EUV光刻機，大結局？
導語
瑞利判據一直是光刻機發展的根本遵循，被光刻產業界奉爲“金科玉律”。同時，公开發表的“突破瑞利判據”的理論與實驗學術論文數以萬計，成就了諸多的“全球高被引科學家”。那么，瑞利判據的盡頭，BEUV（Beyond Extreme Ultraviolet，超越極紫外）光刻機是否會演化成光刻機的大結局？BEUV光刻機的商業化進程又面臨哪些挑战？
前言
芯片號稱現代社會的“工業糧食”，是信息產業的基石。自1958年集成電路誕生之日以來，芯片產業日益成爲國民經濟和社會發展的战略性、基礎性、先導性產業。芯片深刻地改變了人類的生產生活方式，從手機、家電、汽車等以大衆消費者爲導向的C端產品，到醫療設備、電力、交通運輸、電信、電子政務等以業務爲導向的B端產品，再到國防領域中的衛星、導彈、航母等裝備，都離不开小小的芯片。所謂的“三百六十行，行行用芯”。
一顆芯片的誕生流程極其漫長，經歷重重考驗，可分爲芯片設計、前道工序（芯片制造）和後道工序（封測）三個環節。前道工序是芯片產業鏈的核心環節，是指根據芯片設計版圖，採用樂高蓋房子方式，以晶圓作爲地基，在晶片或介質基片上進行擴散、薄膜、光刻、刻蝕、離子注入、化學機械拋光(CMP)、金屬化、量測等工序，層層往上疊的芯片制造流程，最終將芯片設計公司設計好的電路圖移植到晶圓上，並實現預定的芯片電學功能。
前道工序九大設備主要包括：擴散爐、薄膜沉積設備(包括PECVD、LPCVD、ALD等)、光刻機、塗膠顯影機、刻蝕機、離子注入設備、CMP、量測設備和清洗設備。
芯片的內部結構（左）及晶圓（右）。
在芯片制造流程中，光刻技術水平直接決定了芯片的最小线寬，定義了半導體器件的特徵尺寸，直接決定芯片的制程水平和性能水平。毫無疑問，光刻工藝是芯片制造流程中技術難度最大、成本最高、周期最長的環節。先進技術節點的芯片制造需要60-90步光刻工藝，光刻成本佔比約爲30%，耗費時間佔比約爲40-50%。
光刻機則是前道工序九大設備之首，在芯片生產线總投資的佔比約爲20%。光刻機集成了物理學、超精密光學、精密儀器、高分子物理與化學、數學、材料、自動控制、流體力學、高精度環境控制、軟件等40多個學科的最新科學成就，在60余年的發展歷程中, 光刻機（包括其零部件）不斷挑战人類超精密制造裝備的極限，被譽爲“現代光學工業之花”，芯片產業 “皇冠上的明珠”。
瑞利判據一直是光刻機發展的根本遵循，被光刻產業界奉爲“金科玉律”。當前的光刻機發展已經進入高NA(Numerical aperture，數值孔徑)的EUV光刻時代，制程可達2nm及以下，預計2025年开始量產。
那么，後NA EUV光刻機將如何演化？BEUV（Beyond Extreme Ultraviolet，超越極紫外）光刻機是否會演化成光刻機的大結局？
瑞利判據的誕生
要回答這些問題，首先不得不回顧一下瑞利判據的前世。
這不得不提到三位傑出的科學家：英國皇家天文學家喬治·比德爾·艾裏（George Biddell Airy，1801年-1892年）、德國物理學家恩斯特·阿貝（Ernst Abbe，1840年-1905年）和英國物理學家瑞利(J.Rayleigh,1842年-1919年)。
1835年，喬治·比德爾·艾裏在一篇“On the Diffraction of an Object-glass with Circular Aperture”的論文中對圓孔衍射進行了理論解釋，第一次明確給出衍射極限概念。
