當(dāng)前PC/筆記本、智能手機(jī)、移動(dòng)通信、人工智能、存儲(chǔ)等產(chǎn)業(yè)能發(fā)展如此之快的原因之一是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)一直在飛速發(fā)展，推動(dòng)芯片性能不斷增強(qiáng)。其中最先進(jìn)的智能手機(jī)、5G通信芯片、存儲(chǔ)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(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)、AI、服務(wù)器新品將大規(guī)模出現(xiàn)，而光刻機(jī)是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中最關(guān)鍵設(shè)備，約占晶圓制造設(shè)備的27%，光刻工藝決定了半導(dǎo)體線路的線寬，同時(shí)也決定了芯片的性能和功耗。

以光源改進(jìn)為核心的光刻機(jī)發(fā)展歷程

為了實(shí)現(xiàn)摩爾定律，光刻技術(shù)就需要每?jī)赡臧哑毓怅P(guān)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(zhǎng)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(guān)鍵尺寸(CD)降低。根據(jù)光刻機(jī)所用光源改進(jìn)和工藝創(chuàng)新，光刻機(jī)經(jīng)歷了5代產(chǎn)品發(fā)展，每次改進(jìn)和創(chuàng)新都顯著提升了光刻機(jī)所能實(shí)現(xiàn)的最小工藝節(jié)點(diǎn)。

圖2 ASML 光刻機(jī)發(fā)展歷程
資料來(lái)源：ASML

第一、二代均為接觸接近式光刻機(jī)，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(jī)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(jī)由于氣墊影響，成像精度不高。

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

第四代步進(jìn)式掃描投影光刻機(jī)，最具代表性的光刻機(jī)產(chǎn)品，1986年由ASML首先推出，采用193nmArF 激光光源，實(shí)現(xiàn)了光刻過(guò)程中，掩模和硅片的同步移動(dòng)，并且采用了縮小投影鏡頭，縮小比例達(dá)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(chǎn)效率提升了一個(gè)臺(tái)階。2002年以前，業(yè)界普遍認(rèn)為193nm光刻無(wú)法延伸到65nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)，而157nm將成為主流技術(shù)。然而，157nm光刻技術(shù)遭遇到了來(lái)自光刻機(jī)透鏡的巨大挑戰(zhàn)。正當(dāng)眾多研究者在157nm浸入式光刻面前躊躇不前時(shí)，時(shí)任TSMC資深處長(zhǎng)的林本堅(jiān)提出了193nm浸入式光刻的概念。2007 年ASML 與臺(tái)積電合作開(kāi)發(fā)成功推出第一臺(tái)浸沒(méi)式光刻機(jī)。193nm 光波在水中的等效波長(zhǎng)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(diǎn)， 2010 年， 193nm 液浸式光刻系統(tǒng)已能實(shí)現(xiàn) 32nm 制程產(chǎn)品，到2012年，ArF光刻機(jī)已經(jīng)最高可以實(shí)現(xiàn) 22nm 的芯片制程，浸沒(méi)式光刻技術(shù)憑借展現(xiàn)出巨大優(yōu)勢(shì)，成為 EUV 之前能力最強(qiáng)且最成熟的技術(shù)。

第五代光刻機(jī)——EUV，所謂EUV，是指波長(zhǎng)為13.5nm的光。前四代光刻機(jī)使用都屬于深紫外光，但在摩爾定律的推動(dòng)下，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)對(duì)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(yán)峻的鏡頭孔徑和材料挑戰(zhàn)。第五代 EUV光刻機(jī)，可將最小工藝節(jié)點(diǎn)推進(jìn)至5nm、3nm。

圖3 光刻機(jī)經(jīng)歷了五代發(fā)展
資料來(lái)源：ASML

最先進(jìn)的EUV光源如何產(chǎn)生？

從1970年代開(kāi)始，許多學(xué)術(shù)和政府實(shí)驗(yàn)室嘗試通過(guò)用激光束轟擊金，鎳以及其他過(guò)渡金屬和稀土金屬等元素來(lái)產(chǎn)生DUV甚至EUV輻射。在1981年G. O'Sullivan和PK Carroll在都柏林大學(xué)工作之后，該領(lǐng)域開(kāi)始迅速發(fā)展，這表明用超過(guò)一定閾值脈沖能量的激光照射稀土和過(guò)渡金屬靶會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的共振發(fā)射，這些發(fā)射位于4至20nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，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(xiàng)系統(tǒng)的研究表明，隨著目標(biāo)原子序數(shù)的增加，這些窄帶發(fā)射的峰值單調(diào)移向較短的波長(zhǎng),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(qiáng)和窄的譜帶發(fā)射。在研究了1990年代的幾種預(yù)期技術(shù)之后，半導(dǎo)體行業(yè)逐漸達(dá)成共識(shí)，即15nm左右的極紫外（EUV）波長(zhǎng)的光刻技術(shù)是最好的前進(jìn)之路。在很大程度上，這是因?yàn)镋UV技術(shù)保留了晶圓制造商長(zhǎng)期以來(lái)所熟悉的許多功能，例如電磁輻射的控制以及標(biāo)線和步進(jìn)器的使用。

