雖然近期臺積電高管表示，臺積電接下來的A16/A14制程都不會采用ASML售價高達(dá)4億美元的High NA EUV光刻機（具有0.5數(shù)值孔徑），但是英特爾則已經(jīng)決定在其下一代的Intel 14A制程上選擇采用High NA EUV光刻機進(jìn)行量產(chǎn)。

與此同時，為了解決為了的1nm以下制程的制造問題，ASML正在積極的研發(fā)具有0.75NA的Hyper NA EUV光刻機，這也意味著其將面臨更大的技術(shù)挑戰(zhàn)，要知道ASML花了約20年的時間才成功推動標(biāo)準(zhǔn)型EUV光刻機的規(guī)模商用。

而作為急需在EUV光刻機上進(jìn)行突破的中國，則將目光瞄向了基于直線電子加速器的自由電子激光技術(shù)的EUV光源（EUV-FEL）技術(shù)。

EUV光刻機：17年的時間和90億美元的研發(fā)投入

目前全球幾乎所有的7nm以下的制程工藝都全面采用了ASML的EUV光刻機來進(jìn)行量產(chǎn)，同時隨著DRAM制程進(jìn)入到10nm，美光、三星、SK海力士等存儲大廠也開始或計劃導(dǎo)入EUV光刻機。

雖然上一代的193nm浸沒式光刻機采用多重曝光技術(shù)將制程工藝推進(jìn)到7nm左右（極限甚至可以到5nm，但是良率會大幅降低），但是使用多重曝光會帶來兩大新問題：一是光刻加掩膜的成本上升，而且影響良率，多一次工藝步驟就是多一次良率的降低；二是工藝的循環(huán)周期延長，因為多重曝光不但增加曝光次數(shù)，而且增加刻蝕（ETCH）和機械研磨（CMP）工藝次數(shù)等，這也會帶來成本的大幅上升和良率的降低。

而要解決193nm浸沒式光刻所面臨的問題，最為有效的方法就是通過進(jìn)一步縮短光源波長來提升光刻分辨率。因此，在20多年前，頭部的晶圓制造商和ASML就將目光瞄向了光源波長只有13.5nm的EUV（極紫外光）光刻技術(shù)。

1997年，英特爾牽頭創(chuàng)辦了EUV LLC聯(lián)盟，隨后ASML作為唯一的光刻設(shè)備生產(chǎn)商加入聯(lián)盟，共享研究成果。隨后，ASML通過一系列的收購（比如收購美國準(zhǔn)分子光源提供商Cymer等）和自身的研發(fā)，在2010年首次推出了概念性的EUV光刻系統(tǒng)NXW:3100，但是直到2016年面向量產(chǎn)制造的EUV系統(tǒng)NXE:3400B才開始批量發(fā)售，從真正開啟EUV光刻系統(tǒng)的新時代。

據(jù)ASML此前介紹，對于EUV光刻機的研發(fā)，ASML總計花了90億美元的研發(fā)投入和17年的研究，才最終獲得了成功，最終到進(jìn)入大規(guī)模商用更是花了約20年的時間。

相對于193nm浸沒式光刻機，EUV光刻機不僅可以使得光刻的分辨率大幅提升，同時一次就能曝出最小距離為 13nm 精細(xì)圖形，而且也不需要浸沒系統(tǒng)，沒有超純水和晶圓接觸，在產(chǎn)品生產(chǎn)周期、OPC的復(fù)雜程度、工藝控制、良率等方面的優(yōu)勢明顯。當(dāng)然，唯一的劣勢在于最初的價格高達(dá)1.5億美元一臺。

憑借著英特爾、臺積電、三星著三大頭部先進(jìn)制程客戶的強力支持，再加上ASML自身在EUV光刻領(lǐng)域的持續(xù)研發(fā)投入，以及在EUV光刻設(shè)備上游的關(guān)鍵器件和技術(shù)領(lǐng)域的多筆收購及投資布局，使得ASML多年來一直是全球EUV光刻機市場的唯一供應(yīng)商。