基於光的衍射特性，一個無限小的理想光點，通過任何尺寸的“完美”鏡頭（實際上每個鏡頭都具有限定的孔徑, 都具有像差）成像後，也會形成一個彌散的圖案，即一個明暗相間的圓形光斑。其中以第一暗環爲界限的中央亮斑稱作“Airy斑”。簡而言之，Airy斑中心是一塊明亮區域，周圍是一系列亮度不斷降低的同心圓環。
1863年，恩斯特·卡爾·阿貝成爲耶拿大學一名講師 (Privatdozent)。1866年，蔡司(Carl Zeiss, 1816年—1888年) 聘請當時年僅26歲的阿貝作爲獨立研究員，從事光學顯微鏡的設計和研究。需要指出的是，阿貝的物理講座也需要蔡司公司制造的光學儀器。1872年，阿貝辭去了耶拿大學的工作，正式加盟蔡司公司。
1873年，阿貝基於“Airy斑”原理，提出了“Abbe光學衍射極限理論”（Diffraction limitation），分辨率定義爲：
其中，λ是光波長，n是樣品與顯微物鏡之間介質的折射率，是顯微物鏡的孔徑角。
阿貝是首位定義數值孔徑術語的科學家。具體來說，NA=nsin, 是透鏡成像系統的數值孔徑。因此，分辨率也可被定義爲:
簡而言之，傳統光學顯微鏡能夠探測到的物體最小細節是光波長的一半。該經典的公式被刻於阿貝墓碑上。
1884年，阿貝和奧托·肖特（Friedrich Otto Schott，1851年－1935年）在耶拿創建肖特玻璃廠。
衆所周知，當前，EUV光刻機的鏡頭系統由蔡司公司所制造，鏡頭系統採用的超低熱膨脹玻璃來自於肖特公司。
1896年，英國物理學家瑞利以“Airy斑”理論爲基礎，對“Abbe光學衍射極限理論”進行了進一步的延伸和細化，建立了“瑞利判據”(Rayleigh Criterion)。如果一個點光源的衍射圖像的中央最亮處剛好與另一個點光源的衍射圖像第一個最暗處相重合，瑞利認爲這兩個點光源恰好能被這一光學儀器所分辨。
瑞利判據示意圖
“瑞利判據”是第一個明確給出了光學儀器分辨本領的准則。在此准則下，光學儀器的分辨率爲：
瑞利判據通常使用在光學成像的領域,包括顯微鏡、望遠鏡、攝影和其他光學成像設備，用於目前各類光學儀器的最高空間分辨率的計算公式。瑞利判據爲我們提供了一個判斷物體細節是否可以被光學顯微鏡分辨的標准，同時也指導我們如何提高顯微鏡的分辨率，例如通過選擇更短的輻射波長、提高折射率或使用具有更大半孔徑角的顯微鏡等方法。
瑞利的研究工作涵蓋了電學、聲學和光學等多個領域。1904年，諾貝爾物理學獎授予瑞利，以表彰他在研究最重要的一些氣體的密度以及在這些研究中發現了氬。
光刻機的瑞利判據公式如下：
其中，CD是光刻圖形的特徵尺寸，光學系統在晶圓上可實現的最小线寬，即光刻機的分辨率，k1是工藝因子，DoF是光刻焦深，k2是工藝因子。
至此，瑞利判據是波長和數值孔徑的表達式，它描述了光刻機衍射極限系統中的分辨率極限，成爲了光刻機發展的根本遵循，近60年來，一直被光刻產業界奉爲“金科玉律”。
瑞利判據下光學光刻機的演進
瑞利判據表明，物體上兩點之間的距離大於某個特定值時才會被分辨。這個特定值與入射光的波長和數值孔徑NA有關。在光刻過程中，分辨率的極限直接決定了光刻機能夠制造的最小特徵尺寸。光刻機的設計師和工程師們必須根據瑞利判據來優化光刻機的設計與制造，以提高光刻分辨率極限，使光刻機能夠區分的兩個點之間的距離越來越小。根據瑞利判據，提高單次光刻分辨率的方法主要有以下三種途徑：
