三年前，美國開始對中國高端芯片產(chǎn)業(yè)進(jìn)行絞殺的時候，半導(dǎo)體行業(yè)最樂觀的人，都覺得國產(chǎn)光刻機(jī)的誕生起碼需要10年時間。
華為發(fā)布mate 60 pro后不久，ASML CEO溫寧克接受媒體采訪時坦言，中國有14億人，而且聰明人很多。他們能想到我們未想到的解決方案，出口管制只會迫使他們提升創(chuàng)新能力。他們做事更努力、更專注、更快，我們太自以為是了。作為這個星球上唯一的EUV光刻機(jī)廠家，ASML已經(jīng)聽到了中國EUV光刻機(jī)不斷逼近的震撼腳步聲。
眾所周知，EUV光刻技術(shù)是一個極其龐大、卻又無比精妙的系統(tǒng)工程。EUV光刻機(jī)共有三大核心技術(shù)，分別為EUV光源系統(tǒng)，高精度弧形反射鏡系統(tǒng)、超高精度真空雙工件臺。其中EUV光源又是核心中的核心。
光刻機(jī)光源每一代進(jìn)步都是個難題，最早是汞燈產(chǎn)生的UV 436 g-line和365nm i-line，接著是DUV 248nm KrF和193nm ArF準(zhǔn)分子激光光源。
雖然早在1960年美國科學(xué)家梅曼就發(fā)明了第一臺激光器，不到一年中國首臺激光器在中科院長春光機(jī)所由王之江等人研制成功，但是激光由于受到放大介質(zhì)的限制，很難向短波長的紫外和X射線的波段推進(jìn)。
不過，科學(xué)家從理論上預(yù)測了紫外波段激光的可能性，激光發(fā)明的那一年，德國物理學(xué)家豪特曼就提出了準(zhǔn)分子束縛－自由電子躍遷產(chǎn)生增益的理論，即以準(zhǔn)分子為激活介質(zhì)實現(xiàn)激光振蕩。
10年后的1970年，第一束準(zhǔn)分子激光如約而至，蘇聯(lián)諾貝爾物理學(xué)獎獲得者尼古拉·巴索夫在莫斯科物理研究所，使用電子束激發(fā)氙氣二聚體，產(chǎn)生的準(zhǔn)分子激光波長為172nm。
DUV光刻機(jī)的193 nm ArF準(zhǔn)分子激光單光子能量為6.4eV, 能夠誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)，有效打斷材料組織中的化學(xué)鍵，從而對材料實現(xiàn)光解切割，避免了紅外波段激光加工中的熱效應(yīng)，具有“冷加工”的優(yōu)良特點。
美國人率先把準(zhǔn)分子激光工程實用化。三名“不務(wù)正業(yè)”的IBM的科學(xué)家嘗試在火雞骨頭、頭發(fā)上刻蝕圖案后，IBM于1982年成功將準(zhǔn)分子激光技術(shù)應(yīng)用在半導(dǎo)體光刻工藝中。浸沒式光刻之父，臺積電研發(fā)六騎士之一的光學(xué)博士林本堅，正是在IBM參與DUV準(zhǔn)分子激光光刻技術(shù)的研發(fā)，并獲得10屆IBM杰出發(fā)明獎，1個杰出貢獻(xiàn)獎。
而兩名畢業(yè)于美國加州大學(xué)圣地亞哥分校的激光光學(xué)博士卻碰到了準(zhǔn)分子激光研究的陷阱。阿金斯和桑德斯特羅姆，正在HLX國防科技公司研究把準(zhǔn)分子激光用于令人興奮的潛艇與衛(wèi)星的通信，6年研究僅證明準(zhǔn)分子激光無法穿透大氣層來承載通信。他們只好把注意力轉(zhuǎn)向了IBM開創(chuàng)的準(zhǔn)分子激光芯片制造領(lǐng)域。1986年，他們倆創(chuàng)業(yè)成立了Cymer公司。
