EUV 光刻技術的工作過程

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2022-09-28 09:00:59 3

EUV 光刻是以波長為 10-14nm 的極紫外光作為光源的芯片光刻技術，簡單來說，就是以極紫外光作“刀”，對芯片上的晶圓進行雕刻，讓芯片上的電路變成人們想要的圖案。如今，*上*先進的 EUV 光刻機可以做到的“雕刻精度”在 7nm 以下，比一根頭發的萬分之一還要細。

圖1：半導體光刻機的核心是通快激光放大器

提到極紫外光刻（EUV），人們傾向于把注意力集中在芯片工藝和光刻設備，但是他們往往會忽略另一個重要的方面：光從哪兒來？

EUV 光刻技術已經發展了 20 多年，直到幾年前這種技術是否能夠進入工業化芯片生產還是一個開放性的問題。在研究過程中，人們發現所有懸而未決的技術挑戰中極紫外光是*大的難題。

光源是個很大的難題，需要足夠大的功率來生成EUV光。ASML的EUV光源采用激光等離子體的方式，原理是用準分子激光轟擊靶材產生EUV。對準分子激光的要求很高，如帶寬、輸出功率、穩定性、維護難易度、波長、相對波長穩定性、脈沖與脈沖之間的能量穩定性、成本、安全性等等，*關鍵的是如何在高重復頻率下保持窄帶寬和無碎屑。

靶材對于EUV光源也非常重要，要能承受不間斷的全天候的準分子激光器發出超高頻脈沖轟擊，還要求極小的碎屑尺寸和超低成本。ASML采用的是液滴靶技術，液體錫從上向下滴落過程中會形成錫珠，用激光轟擊錫珠讓其化為等離子態，產生EUV。

圖2：光從哪兒來

讓我們看一下 EUV 光刻整個過程的示意圖（圖1）：

*步：

CO2激光脈沖被放大到非常高的功率，輸出超過 30kW 平均脈沖功率的激光數，其脈沖峰值功率可高達幾兆瓦；

第二、三步：

不斷滴下的錫珠被激光束擊中成為一個發光的等離子體，發射出波長為 13.5 nm 的 EUV 光；

第四、五步：

極紫外光聚焦后，通過反射透鏡首先傳輸到光刻掩模上，然后照射到晶圓基片上。

對于每一個步驟，都需要非常復雜的技術，接下來讓我們聚焦激光脈沖是如何產生以及如何放大的（第1-3步）的？

首先，我們需要產生短脈沖激光光束作為種子光，然后讓它經過多級放大。實際上會有兩個脈沖——預脈沖和主脈沖。預脈沖首先擊中錫珠，使它變成正確的形狀；然后主脈沖將壓扁的錫珠轉化為等離子體，從而發射出珍貴的 EUV 光。

這里的難點在于放大階段會不斷增加它的功率，但必須確保兩個光束在錫珠上有正確的光學性能，尤其是正確的聚焦。每束脈沖激光都由非常微小的、緊湊的光粒子組成，緊緊地拋向錫珠。為了正確地擊中它們的目標，它們必須在正確的瞬間到達，不能過早或過晚；否則，沖擊力將無法壓平錫珠。在*壞的情況下，第二道激光脈沖射出的子彈沒有擊中目標，EUV 就會失敗。

以上過程每秒鐘進行五萬次。

為了讓激光束以極大的功率穩定傳輸，系統的復雜性可想而知。

事實上，EUV 激光系統由大約 45 萬個零件組成，重約 17 噸。為了確保這些零件正確組裝，僅檢查標準就多達 1000 多條，這還不包括模塊和子模塊額外的預檢標準。

從種子光發生器到錫珠有 500 多米的光路，這對所有零部件都提出了非常苛刻的要求，尤其是系統中包含的 400 多個光學元器件。

圖3：EUV 激光系統由大約 45 萬個零件組成，重約 17 噸，線纜長度超過 7000 米

作為該系統的光源，該激光器產生的等離子體溫度為 22萬℃，比太陽表面的溫度高 30 至 40 倍。

圖4：CO2 激光器中的受激混合氣體發出獨特的紅光——這就是 EUV 光*初的來源

EUV光刻過程中將現有浸入式193nm光刻中193nm波長的短波紫外線換成了13.5nm的光，在光刻精密圖案方面自然更具優勢，能夠減少工藝步驟，提升良率，但實現難度非常大。荷蘭ASML公司是全球目前*能提供EUV光刻機的企業，我們一起走進它的光刻機看看吧。

EUV輻射被所有物質甚至氣體強烈吸收，EUV的成像必須在真空中進行，而且在EUV波段范圍內沒有合適的透明材料來制造透鏡，即無法采用折射式光學系統，必須采用反射式的光學系統，并且每面反射鏡的*大反射率不會超過70%。EUV的光學系統即照明系統和投影系統利用有限個數的反射鏡作為光學元件，且這些反射鏡的面形是非球面的。

由于單純一種元素物質無法在EUV波段達到高反射率，為了獲得EUV波段內大于60%的反射率，EUV光刻成像系統的鏡面往往需要涂有多層膜涂層，所謂的多層膜是指高散射和低散射兩種材料交替沉積而成的一種人造涂層，高低散射材料的間距是幾納米甚至更小，從而使EUV可以像可見光那樣進行反射、聚焦和成像。

ASML的EUV系統所用光學系統都來自卡爾蔡司。當轉換成13.5nm的光后，這些光會在一種包含多個多層鏡面的復雜配置方案中反射。隨后這些光會經過一個可編程的illuminator并抵達掩膜。*后光會在另外6個多層鏡面上反射并以6%的角度抵達晶圓。

以下視頻為EUV光刻機內部工作的全過程。分別是1.光源中的激光脈沖和錫珠，2.光經過掩膜版，3.測量和曝光，4.晶圓移動臺，5.全光路，6.光刻機內部。

在年初的 SPIE *光刻會議上，英特爾光刻硬件和解決方案總監 Mark Phillips 重申了公司打算在 2025 年將該技術部署到大批量生產中。雖然許多觀察家認為這個時間表是激進的，但該公司可能希望避免（或至少延遲）對 EUV 多重圖案工藝的需求。

高數值孔徑 EUV 系統的好處可以用一個詞來概括——分辨率。將孔徑增加到 0.55，而不是當前曝光系統中的 0.33，可以成比例地提高可實現的臨界尺寸，相對于 0.33 NA 系統的 13nm，0.5 NA EUV 可能低至 8nm。

不幸的是，目前還不存在量產的高數值孔徑 EUV 光刻機。在今年五月于 SPIE 上展示的工作中，ASML 和蔡司報告說，雖然開發正在按計劃進行，但預計要到 2023 年才能安裝*個系統。從 0.33NA 到 0.55 NA 的轉變沒有*初引入 EUV 光刻那么激進，但光刻生態系統不僅包括對掃描儀的更改。為了在 2025 年之前將High NA 系統引入批量生產，該行業將需要改進光掩模、光刻膠疊層和圖案轉移工藝的其他方面。