1、縮短曝光波長；
2、增大投影光刻物鏡的數值孔徑NA；
3、減小光刻工藝因子。
除了分辨率之外，焦深DoF也是一個關鍵參數。在實際的光刻過程中，光刻機鏡頭會有一個焦點，而在這個焦點的周圍存在一個晶片表面可以在垂直方向上移動的範圍，只要光刻膠（即感光層）的厚度在這個範圍內，那么整個膠層都能得到清晰的曝光，不會導致光刻分辨率出現顯著的下降。
一般來說，光刻的分辨率越高，焦深越小。也就是說，光刻允許的工藝容差就越小。在實際操作過程中，晶片的表面位置有納米尺度的變動，也會導致圖案的細節部分變得模糊，對光刻結果產生顯著的影響。這對光刻機的調平調焦系統提出了更爲苛刻的要求。
第一種提高光刻分辨率途徑，光刻機的波長已經經歷了從435nm（G-线）、365nm（I-线）、248nm（深紫外，DUV）、193nm（ArF，幹式和水浸沒式）到目前的13.5nm（極紫外，EUV）的發展歷程。
光學光刻機的演進
第二種提高光刻分辨率途徑，數值孔徑NA越大，收集的衍射束就越多，光刻分辨率就越高。DUV光刻機投影透鏡的數值孔徑NA也從0.4增大到0.93，在193nm浸沒式光刻機中，由於晶圓和透鏡之間填充了水，數值孔徑NA可以高達1.35。對於EUV光刻機，數值孔徑NA則從0.33提高到了0.55。
第三種提高光刻分辨率途徑，光刻系統分辨率的提高還可以通過優化工藝參數來實現。例如，離軸照明、計算光刻和光刻膠工藝，等等，用於減小工藝因子k1。單次光刻k1反映了光刻工藝中的實際情況，其理論極限是0.25。
爲了進一步縮小工藝因子k1，多重曝光技術也被提出來。理論上，“193nm水浸沒式技術”+“多重曝光”可以應用於3nm節點的芯片生產。但是實際上，當芯片進入7 nm節點，工藝復雜度直线上升，其工藝步驟是EUV光刻的5倍，光刻次數是EUV光刻的3倍，從而造成了難以解決的“80%的芯片良率”問題。而80%的芯片良率通常是芯片工廠實現盈利的標准。
單次EUV光刻與多重曝光的水浸沒式193nm光刻結果對比
2023年前，ASML最先進的EUV光刻機是TWINSCAN NEX:3400C和TWINSCAN NEX:3400D，售價約爲1.7億歐元。其NA只有0.33，對應的分辨率爲13nm，可以生產金屬間距在38-33nm之間的芯片。
ASML公司型號爲TWINSCAN NEX:3400D的EUV光刻機
2023年12月，ASML研發的高NA EUV光刻機送達英特爾公司位於美國俄勒岡州的D1X工廠進行安裝，該工廠已經成爲英特爾公司最前沿研究的基地，也是該公司开發每一代芯片技術的地方。
TWINSCA NEX: 5000的高NA EUV光刻機即將進入芯片生產
2024年2月10日， ASML向媒體展示了該高NA EUV光刻機，型號爲TWINSCAN EXE:5000，NA達到了0.55，單次光刻分辨率達到了8nm，售價高達3.5億歐元（約合27億元人民幣）。英特爾公司已完成Intel 18A（1.8nm）和Intel 20A（2nm）制造工藝的开發。上述芯片工藝或將有部分利用高NA EUV光刻機。除了英特爾公司以外，台積電、三星電子、SK海力士、美光等頭部晶圓廠商均在積極搶購或者有意向採購ASML新一代的高NA EUV光刻機。