業(yè)內(nèi)很看好DUV準(zhǔn)分子激光，但是對EUV則充滿了懷疑，即便是美國最頂級的勞倫斯利弗莫爾國家實驗室都沒有底氣面對質(zhì)疑。IBM等公司直接跳過EUV波段，從1981年就開始著手更超前的1-10nm波段軟x光射線的研究。事實上IBM認(rèn)為軟X射線比DUV準(zhǔn)分子激光更有前景，配備的資源也更多。當(dāng)時全世界最頂尖的科學(xué)家耗時11年搭建了十幾道系統(tǒng),耗費(fèi)了大量的科研經(jīng)費(fèi),最終的結(jié)論是軟x光射線無法應(yīng)用于下一代的光刻技術(shù),根本的原因還是軟x光射線的成像系統(tǒng)的像場和波前誤差不如預(yù)期。而關(guān)于這點，林本堅似乎有先見之明。某天IBM在軟X射線研究取了重大進(jìn)展，負(fù)責(zé)人給每人一件T恤，寫著X ray works，即X光有用以資慶賀，林本堅竟在下面加了幾個字，成了‘X ray works - for the dentists’，即X光可用，是在牙醫(yī)診所，還用磁鐵掛在他辦公桌后面的檔案柜上，昭告所有路過的同事。
業(yè)界只好放棄軟X光射線，退而求其次回到EUV波段。因為有了軟X光射線失敗的經(jīng)驗，1993年到1996年僅花了3年就初步論證了13.5nm EUV應(yīng)用于下一代光刻機(jī)的可行性。因為幾乎所有材料對波長短于100 nm的光都有強(qiáng)烈的吸收，故EUV光刻機(jī)不能采用透射式光學(xué)系統(tǒng)，只能采用反射式光學(xué)系統(tǒng)。又因為EUV波長與晶格參數(shù)接近，很容易發(fā)生衍射，反射率也很低，最終的反射方案是采用多層鍍膜的Mo-Si布拉格反射器，研究表明其對13.5nm波長的反射率最高，達(dá)到了70%，因此下一代光刻機(jī)最終采用波長13.5nn附近0.27nn帶寬的EUV光源。
選擇13.5nm這個數(shù)字，從1981年到1996年花費(fèi)了整整15年之久。
很快整個行業(yè)就圍繞EUV運(yùn)轉(zhuǎn)起來，1997年英特爾和美國政府牽頭成立EUV LLC聯(lián)盟，該聯(lián)盟匯聚了美國頂尖的研究資源和芯片巨頭，包括勞倫斯利弗莫爾實驗室、勞倫斯伯克利實驗室、桑迪亞國家實驗室三大國家實驗室，聯(lián)合IBM、AMD、摩托羅拉等科技巨頭，集中數(shù)百位頂尖科學(xué)家，共同研究EUV光刻技術(shù)，共享研究成果。美國政府擔(dān)心尖端技術(shù)落入外國公司，并且有意打擊日本半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，所以反對日本光刻巨頭尼康的加入，規(guī)模尚小的ASML做出在美國建立工廠和研發(fā)基地等多項讓步后才成功加入EUV聯(lián)盟，而臺積電當(dāng)時還是不起眼的小代工廠，也沒有被接納加入。不過考慮到ASML和臺積電本來就有間接持股關(guān)系，未來的臺積電在EUV領(lǐng)域舉足輕重也不為怪。
在完成了EUV光源的可行性論證后,從1996年到2011年,又一個15年,業(yè)界才完成13.5nm EUV光源的實用工程化。
EUV實用化工程化的苗頭初現(xiàn)，并依托商業(yè)上已經(jīng)成功的DUV光刻機(jī)，ASML就啟動了極具進(jìn)攻性的商業(yè)競爭策略。2012年ASML主動提出了客戶聯(lián)合投資計劃，拿出23%的股份籌集了53億歐元的投資，英特爾認(rèn)購了15%、臺積電認(rèn)購5%，三星認(rèn)購了3%。拿到錢后，當(dāng)年ASML立即斥資 26億美金收購了完整經(jīng)歷過DUV和EUV光源變遷的Cymer，另外入股或者綁定德國蔡司，通快等EUV光源核心技術(shù)公司的獨(dú)家供貨權(quán)。日本的佳能和尼康光刻機(jī)最終和EUV絕緣，Cymer也成為目前世界上唯一的商業(yè)化EUV光源提供商。
