提高数值孔径是EUV光刻技术目标之一
光刻是大规模集成电路芯片制备的核心工艺环节，其中，EUV光刻机是服务于7nm 以下制程芯片的设备。生产EUV光刻机的技术壁垒极高，除了光刻机结构的整体设计外，其零部件工艺也是目前光学以及精密机械领域的极限水平。目前EUV光刻的产业化是一个全球顶端供应链的结构，德国的光学镜头、英国的真空设备、美国的激光光源、日本的光刻胶等国际尖端技术，组成了整个EUV光刻机制造的产业链条。
目前全球仅有荷兰ASML公司具有EUV光刻机的生产能力，主要是因为荷兰在欧洲所处的贸易环境，以及欧盟国家具有的相关产业优势，再加上该公司自身出色的设计能力，使其垄断了EUV光刻机的国际市场。
EUV光刻的技术路径梳理
EUV光刻是所有芯片生产的核心步骤，看似简单的一个曝光过程，实际上决定了芯片的整个制程工艺。
芯片制作技术路线
光刻本身的技术路线并不复杂，将已经涂覆好光刻胶的圆晶及制备好的掩模版插入光刻机中，经过扫描仪将掩膜版图像记录后，通过一组投影光学器件进行掩模传输。驱动EUV光源，发出紫外光照射光刻胶。这属于一种步进-扫描式投影曝光技术，其中光刻胶镜头起到了非常重要的作用。EUV光线经过镜头聚焦后，通过整形投射在掩膜版上。高质量的光学镜头能够将掩膜版的图形完整地投影在光刻胶上，光刻胶通过光化学反应得到相应图形，后续再经过刻蚀将在硅基上得到最终的芯片结构。
由于聚焦镜头在光刻中起到了决定性作用，当前的技术发展一个主要的目标就是提高EUV光刻机的数值孔径（NA）。根据瑞利公式，将数值孔径从0.33增加到0.55，可以成比例地提高可实现的临界尺寸——从0.33NA系统的13nm提升到0.55NA系统的8nm。估计在2023年会有第一个0.55NA EUV系统完成研制，该系统将具有一个变形镜头系统，在一个方向上具有4倍的缩小率（与0.33 NA相同），在正交的另一个方向上将具有8倍的缩小率。
EUV光刻机是一套非常复杂的系统，其中主要零部件的数量就超过了10万个。除了规模大，由于光刻机输出条件的严苛要求，要求整个系统具有极高的稳定性，所有部件或者子系统要具备足够的鲁棒性。因此，EUV光刻技术的几乎所有关键环节都是目前物理和机械工艺的极限水平，其生产存在相当大的困难。对于EUV技术开发而言，目前技术卡点主要存在于光源部分、掩膜版、光学镜头、精密控制系统等环节。
在光源部分方面，极紫外光源的发光原理虽然是明确的，但其发光过程需要激光技术、流体控制技术等复杂的环节相互配合。在激发等离子体发光的过程中，如何精确控制激光脉冲、如何降低等离子体气氛中的各种杂质污染物是难点。
在掩膜版方面，掩膜版本身是光刻工艺中的核心环节，决定了芯片微结构的具体形式。掩模版表面多层抗反射膜的制备和防污染问题是目前存在的关键难点。
在光学镜头方面，目前EUV光刻机使用的镜头是一种复杂镜头组合结构，通过不同镜头的特征匹配来抑制像差，另外通过增大通光口径来提高系统的截止频率。每一块镜片必须使用高纯度透光材料，并通过高质量抛光。优质的光学材料是目前面临的一个卡点问题，而超高精度的抛光技术，一方面依赖于高性能抛光设备，另外还与长时间积累的抛光工艺，经验深度相关。
在精密控制系统，作为一个加工设备，EUV光刻机中有两个同步运动的工件台，一个载底片，一个载胶片。两者需始终保持高度同步，误差必须控制在2纳米以下。两个工作台由静到动，加速度非常大，因此控制难度也相当大。而且作为高精度光学设备，环境对其工作性能的影响是不能忽视的。温度、湿度、振动都会影响光学系统的结构，任何一点变化都将导致光路发生偏移，从而影响最终的光刻效果。环境参数的获取，需要高精度、快速响应的传感器件，这也是目前面临的一个卡点。
