自主生產(chǎn)光刻機(jī)面臨的困境光刻機(jī)被譽(yù)為“半導(dǎo)體工業(yè)皇冠上的明珠”，是集成電路制造行業(yè)的核心設(shè)備。中國(guó)已成為全球規(guī)模最大、增速最快的集成電路市場(chǎng)。然而，光刻機(jī)市場(chǎng)被ASML、尼康（Nikon）、佳能（Canon）這三家公司壟斷，特別是ASML在最高端的極紫外（EUV）光刻機(jī)市場(chǎng)上處于絕對(duì)領(lǐng)先地位。在技術(shù)挑戰(zhàn)方面，中國(guó)在光刻機(jī)技術(shù)方面仍面臨諸多挑戰(zhàn)。雖然中國(guó)在DUV和EUV光刻機(jī)的研發(fā)上取得了一定進(jìn)展，但要實(shí)現(xiàn)完全自主生產(chǎn)仍需時(shí)日。例如，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研發(fā)的“高速超精密激光干涉儀”獲得了一定的認(rèn)可，但距離實(shí)際應(yīng)用和商業(yè)化生產(chǎn)還有一段距離。中國(guó)目前在一些關(guān)鍵技術(shù)上仍依賴進(jìn)口，如深紫外光源和物鏡系統(tǒng)的核心部件。在產(chǎn)業(yè)鏈分析方面，光刻機(jī)的生產(chǎn)制造非常復(fù)雜，涉及眾多上游產(chǎn)業(yè)鏈的組件，如光學(xué)鏡頭、光學(xué)光源和雙工件臺(tái)等。中國(guó)在這些關(guān)鍵組件的研發(fā)和生產(chǎn)上還有待加強(qiáng)。目前，全球僅有少數(shù)幾家公司能夠生產(chǎn)光刻機(jī)的光學(xué)鏡頭，這使得中國(guó)在供應(yīng)鏈方面存在一定的依賴性。在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)與封鎖方面，由于國(guó)際政治經(jīng)濟(jì)環(huán)境的變化，中國(guó)在高端光刻機(jī)領(lǐng)域面臨的技術(shù)封鎖和供應(yīng)鏈安全問(wèn)題日益突出。美國(guó)對(duì)華科技封鎖使得中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨挑戰(zhàn)，尤其是在EDA工具、半導(dǎo)體設(shè)備和材料等方面?？傊?，雖然中國(guó)在光刻機(jī)技術(shù)方面取得了一定的進(jìn)展，但要實(shí)現(xiàn)完全獨(dú)立自主生產(chǎn)仍面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)壓力。中國(guó)在提高自主研發(fā)能力、完善產(chǎn)業(yè)鏈、突破關(guān)鍵技術(shù)方面還有很長(zhǎng)的路要走。6、結(jié)束語(yǔ)總的來(lái)說(shuō)，光刻機(jī)技術(shù)的發(fā)展不僅推動(dòng)了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步，也體現(xiàn)了人類(lèi)在精密制造技術(shù)上的不懈追求和創(chuàng)新精神。未來(lái)，光刻機(jī)技術(shù)仍將面臨新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，包括進(jìn)一步提高分辨率、降低成本和提升制造效率等方面，這些都將是推動(dòng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素、參考文獻(xiàn)[1]SteinbuchM，Oomen