由于13.5nm的EUV易被吸收，損耗極高，而且EUV沒有DUV那種低成本的浸沒式精度提升方案，光學(xué)系統(tǒng)的孔徑也做不大，所以別看193nm和13.5nm這兩個光源波長相差了15倍，EUV光刻僅提升了3倍不到的精度，而且伴隨精度的提升，是對EUV光源功率的極為苛刻的要求。為了在 60% 的典型掃描儀占空比下實現(xiàn)每小時100 片晶圓的吞吐量，晶圓上的功率應(yīng)大于約 550 mW，這意味著 EUV 源功率在IF中間焦點處功率大于200W。相比之下，DUV 193nm光源的功率為90 W?？雌饋韮烧咚坪醪顒e沒有那么大，但為了產(chǎn)生200W的EUV，卻需要功率相當(dāng)于戰(zhàn)術(shù)激光武器的40KW脈沖激光來激發(fā)。
那么如何產(chǎn)生高功率密度的13.5nm的光源呢？
產(chǎn)生13.5 nm EUV的首選方法是高電荷離子的等離子體發(fā)射。三種最有希望的候選元素是 鋰、錫和氙，它們都具有在所需帶寬內(nèi)具有強(qiáng)共振躍遷的離子。由于多種原因，鋰基和氙基等離子體源獲得的轉(zhuǎn)換效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于錫基等離子體。在確定了錫作為電離材料后，實現(xiàn)電離的方法也出現(xiàn)了2個主要分支，即LPP激光等離子體和DPP放電等離子體。
DPP方案是把錫涂覆在電極兩端，加高壓，這樣兩極之間會產(chǎn)生等離子體，并且會發(fā)生箍縮效應(yīng)，產(chǎn)生自發(fā)輻射，從而發(fā)出極紫外光。DPP方案將電能直接轉(zhuǎn)化為等離子體能，光源結(jié)構(gòu)簡單，又由于容易建造大功率電源系統(tǒng)，最終EUV輸出功率理論上是容易提升。但仍有許多關(guān)鍵問題需要解決，比如錫碎屑與光學(xué)系統(tǒng)的隔離、重頻放電條件下光源穩(wěn)定性、增大光源輸出角等。
LPP方案的基本原理是用強(qiáng)激光脈沖轟擊錫液滴，金屬錫中的自由電子吸收脈沖能量并轉(zhuǎn)移給晶格振動，從而破壞金屬鍵使得金屬錫被打成等離子體，其中含有大量高度電離的、溫度達(dá)十萬攝氏度的錫離子，根據(jù)玻爾茲曼因子估算，足以使錫離子占據(jù)極紫外量級的高能激發(fā)態(tài)。
Cymer的LPP整體方案顯得十分魔幻。首先選中了德國通快公司的極高功率CO2紅外激光，其波長是10.6um，最適合錫等離子體通過逆韌致輻射吸收效應(yīng)，吸收大量激光的能量，從而有助于升溫并電離。其次采用預(yù)脈沖激光技術(shù)顯著提高EUV光源轉(zhuǎn)換效率。錫液滴的直徑為20微米，而主脈沖二氧化碳激光器光斑直徑至少為幾百微米，為了解決液滴尺寸和激光光斑尺寸的不匹配問題，先用小功率預(yù)脈沖激光照射錫液滴使其升溫膨脹，受光面積變大。緊接著主脈沖激光再次精確轟擊這個餅狀的錫滴將其形成等離子體，并產(chǎn)生EUV輻射。為了保證光源的連續(xù)性，1秒鐘需要精確“狙擊”5萬個20微米的錫液滴。這樣很容易將激發(fā)轉(zhuǎn)換效率從1%提升到5%，也就是將EUV光源功率增加5倍。如果單純提升紅外激光器的功率，意味著要將40千瓦的紅外激光平均功率提升到200千瓦，那幾乎是不可能的任務(wù)。