EUV技术未来的市场前景和技术发展趋势
EUV光刻机并不是应用消费产品，作为高端制造设备，其实际的市场并不会很大。ASML预计今年EUV设备出货量有望达到50台，虽然绝对数量有限，但是因为附加值高，最终的产值会非常可观。随着芯片在各领域的大量使用，芯片制造也成为一个重要的增长点，因此目前ASML的产能还不能满足市场需求。
EUV光刻机投入使用后，又大量催生了EUV曝光设备的需求。就目前的订单数据显示，2025年之前的EUV光刻机需求将逐年创下新纪录。随着芯片制程工艺的提升，台积电和三星已采购大量EUV光刻机，存储芯片制造商SK海力士也已开始采用EUV光刻机，未来5年也将大幅增加采购量，美光科技也计划在2024年开始使用EUV设备。相关芯片生厂商将会进一步推动高端芯片的下游市场活力，进而使得EUV技术的市场前景看好。
关于EUV光刻机未来的发展方向，当前ASML正在探寻NA从0.33向0.55推进，预计2025年后能够进入量产，对 1.5nm及1nm逻辑制程工艺提供支撑，并有望在目前最先进的DRAM制程中得到应用。对于0.55 NA的光刻机而言，仅仅是光刻机系统的更新是不够的。作为一个高协调性的复杂光学设备，光刻机中的任何一个部件变动都需要进行整体性的设计改良，因此为了配合0.55镜头的升级，光掩模、光刻胶叠层和图案转移工艺等方面也需要进行优化，从而确保整个光刻机的性能。
另外，EUV 光刻胶的研发也一直是系统关注的问题，金属氧化物纳米颗粒型光刻胶的研制，是目前极紫外光刻工艺流程中最受关注的一个方向。利用金属团簇核心对极紫外光的高吸收率，以及后续刻蚀过程中的强抗刻蚀性，这种材料非常适合的紫外光刻。解决该类光刻胶的均匀性问题，待制备工艺成熟后将成为EUV光刻的优选光刻胶。
三维掩模成像的研究也是目前EUV技术发展的一个重要方向。结合大NA透镜的结构及光学特性，需要对掩膜版材料进行优化。由于大NA透镜使得光线辐照角度变大，这需要对掩膜吸收层的厚度进行重新优化，确保照明光路的正常。发展更高效的设计算法，推动计算光刻技术的发展也将对EUV整体工艺技术的发展起到推进作用。
EUV光刻领域的明星企业和成长性企业
从全球历年的光刻机出货数据可知， ASML、尼康和佳能三个企业占90%以上的光刻机市场份额。其中ASML一家市场份额就占到了60%以上，且在EUV光刻机领域，ASML是唯一生产商。
EUV光刻机的研制首先离不开大量的资金投入，ASML每年在技术研发环节的投入的资金占销售额的百分之十几甚至更高。另外，EUV光刻机是一个复杂的光机系统，涉及的技术领域宽泛，因此整机的研制过程需要不同领域的研发机构来共同完成。就ASML的产品开发过程而言，从EUV光刻机研发任务一开始提出，就采用了全球合作的发展路线，不仅从技术上集合了欧美各国最先进的光学、机械、控制技术，同时在公司运营发展思路上也采用了并购、控股等灵活的合作形式，来确保能够无门槛、及时地获得最先进技术的支撑。
尼康与佳能虽然目前还没有完整研制出EUV光刻机整机，但这两个公司在光刻机研发生产领域实际上具有很强的技术储备。另外，经过多年的发展，日本在半导体行业具有非常突出的产业生态优势，尼康与佳能也各自构建了完善的半导体业态。再加上日本国内一向对高精尖材料生产链极为重视，在政策支持上也不存在困难，因此尼康和佳能要突破EUV技术瓶颈可能性很大，完成EUV光刻机研发任务是很有希望的。通过一定的资金和技术投入，有能力推出EUV光刻机。
作者丨四川大学电子信息学院教授 张蓉竹
编辑丨陈炳欣
美编丨马利亚
监制丨连晓东
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