從那時(shí)起，學(xué)術(shù)和公司實(shí)驗(yàn)室就致力于開(kāi)發(fā)實(shí)用，可靠且壽命長(zhǎng)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(duì)半導(dǎo)體光刻的輻射源，它們通過(guò)在超高真空室內(nèi)照射一束高純度錫細(xì)小液滴的流來(lái)工作，這些細(xì)小液滴以每秒數(shù)萬(wàn)個(gè)液滴的速率發(fā)射，并帶有來(lái)自CO2激光器的脈沖，錫滴的瞄準(zhǔn)是由監(jiān)控滴流量的高速攝像機(jī)控制的，當(dāng)激光脈沖撞擊錫滴時(shí)，它們立即產(chǎn)生以EUV波長(zhǎng)輻射的高溫等離子體。輻射由橢圓形收集鏡收集，過(guò)濾并從源容器中運(yùn)出并進(jìn)入掃描儀單元以進(jìn)行光刻圖案化，部署實(shí)用的LPPEUV光源的主要挑戰(zhàn)是保護(hù)輻射收集光學(xué)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(nèi)部具有較大的表面積，它離等離子體產(chǎn)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(gè)錫滴所產(chǎn)生的污染的影響。激光產(chǎn)生的高峰值功率紅外輻射與熔化的錫滴的相互作用，除產(chǎn)生錫等離子體外，還會(huì)產(chǎn)生錫蒸氣和顆粒物質(zhì)。

EUV光源如下圖所示。LPP光源由幾個(gè)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(jì)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(diǎn)處，激光液滴對(duì)準(zhǔn)是通過(guò)光學(xué)計(jì)量模塊和傳感器進(jìn)行測(cè)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(guò)中間聚焦孔重定向到掃描儀的照明光學(xué)器件。

圖4 EUV光源結(jié)構(gòu)圖
資料來(lái)源：ASML、OFweek產(chǎn)業(yè)研究院

EUV 光刻的巨大挑戰(zhàn)在于產(chǎn)生13.5 納米的最佳波長(zhǎng)輻射。通快激光和ASML解決方案：通過(guò)激光照射產(chǎn)生的、發(fā)光的等離子體，其可以提供這種波長(zhǎng)極短的輻射。但首先如何產(chǎn)生等離子體？發(fā)生器使錫液滴落入真空室 (3)，接著來(lái)自通快的脈沖式高功率激光器 (1) 擊中從旁飛過(guò)的錫液滴 (2) ——每秒 50,000 次。錫原子被 電離，產(chǎn)生高強(qiáng)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(lái)并最終傳遞至光刻系統(tǒng) (4) 以曝光晶片 (5)。

前不久，我國(guó)規(guī)模最大晶圓代工廠商中芯國(guó)際最新招股書(shū)的經(jīng)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)聲明內(nèi)容中，向外界隱晦透露，“在獲得美國(guó)商務(wù)部行政許可之前，可能無(wú)法為若干用戶的產(chǎn)品進(jìn)行生產(chǎn)制造?！保翢o(wú)疑問(wèn)，這若干客戶就包括華為，周所周知的是，中芯國(guó)際能夠?qū)崿F(xiàn)最先進(jìn)14nm制程工藝光刻機(jī)就就來(lái)自于ASML，ASML也是當(dāng)前全球唯一能生產(chǎn)EUV光刻機(jī)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(lái)制造，交給了臺(tái)積電。一旦臺(tái)積電和中芯國(guó)際無(wú)法為華為以及其他被美國(guó)列入“實(shí)體清單”實(shí)體代工，對(duì)我國(guó)科研院校和高科技企業(yè)是一次重大打擊，而我國(guó)光刻機(jī)僅僅達(dá)到了28nm制程工藝水準(zhǔn)，離ASML至少有10年差距，我國(guó)光刻機(jī)和半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，最后希望我國(guó)激光企業(yè)能加大科研投入，自主研發(fā)國(guó)產(chǎn)EUV光源，突破國(guó)外關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)品封鎖，為我國(guó)光刻機(jī)產(chǎn)業(yè)和半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展盡一份綿薄之力。