Cymer自己并沒有高功率二氧化碳激光器，其合作伙伴德國通快基于其二氧化碳激光技術(shù)定制了一套獨(dú)一無二的激光放大器。其核心組件包括高功率種子模塊、高功率放大鏈路、光束傳輸系統(tǒng)、光學(xué)平臺FFA等。在五個放大階段中，該設(shè)備可提升一個較弱的激光脈沖超過10000次，輸出的激光脈沖超過40千瓦的平均脈沖功率，脈沖峰值功率可以高達(dá)幾兆瓦。
雖然得到了極紫外線，但它是向四周散射的，還必須想辦法把它們收集匯聚到一起，才可以對晶圓進(jìn)行光刻。要匯聚極紫外線，只能借助于分布式布拉格反射器。它的原理其實并不復(fù)雜，光線在經(jīng)過特殊設(shè)計的反射介質(zhì)時，如果其波長恰好為1/4波長，那么介質(zhì)的兩面反射光恰好相差1/2波長，則發(fā)生相消干涉，實際上增強(qiáng)了反射光。通過設(shè)計不同反射介質(zhì)的組合，可以單獨(dú)加強(qiáng)針對某一波段的光線的反射率，起到光譜純化效果。
ASML光刻機(jī)中的布拉格反射器由蔡司研發(fā)，采用硅和鉬作為主要原料，超過40層介質(zhì)層，每層的厚度只有不到4納米，而鍍膜的精度誤差不超過0.05納米，鍍膜技術(shù)由德國弗勞恩霍夫應(yīng)用光學(xué)與精密機(jī)械研究所提供。通過精確控制介質(zhì)的厚度和組合，原本四散射出的極紫外線就可以集合起來，匯聚為一束強(qiáng)的光線用于生產(chǎn)。
所以Cymer的EUV方案是整合了蔡司的無以倫比的光學(xué)反射鏡、弗勞恩霍夫光機(jī)所的精確的鍍膜、通快的超高功率二氧化碳激光這三家德國公司的先進(jìn)技術(shù)。2020年，這三家公司因為EUV光源技術(shù)獲得德國未來獎。
收集EUV還只是開始，麻煩還在后頭。激光照射錫滴形成的碎屑如果沉積在鍍膜鏡面上，將會導(dǎo)致EUV收集鏡的反射率降低。即便是沉積的錫厚度只有1 nm，即只有幾個原子層，收集鏡的反射率降低也將達(dá)到10%，而衰減10%就需要更換昂貴的收集鏡了。Cymer通過氫氣氣流來“燒掉”沉積的錫碎屑，錫通過與氫氣反應(yīng)生成氣體SnH4并被排出。然而這個過程產(chǎn)生的微量游離氫離子會逐漸滲透進(jìn)入收集鏡的反射多層鍍膜，并在多層鍍膜內(nèi)部緩慢聚合成氫氣，將會導(dǎo)致多層鍍膜內(nèi)產(chǎn)生氣泡而被剝離，所以必須發(fā)明一種特殊的保護(hù)層覆蓋在多層鍍膜的頂部。
為了安裝EUV光源這樣精密的設(shè)備，對空氣潔凈度的要求也是極高的。在美國航空航天署組裝詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的無塵房間，其清潔度達(dá)到了CleanRoom ISO 7，也就是每立方米的空氣中，大于0.5微米的微粒數(shù)量不得超過35.2萬個。但是，ASML廠房的清潔度必須達(dá)到ISO 1，也就是說，每立方米空氣中，小于0.1微米的微粒數(shù)量不得大于10個，大于該尺寸的微粒不得存在。
在預(yù)脈沖技術(shù)的推動下，ASML的EUV光源功率在過去十年保持了線性增長。第一代EUV驗證機(jī)型NXE3100光刻機(jī)曝光功率僅有10W左右，其產(chǎn)能僅為8-10片晶圓/小時。2018年Cymer將功率提升到250W，NXE3400B光刻機(jī)的產(chǎn)能是155片/小時，而NXE3400C的產(chǎn)能提高到170片/小時。通過采用新的1微米激光預(yù)脈沖，ASML已經(jīng)實現(xiàn)閉環(huán)600W，開環(huán)700W的創(chuàng)紀(jì)錄的EUV功率！LPP EUV光源在未來3-5年很可能突破千瓦級大關(guān)，直指1nm芯片節(jié)點。