ASML公司型號爲TWINSCA NEX: 5000的高NA EUV光刻機
毫無疑問，目前爲止，瑞利判據依然是光刻機發展的根本遵循。
瑞利判據的科學與實驗突破
瑞利判據是一片籠罩在顯微成像和光刻技術研究者頭頂的陰霾。進入21世紀，多種超分辨成像技術打破了衍射極限的限制，突破了瑞利判據，帶來了一場新的顯微成像技術革命。
在顯微成像領域裏，典型的超衍射極限成像技術主要分爲三大類：結構光照明顯微成像技術（Structured illumination microscopy，SIM）、受激發射損耗顯微成像技術（Stimulated emission depletion，STED）以及單分子定位顯微成像技術（Single molecule localization microscopy，SMLM）。其中最爲有名的是STED成像技術。1994年，德國馬克斯普朗克生化研究所教授Stefan W.Hell在《Optics Letters》雜志上發表STED理論。鑑於此傑出工作，Stefan W.Hell教授獲得了2014年度的諾貝爾化學獎。
STED成像技術源於愛因斯坦的受激輻射理論，是一種超分辨熒光成像技術。其基本原理可以理解成：既然衍射效應引起彌散斑，那就找塊“橡皮”把彌散斑邊緣擦除掉，這樣就可以突破瑞利判據了。
STED技術原理圖
超分辨成像的目的是將微小的物體放大，以供人類觀察。但實際上，反過來的光刻過程（投影縮小）也是可行的。受STED成像技術的啓發，2009年，光刻技術研究者提出了基於單色邊緣抑制的快速超分辨直寫光刻技術。一束532 nm的飛秒激光用作 “鉛筆光”，形成實心光斑，實現光刻膠的雙光子吸收激發聚合；另一束532 nm的連續激光用作 “橡皮光”，形成空心暗斑，實現單光子吸收抑制聚合。這兩束光斑嵌套在一起，就能起到超分辨光刻的效果，目前已經可實現最小线寬36 nm和最小分辨率140 nm的超分辨刻寫。
單色邊緣抑制直寫光刻系統
表面等離子體超分辨光刻通過調制表面等離子體透鏡的物圖形衍射的頻譜分布，結合操控像平面處電場分量，實現倏逝波放大增強，將物體的像變成近場倏逝波的形式用於光刻。表面等離子體超分辨光刻理論上又不受到瑞利判據的限制。由於表面等離子體的等效波長可以達到X射线量級，可以在i线實現22nm以下的光刻效果，是傳統衍射極限的0.24倍。
發表在SCIENCE 雜志上的表面等離子體超分辨光研究結果
納米壓印光刻（Nanoimprint lithography，NIL）設備也是突破瑞利判據的重要途徑。其原理非常簡單，採用傳統機械模具微復型原理，類似於印刷技術，將光刻膠塗在晶圓上，然後壓上印有特定圖案的印模，直接通過壓印形成復雜的2D或3D圖案。
納米壓印光刻與傳統光刻對比
2023年10月13日，日本佳能公司宣布推出可以制造尖端芯片的納米壓印設備FPA-1200NZ2C。日本佳能公司稱該設備可實現最小线寬14nm的圖案化，相當於5nm節點。隨着掩模技術的進一步改進，NIL有望實現2nm節點。該設備因爲不使用鏡頭，所以光刻工藝成本 “將比ASML的EUV少一位數”，耗電量也會減少90%。
普遍認爲，NIL技術被視爲傳統光刻技術的替代解決方案，在3D NAND 集成電路領域可實現更低成本的芯片量產。
BEUV光刻機技術的提出
國際設備和系統路线圖 (IRDS)由產業界、政府和學術界共同制定。IRDS仍保持國際半導體技術路线圖(ITRS)的工作模式,每隔一年發布一個新的15年路线圖,並每年更新。IRDS是芯片產業發展的風向標。
