當前PC/筆記本、智能手機、移動通信、人工智能、存儲等產業(yè)能發(fā)展如此之快的原因之一是半導體產業(yè)一直在飛速發(fā)展，推動芯片性能不斷增強。其中最先進的智能手機、5G通信芯片、存儲芯片的工藝均是基于7nm工藝，今年下半年基于5nm制造工藝的智能手機、通信網(wǎng)絡、AI、服務器新品將大規(guī)模出現(xiàn)，而光刻機是半導體產業(yè)中最關鍵設備，約占晶圓制造設備的27%，光刻工藝決定了半導體線路的線寬，同時也決定了芯片的性能和功耗。

以光源改進為核心的光刻機發(fā)展歷程

為了實現(xiàn)摩爾定律，光刻技術就需要每兩年把曝光關鍵尺寸(CD)降低30%-50%。根據(jù)瑞利公式：CD=k1*(λ/NA)，我們能做的就是降低波長λ，提高鏡頭的數(shù)值孔徑NA，降低綜合因素k1，才能不斷把曝光關鍵尺寸(CD)降低。根據(jù)光刻機所用光源改進和工藝創(chuàng)新，光刻機經(jīng)歷了5代產品發(fā)展，每次改進和創(chuàng)新都顯著提升了光刻機所能實現(xiàn)的最小工藝節(jié)點。

圖2 ASML 光刻機發(fā)展歷程
資料來源：ASML

第一、二代均為接觸接近式光刻機，曝光方式為接觸接近式，使用光源分別為436nm的g-line和365nm的i-line，接觸式光刻機由于掩模與光刻膠直接接觸，所以易受污染，而接近式光刻機由于氣墊影響，成像精度不高。

第三代為掃描投影式光刻機，利用光學透鏡可以聚集衍射光提高成像質量將曝光方式創(chuàng)新為光學投影式光刻，以掃描的方式實現(xiàn)曝光，光源也改進為248nm的KrF激光，實現(xiàn)了跨越式發(fā)展，將最小工藝推進至180-130nm。

第四代步進式掃描投影光刻機，最具代表性的光刻機產品，1986年由ASML首先推出，采用193nmArF 激光光源，實現(xiàn)了光刻過程中，掩模和硅片的同步移動，并且采用了縮小投影鏡頭，縮小比例達到 5:1，有效提升了掩模的使用效率和曝光精度，將芯片的制程和生產效率提升了一個臺階。2002年以前，業(yè)界普遍認為193nm光刻無法延伸到65nm技術節(jié)點，而157nm將成為主流技術。然而，157nm光刻技術遭遇到了來自光刻機透鏡的巨大挑戰(zhàn)。正當眾多研究者在157nm浸入式光刻面前躊躇不前時，時任TSMC資深處長的林本堅提出了193nm浸入式光刻的概念。2007 年ASML 與臺積電合作開發(fā)成功推出第一臺浸沒式光刻機。193nm 光波在水中的等效波長縮短為 134nm，足可超越 157nm 的極限，193nm 浸入式光刻的研究隨即成為光刻界追逐的焦點， 2010 年， 193nm 液浸式光刻系統(tǒng)已能實現(xiàn) 32nm 制程產品，到2012年，ArF光刻機已經(jīng)最高可以實現(xiàn) 22nm 的芯片制程，浸沒式光刻技術憑借展現(xiàn)出巨大優(yōu)勢，成為 EUV 之前能力最強且最成熟的技術。

第五代光刻機——EUV，所謂EUV，是指波長為13.5nm的光。前四代光刻機使用都屬于深紫外光，但在摩爾定律的推動下，半導體產業(yè)對于芯片的需求已經(jīng)發(fā)展到5nm，甚至是3nm，浸入式光刻面臨更為嚴峻的鏡頭孔徑和材料挑戰(zhàn)。第五代 EUV光刻機，可將最小工藝節(jié)點推進至5nm、3nm。

圖3 光刻機經(jīng)歷了五代發(fā)展
資料來源：ASML

最先進的EUV光源如何產生？

從1970年代開始，許多學術和政府實驗室嘗試通過用激光束轟擊金，鎳以及其他過渡金屬和稀土金屬等元素來產生DUV甚至EUV輻射。在1981年G. O'Sullivan和PK Carroll在都柏林大學工作之后，該領域開始迅速發(fā)展，這表明用超過一定閾值脈沖能量的激光照射稀土和過渡金屬靶會產生強烈的共振發(fā)射，這些發(fā)射位于4至20nm波長范圍內，歸因于等離子體中存在的多電荷金屬離子發(fā)生4d–4f躍遷。一項系統(tǒng)的研究表明，隨著目標原子序數(shù)的增加，這些窄帶發(fā)射的峰值單調移向較短的波長,奧沙利文（O'Sullivan）和卡洛爾（Carroll）還發(fā)現(xiàn)，特別是錫等離子體以中心為13.5 nm的非常強和窄的譜帶發(fā)射。在研究了1990年代的幾種預期技術之后，半導體行業(yè)逐漸達成共識，即15nm左右的極紫外（EUV）波長的光刻技術是最好的前進之路。在很大程度上，這是因為EUV技術保留了晶圓制造商長期以來所熟悉的許多功能，例如電磁輻射的控制以及標線和步進器的使用。