中國的EUV光源一方面可以跳過沒有頭緒的漫長理論摸索，另一方面可以基于最新的技術(shù)進(jìn)展來直接開展實用工程化研究，大幅度縮短了進(jìn)程。
公開信息顯示，哈爾濱工業(yè)大學(xué)負(fù)責(zé)的DPP-EUV光源已經(jīng)達(dá)到實用化的120W的水平，這相當(dāng)不容易。雖然DPP整體方案看似比LPP簡單得多，但當(dāng)年Cymer無法提升功率只好放棄DPP轉(zhuǎn)向LPP。2023年4月13日下午，中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院前院長白春禮到長春光機(jī)所調(diào)研了EUV光源，相信這是結(jié)合哈工大DPP EUV光源和長春光機(jī)所的高精度弧形反射鏡系統(tǒng)的EUV光源工程樣機(jī)。DPP方案可以避開當(dāng)前LLP-EUV的專利壁壘，同時與未來的加速器光源方案有一定的繼承性。
關(guān)于EUV反射收集鏡，中國出乎意料的有技術(shù)底蘊(yùn)。早在2015年，中國長春光機(jī)所就已經(jīng)研發(fā)出了EUV高精度弧形反射鏡系統(tǒng)，多層鍍膜面形誤差小于0.1nm，只是鍍膜設(shè)備采購自海外，被禁售制裁導(dǎo)致鍍膜裝置無法生產(chǎn)。2021年7月，中科院旗下中科科美成功研發(fā)出鍍膜精度控制在0.1nm以內(nèi)的直線式勞埃透鏡鍍膜裝置及納米聚焦鏡鍍膜裝置，已經(jīng)可以滿足了EUV反射收集鏡的要求，未來將鍍膜精度繼續(xù)提升到0.05納米也完全有可能。
中科院上海光機(jī)所則負(fù)責(zé)LPP方案的攻關(guān)，據(jù)當(dāng)前公開的研究進(jìn)展情況，LPP EUV光源IF功率達(dá)到了188W，轉(zhuǎn)換效率為3.7%，同樣也能夠進(jìn)入實用化，而且專門設(shè)置的磁鏡裝置可以產(chǎn)生非均勻磁場對等離子體進(jìn)行約束，從而抑制錫碎屑對光學(xué)元件造成的污染。但LPP EUV所需的脈沖大功率二氧化碳激光器，我國長期處于落后局面。20KW以上二氧化碳激光器只有美國和日本的幾家企業(yè)能夠生產(chǎn)，且依據(jù)瓦森納協(xié)定對中國禁售。所以LPP方案雖然ASML已經(jīng)充分驗證，看似路徑明確，但對中國來說待攻關(guān)的技術(shù)點多，專利壁壘深厚，挑戰(zhàn)反而更大。即使成功，也不過是亦步亦趨跟隨ASML，很難做到超越。
廣東智能機(jī)器研究院與華中科技大學(xué)，在嘗試采用分時高功率光纖激光器射擊液態(tài)錫靶，繞開超高功率、超高重頻二氧化碳激光器這個路線，400路光纖激光器和分時束照射裝置理論上可以實現(xiàn)數(shù)倍于ASML LPP的光源轉(zhuǎn)換效率。
最后一個方案則是路線最為創(chuàng)新、最為顛覆性的加速器光源SSMB-EUV，即穩(wěn)態(tài)微聚束極紫外光源路線，由清華大學(xué)主導(dǎo)。
加速器光源主要包括基于電子儲存環(huán)的同步輻射SR和基于電子直線加速器自由電子激光FEL兩種。我們知道EUV光刻對光源的有4方面要求：高平均功率，這樣曝光速度快，利于提高生產(chǎn)效率；高亮度，可以降低對光刻膠的敏感度要求；高純度，就是頻帶比較窄，有利于提高分辨率；短波長，同樣有利于提高分辨率。
