提高数值孔径是EUV光刻技能目标之一

目前环球仅有荷兰ASML公司具有EUV光刻机的生产能力，紧张是由于荷兰在欧洲所处的贸易环境，以及欧盟国家具有的干系家当上风，再加上该公司自身出色的设计能力，使其垄断了EUV光刻机的国际市场。

EUV光刻的技能路径梳理

EUV光刻是所有芯片生产的核心步骤，看似大略的一个曝光过程，实际上决定了芯片的全体制程工艺。

芯片制作技能路线

光刻本身的技能路线并不繁芜，将已经涂覆好光刻胶的圆晶及制备好的掩模版插入光刻机中，经由扫描仪将掩膜版图像记录后，通过一组投影光学器件进行掩模传输。
驱动EUV光源，发出紫外光照射光刻胶。
这属于一种步进-扫描式投影曝光技能，个中光刻胶镜头起到了非常主要的浸染。
EUV光芒经由镜头聚焦后，通过整形投射在掩膜版上。
高质量的光学镜头能够将掩膜版的图形完全地投影在光刻胶上，光刻胶通过光化学反应得到相应图形，后续再经由刻蚀将在硅基上得到终极的芯片构造。

由于聚焦镜头在光刻中起到了决定性浸染，当前的技能发展一个紧张的目标便是提高EUV光刻机的数值孔径（NA）。
根据瑞利公式，将数值孔径从0.33增加到0.55，可以成比例地提高可实现的临界尺寸——从0.33NA系统的13nm提升到0.55NA系统的8nm。
估计在2023年会有第一个0.55NA EUV系统完成研制，该系统将具有一个变形镜头系统，在一个方向上具有4倍的缩小率（与0.33 NA相同），在正交的另一个方向年夜将具有8倍的缩小率。

EUV光刻机是一套非常繁芜的系统，个中紧张零部件的数量就超过了10万个。
除了规模大，由于光刻机输出条件的严苛哀求，哀求全体系统具有极高的稳定性，所有部件或者子系统要具备足够的鲁棒性。
因此，EUV光刻技能的险些所有关键环节都是目前物理和机器工艺的极限水平，其生产存在相称大的困难。
对付EUV技能开拓而言，目前技能卡点紧张存在于光源部分、掩膜版、光学镜头、精密掌握系统等环节。

在光源部分方面，极紫外光源的发光事理虽然是明确的，但其发光过程须要激光技能、流体掌握技能等繁芜的环节相互合营。
在引发等离子体发光的过程中，如何精确掌握激光脉冲、如何降落等离子体气氛中的各种杂质污染物是难点。

在掩膜版方面，掩膜版本身是光刻工艺中的核心环节，决定了芯片微构造的详细形式。
掩模版表面多层抗反射膜的制备和防污染问题是目前存在的关键难点。

在光学镜头方面，目前EUV光刻机利用的镜头是一种繁芜镜头组合构造，通过不同镜头的特色匹配来抑制像差，其余通过增大通光口径来提高系统的截止频率。
每一块镜片必须利用高纯度透光材料，并通过高质量抛光。
优质的光学材料是目前面临的一个卡点问题，而超高精度的抛光技能，一方面依赖于高性能抛光设备，其余还与永劫光积累的抛光工艺，履历深度干系。

在精密掌握系统，作为一个加工设备，EUV光刻机中有两个同步运动的工件台，一个载底片，一个载胶片。
两者需始终保持高度同步，偏差必须掌握在2纳米以下。
两个事情台由静到动，加速度非常大，因此掌握难度也相称大。
而且作为高精度光学设备，环境对其事情性能的影响是不能忽略的。
温度、湿度、振动都会影响光学系统的构造，任何一点变革都将导致光路发生偏移，从而影响终极的光刻效果。
环境参数的获取，须要高精度、快速相应的传感器件，这也是目前面临的一个卡点。