IRDS給出了2037年光刻技術的發展需求。盡管目前ASML最新型號的Twinscan EXE:5000的EUV光刻機勉強能滿足需求。但是，由於多層反射器具有高反射率的角度範圍有限，TWINSCAN EXE:5000 EUV光刻機在掃描方向上的縮小倍率是8:1，而在垂直方向上的縮小倍率維持在原來的4:1。這導致晶片上的最大曝光場尺寸爲26毫米×16.5毫米，原來的NA爲0.33的EUV光刻機的最大曝光場尺寸爲26毫米×33毫米，這對制造大面積芯片以及EUV光刻機產率都有較大影響。
IRDS對光刻技術發展的需求
IRDS也給出了2037年光刻機的發展預測。從長遠來看，一方面，有更高NA（比如NA提高到0.70）的EUV光刻機和波長爲6.X nm的BEUV（Beyond Extreme Ultraviolet，超越極紫外）光刻機兩種選擇。後者的可能性更大一些，主要原因是同等分辨率下，波長爲6.X nm 的BEUV光刻機比波長爲13.5nm的EUV光刻機具有更大的焦深DoF，帶來更大的工藝容忍度。
IRDS給出的光刻技術發展路线圖
BEUV光刻機技術面臨的挑战
從長遠來看，BEUV光刻機的研發可以充分繼承前期EUV光刻機的研發成果。但是也面臨一些新的技術挑战，主要包括6.X nm光源、6.X nm多層膜和6.X nm光刻膠。
BEUV光刻機充分繼承前期EUV光刻機的研發成果
當前，產生 EUV 光源的方式有激光等離子體（laser produced plasma, LPP）、基於相對論電子束的各類加速器光源（包括同步輻射光源、自由電子激光器、穩態微聚束等）、放電等離子體（DPP） 和激光輔助放電等離子體（LDP）、高次諧波EUV光源等。
目前商用的 EUV光刻機採用的是激光等離子體EUV光源。其原理是通過高強度激光與靶材的相互作用，使靶材吸收高能，而被加熱氣化並產生高溫等離子體，從而產生 13.5nm的EUV光源，ASML公司商用化的EUV光刻機光源採用了雙脈衝激發方案，分別對錫滴進行成形和電離。首先，1微米波長的皮秒預脈衝激光精准轟擊迅速通過的直徑約爲27微米的錫液滴，使液滴膨脹， 擴散成高密度的圓頂狀分布；緊接着，重復頻率 50kHz、直徑爲幾百微米的主脈衝二氧化碳（CO2）激光器光斑再次精准轟擊膨脹後的錫液滴，通過CO2激光器激發等離子體物理機制產生EUV光。
EUV光刻機光源的雙脈衝激發方案
爲獲得高亮度的6.X nm波長光源，目前使用波長爲1030 nm的Yb:YAG脈衝激光設備照射釓(Gd)靶材產生等離子體，研究結果表明，Gd等離子體的BEUV轉換效率僅爲0.47%。
目前實際EUV光刻機中的EUV轉換效率約爲5%左右。簡而言之，BEUV光刻機中的BEUV轉換效率比EUV光刻機中的EUV轉換效率低將近一個數量級！當前一台EUV光刻機每天的耗電量爲3萬度，而BEUV光刻機則可能達到30萬度！
EUV光刻機光源
當然，基於釓(Gd)、鋱(Tb)、鋁(Al)、鎂(Mg)和鎂-銅-釓合金(Mg65-Cu25-Gd10)等靶材激光等離子體的6.X nm光源還在研發中，BEUV轉換效率應該還有提升的空間。