SR光源的功率、亮度都很好，比LPP/DPP光源強(qiáng)得多，但它產(chǎn)生的是一個頻率范圍較大的連續(xù)光譜，需要配合濾光器得到合適的窄帶光源。問題是“寬帶”濾成“窄帶”必然損失大量的光能，部分抵消了功率高的優(yōu)點。
而FEL亮度更高，可以比SR還高10個量級，純度也非常高，還能做到波長連續(xù)可調(diào)。但麻煩的是脈沖重復(fù)頻率比較低，這樣平均功率就降得很厲害。
SSMB光源把SR和FEL結(jié)合起來了，可以得到高功率、高亮度、高重頻、窄帶寬的光源，而且波長可調(diào)，別說EUV，就是下一代波長約6 nm的Blue-X光源都能達(dá)到，而且不需要SR的濾光器或LPP/DPP的多反射光譜純化裝置。顯然，就性能來講是非常適合進(jìn)行EUV光刻的。
只是加速器光源最大的弱點是非常昂貴，而SSMB貴上加貴，另外體積也太大，適合建設(shè)為國家級的EUV光源研究和生產(chǎn)的基礎(chǔ)設(shè)施。
我國的加速器光源的基礎(chǔ)建設(shè)完全是國際水平。同步輻射上海光源于2004年2月立項，于2009年4月完成調(diào)試并向用戶開放。自由電子激光大連相干光源于2012年初正式啟動，2016年9月24日首次出光。而世界上亮度最高的第四代同步輻射光源，懷柔科學(xué)城的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，高能同步輻射光源HEPS于2019年6月啟動建設(shè)，中科院高能所承擔(dān)，建設(shè)周期6.5年，與我國現(xiàn)有的光源形成能區(qū)互補(bǔ)。由清華大學(xué)主導(dǎo)的SSMB，已經(jīng)在雄安選址開工建設(shè)1千瓦級SSMB-EUV光源，投資在10億量級。
當(dāng)然，SSMB技術(shù)進(jìn)展不可能趕上首臺國產(chǎn)EUV光刻機(jī)，盡快達(dá)成實用工程化還得指望上海光機(jī)所的LPP-EUV或者哈工大的DPP-EUV。
顯然EUV光刻關(guān)鍵技術(shù)備受社會關(guān)注，有聲音認(rèn)為只要我們能夠自己制造出一臺EUV光刻機(jī)，國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展問題就基本解決，但事實并非如此。EUV光刻機(jī)只不過是中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展路上需要解決的問題的一個縮影，重要的，但絕非唯一的問題。作為全新的芯片前沿工藝體系，其研發(fā)是一個龐大的原始創(chuàng)新工程，需要光學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)、微電子學(xué)、材料學(xué)與精密機(jī)械以及控制等多學(xué)科交叉的、大縱深的開創(chuàng)性研究；科學(xué)家必須在光源、結(jié)構(gòu)、器件、工藝及檢測等領(lǐng)域解決一系列核心科學(xué)問題，并闡釋許多新機(jī)制和新機(jī)理。以中國科學(xué)院為代表的國家戰(zhàn)略科技力量，需要以雄厚的前沿科研積累、高水平的研發(fā)大平臺和權(quán)責(zé)清晰的組織規(guī)則，形成強(qiáng)大的平臺吸引力和合作凝聚力，激發(fā)產(chǎn)業(yè)合作伙伴的創(chuàng)新熱情與潛能。
還是那句話：尊重規(guī)律，保持敬畏，充滿信心，黎明一定會到來。
轉(zhuǎn)載請注明出處。
相關(guān)文章
熱門資訊
精彩導(dǎo)讀
關(guān)注我們