EUV技能未来的市场前景和技能发展趋势

EUV光刻机并不是运用消费产品，作为高端制造设备，其实际的市场并不会很大。
ASML估量今年EUV设备出货量有望达到50台，虽然绝对数量有限，但是由于附加值高，终极的产值会非常可不雅观。
随着芯片在各领域的大量利用，芯片制造也成为一个主要的增长点，因此目前ASML的产能还不能知足市场需求。

EUV光刻机投入利用后，又大量催生了EUV曝光设备的需求。
就目前的订单数据显示，2025年之前的EUV光刻机需求将逐年创下新记录。
随着芯片制程工艺的提升，台积电和三星已采购大量EUV光刻机，存储芯片制造商SK海力士也已开始采取EUV光刻机，未来5年也将大幅增加采购量，美光科技也操持在2024年开始利用EUV设备。
干系芯片生厂商将会进一步推动高端芯片的下贱市场活力，进而使得EUV技能的市场前景看好。

关于EUV光刻机未来的发展方向，当前ASML正在探寻NA从0.33向0.55推进，估量2025年后能够进入量产，对 1.5nm及1nm逻辑制程工艺供应支撑，并有望在目前最前辈的DRAM制程中得到运用。
对付0.55 NA的光刻机而言，仅仅是光刻机系统的更新是不足的。
作为一个高折衷性的繁芜光学设备，光刻机中的任何一个部件变动都须要进行整体性的设计改良，因此为了合营0.55镜头的升级，光掩模、光刻胶叠层和图案转移工艺等方面也须要进行优化，从而确保全体光刻机的性能。

其余，EUV 光刻胶的研发也一贯是系统关注的问题，金属氧化物纳米颗粒型光刻胶的研制，是目前极紫外光刻工艺流程中最受关注的一个方向。
利用金属团簇核心对极紫外光的高接管率，以及后续刻蚀过程中的强抗刻蚀性，这种材料非常适宜的紫外光刻。
办理该类光刻胶的均匀性问题，待制备工艺成熟后将成为EUV光刻的优选光刻胶。

三维掩模成像的研究也是目前EUV技能发展的一个主要方向。
结合大NA透镜的构造及光学特性，须要对掩膜版材料进行优化。
由于大NA透镜使得光芒辐照角度变大，这须要对掩膜接管层的厚度进行重新优化，确保照明光路的正常。
发展更高效的设打算法，推动打算光刻技能的发展也将对EUV整体工艺技能的发展起到推进浸染。

EUV光刻领域的明星企业和发展性企业

从环球历年的光刻机出货数据可知， ASML、尼康和佳能三个企业占90%以上的光刻机市场份额。
个中ASML一家市场份额就占到了60%以上，且在EUV光刻机领域，ASML是唯一生产商。

EUV光刻机的研制首先离不开大量的资金投入，ASML每年在技能研发环节的投入的资金占发卖额的百分之十几乃至更高。
其余，EUV光刻机是一个繁芜的光机系统，涉及的技能领域宽泛，因此整机的研制过程须要不同领域的研发机构来共同完成。
就ASML的产品开拓过程而言，从EUV光刻机研发任务一开始提出，就采取了环球互助的发展路线，不仅从技能上凑集了欧美各国最前辈的光学、机器、掌握技能，同时在公司运营发展思路上也采取了并购、控股等灵巧的互助形式，来确保能够无门槛、及时地得到最前辈技能的支撑。

尼康与佳能虽然目前还没有完全研制出EUV光刻机整机，但这两个公司在光刻机研发生产领域实际上具有很强的技能储备。
其余，经由多年的发展，日本在半导体行业具有非常突出的家当生态上风，尼康与佳能也各自构建了完善的半导体业态。
再加上日本海内一向对高精尖材料生产链极为重视，在政策支持上也不存在困难，因此尼康和佳能冲要破EUV技能瓶颈可能性很大，完成EUV光刻机研发任务是很有希望的。
通过一定的资金和技能投入，有能力推出EUV光刻机。

作者丨四川大学电子信息学院教授 张蓉竹

编辑丨陈炳欣

美编丨马利亚

监制丨连晓东