6.Xnm多層膜的設計與傳統的EUV多層膜設計類似，均起源於薄膜幹涉理論。但是，當前已經商業化13.5 nm波段的Mo/Si多層膜的反射率最高可以達到69.5%，壽命爲30000小時。理論上，La/B是優秀的6.X nm多層膜系結構，其理論反射率能達到78%以上！但是，實際上，6.Xnm多層膜的反射率研究結果卻令人大跌眼鏡，不足60%!這將大大增加了投影光學中掩模和反射鏡的熱量，加速6.Xnm多層膜反射鏡的老化和性能衰減。
6.Xnm多層膜反射率測試系統
EUV光刻膠面臨的一個關鍵問題是隨機效應。EUV光刻膠的EUV光子吸收和二次電子散射本質上都是隨機事件。隨機效應會導致缺陷，包括特徵尺寸不均勻和邊緣粗糙，甚至接觸缺失、橋聯等嚴重缺陷。BEUV光刻膠面臨的隨機效應更爲嚴重，主要原因是更短波長下的光子吸收噪聲水平將明顯上升。
幾點關於BEUV光刻機技術的看法
以下是作者幾點關於BEUV光刻機技術的看法，需要特別指出的是，這些觀點僅代表作者本人的。
1、艾裏、阿貝和瑞利的研究成果導致了瑞利判據的產生。瑞利判據廣泛應用於顯微鏡、望遠鏡、攝影、光刻機等光學設備。爲人們提供了一個判斷物體細節是否可以被光學設備分辨的標准。
2、進入21世紀，公开發表的“突破瑞利判據”的理論與實驗學術論文數以萬計，成就了諸多的“全球高被引科學家”。多種超分辨成像技術打破了衍射極限的限制，突破了瑞利判據，帶來了一場新的顯微成像技術革命。
3、但是，這些“突破瑞利判據”的顯微成像技術尚未實現大規模商業化。遵循瑞利判據的傳統顯微鏡（分辨率約200nm）仍然廣泛應用於科研、工業生產、醫療、教育等衆多領域，其市場規模逼近100億美元，而且呈現出快速發展的趨勢，市場規模不斷擴大。
4、近60年來，瑞利判據一直是光刻機發展的根本遵循，一直被光刻產業界奉爲“金科玉律”。光刻機的波長已經經歷了從435nm到目前的13.5nm的五代跨越，EUV光刻機的數值孔徑NA也從0.33提高到0.55，其極限分辨率達到8nm。
5、但是，高NA EUV光刻機的發展仍然面臨諸多挑战，除了高達3.5億歐元的售價外，技術層面仍然有諸多令人難以接受的缺點，尤其是最大曝光場尺寸僅爲26毫米×16.5毫米，這對大面積芯片及產率影響較大，使光刻“面積牆”問題更爲突出。
6、瑞利判據限制是光刻技術發展的原理性障礙，是一片籠罩在光刻技術研究者頭頂的陰霾。爲此，多種超分辨光刻技術正在研究之中，但是商業化前景尚不明朗。納米壓印技術初步展現了在3D NAND領域的應用前景，但是在邏輯芯片中的應用前景尚不樂觀。
7、根據瑞利判據，波長爲6.X nm的BEUV光刻機是2037年後延續摩爾定律的重要選擇之一。同等分辨率下， BEUV光刻機比EUV光刻機具有更大的焦深，帶來更大的工藝容忍度。
8、BEUV光刻機技術上遠未成熟，包括更高BEUV 轉換效率的6.X nm光源、更高反射率和更長壽命的6.X nm多層膜，還有減輕隨機效應的6.X nm光刻膠。
9、盡管BEUV光刻機技術上遠未成熟，但是能否商業化，與其說取決於技術上的突破，不如說取決於摩爾定律延續的必要性。其原因是邏輯芯片通過堆疊方式進行性能擴展的研究進展也在不斷取得進步。
10、BEUV光刻機充分繼承了前期EUV光刻機的研究成果，毫無疑問，作爲目前唯一能量產EUV光刻機的公司，ASML公司在BEUV光刻機研發中佔據了極具優勢的位置。
標題：EUV光刻機，大結局？
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