從那時起，學術和公司實驗室就致力于開發(fā)實用，可靠且壽命長的錫等離子體EUV光源，這些努力最終促成了現(xiàn)代EUV系統(tǒng)，該系統(tǒng)特別針對半導體光刻的輻射源，它們通過在超高真空室內照射一束高純度錫細小液滴的流來工作，這些細小液滴以每秒數(shù)萬個液滴的速率發(fā)射，并帶有來自CO2激光器的脈沖，錫滴的瞄準是由監(jiān)控滴流量的高速攝像機控制的，當激光脈沖撞擊錫滴時，它們立即產生以EUV波長輻射的高溫等離子體。輻射由橢圓形收集鏡收集，過濾并從源容器中運出并進入掃描儀單元以進行光刻圖案化，部署實用的LPPEUV光源的主要挑戰(zhàn)是保護輻射收集光學器件免受污染。由鉬和硅薄膜的多層交替堆疊制成的橢圓形收集鏡在真空室內部具有較大的表面積，它離等離子體產生和EUV發(fā)射（主要聚焦）的位置只有幾厘米的距離，它的大小和位置使其特別容易受到激光脈沖燒蝕每個錫滴所產生的污染的影響。激光產生的高峰值功率紅外輻射與熔化的錫滴的相互作用，除產生錫等離子體外，還會產生錫蒸氣和顆粒物質。

EUV光源如下圖所示。LPP光源由幾個主要組件組成：（i）由主振蕩器和功率放大器（MOPA）組成的高功率CO2激光器，（ii）光束傳輸系統(tǒng)（BTS），包括聚焦和光束位置控制；（iii）裝有液滴發(fā)生器，收集器和計量模塊的真空容器。CO2激光聚焦在微滴發(fā)生器輸送的錫微滴上。激光等離子體相互作用發(fā)生在橢圓形收集鏡的主要焦點處，激光液滴對準是通過光學計量模塊和傳感器進行測量的，傳感器提供反饋以保持同步和最佳性能。橢圓鏡透射從等離子體收集的EUV光，并將其通過中間聚焦孔重定向到掃描儀的照明光學器件。

圖4 EUV光源結構圖
資料來源：ASML、OFweek產業(yè)研究院

EUV 光刻的巨大挑戰(zhàn)在于產生13.5 納米的最佳波長輻射。通快激光和ASML解決方案：通過激光照射產生的、發(fā)光的等離子體，其可以提供這種波長極短的輻射。但首先如何產生等離子體？發(fā)生器使錫液滴落入真空室 (3)，接著來自通快的脈沖式高功率激光器 (1) 擊中從旁飛過的錫液滴 (2) ——每秒 50,000 次。錫原子被 電離，產生高強度的等離子體。收集鏡捕獲等離子體向所有方向發(fā)出的 EUV 輻射，將其集中起來并最終傳遞至光刻系統(tǒng) (4) 以曝光晶片 (5)。

前不久，我國規(guī)模最大晶圓代工廠商中芯國際最新招股書的經(jīng)營風險聲明內容中，向外界隱晦透露，“在獲得美國商務部行政許可之前，可能無法為若干用戶的產品進行生產制造?！保翢o疑問，這若干客戶就包括華為，周所周知的是，中芯國際能夠實現(xiàn)最先進14nm制程工藝光刻機就就來自于ASML，ASML也是當前全球唯一能生產EUV光刻機企業(yè)，華為自研高端芯片基于7nm制程、甚至是最新5nm制程工藝來制造，交給了臺積電。一旦臺積電和中芯國際無法為華為以及其他被美國列入“實體清單”實體代工，對我國科研院校和高科技企業(yè)是一次重大打擊，而我國光刻機僅僅達到了28nm制程工藝水準，離ASML至少有10年差距，我國光刻機和半導體產業(yè)發(fā)展面臨嚴峻挑戰(zhàn)，最后希望我國激光企業(yè)能加大科研投入，自主研發(fā)國產EUV光源，突破國外關鍵技術和產品封鎖，為我國光刻機產業(yè)和半導體產業(yè)發(fā)展盡一份綿薄之力。