領(lǐng)導(dǎo) ASML 研究部門的 Jos Benschop 說：“幾十年來，在摩爾定律的推動下，過去每一代新的制程節(jié)點的晶體管長度和寬度都縮小了 70%。但是現(xiàn)在每一代微縮的幅度已經(jīng)降低到了大約20%。”雖然現(xiàn)在最先進(jìn)的High NA EUV光刻機可以打印 8nm 的線條，距離大約為 32 個硅原子。但是當(dāng)晶體管間距靠得如此近時，量子隧穿效應(yīng)就可能會出現(xiàn)——電子可能將表現(xiàn)出不可預(yù)測的行為。

自 90 年代末以來，一直從事 EUV 研究的 Benschop 說：“根據(jù)最初的縮放比例，我們將在 2065 年左右達(dá)到四分之一納米（2.5埃米）的水平，即兩個硅原子之間的距離。但是，根據(jù)現(xiàn)在的預(yù)計，我們可能會在下個世紀(jì)中葉才達(dá)到那個點。”因此，在未來幾十年中，ASML 可以繼續(xù)盡可能高效地縮小晶體管的尺寸。但是怎么做到呢？

攜手ARCNL

據(jù)荷蘭媒體NRC報道，ASML除了自身投入大量的資金進(jìn)行技術(shù)研發(fā)之外，也有與阿姆斯特丹納米光刻高級研究中心 （ARCNL）進(jìn)行合作。

據(jù)介紹，ARCNL 成立于十年前，與阿姆斯特丹大學(xué)的合作伙伴關(guān)系。推動者是 ASML 的前技術(shù)總監(jiān)兼聯(lián)合總裁 Martin van den Brink，他已于去年退休。ASML公司支付了 ARCNL 預(yù)算的三分之一（每年約 400 萬歐元），以便 80 名科學(xué)家可以研究前沿的光刻技術(shù)的構(gòu)建模塊。ARCNL 的任務(wù)是改進(jìn)ASML現(xiàn)有的EUV光刻技術(shù)，并在未來 EUV 失敗的情況下研究替代方法。

Wim van der Zande 自 2022 年以來一直擔(dān)任 ARCNL 的董事，之前曾在 ASML 的研究部門工作。學(xué)者們與費爾德霍芬和圣地亞哥的 ASML 研究人員以及荷蘭和國外的技術(shù)大學(xué)合作?！斑@是一個完整的生態(tài)系統(tǒng)，”Van der Zande 說。

ARCNL 在與 ASML 相關(guān)的領(lǐng)域進(jìn)行研究，該公司是第一個有機會評估新想法的公司。這種合作讓人想起 NatLab。這個前飛利浦實驗室做出了 CD 播放器等著名發(fā)明，也為 ASML 的光刻技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。NatLab 進(jìn)行了開創(chuàng)性的研究，即使它沒有直接的商業(yè)應(yīng)用，最終被飛利浦削減。

ARCNL 的科學(xué)家們意識到 ASML 最重要的挑戰(zhàn)：經(jīng)濟可行性。畢竟，不為芯片制造商賺錢的機器是不會有什么買家的。ASML 目前每年在研究方面的投資超過 40 億歐元，遠(yuǎn)高于其他荷蘭公司，因此它可以將 ARCNL 納入自己的管理之下。但這種做法將有損于開放的學(xué)術(shù)研究。

Van der Zande表示：“作為一名科學(xué)家，你可以花很多年時間進(jìn)行一項研究，但商界只關(guān)注短期，可能會突然停止一個項目。”盡管如此，大約四分之三的 ARCNL 研究人員在獲得博士學(xué)位后繼續(xù)在 ASML 工作。

更短波長的光源

1984年，當(dāng) ASML 創(chuàng)立時，光刻機使用波長為 365 或 436nm 的汞燈作為光源。隨后是 248 納米和 193 納米的激光。數(shù)年前已經(jīng)躍升至 13.5nm的EUV光源。

目前科學(xué)正在尋找合適的 6.7nm 和 4.4nm 波長的光源。有一些元件可以為 EUV 反射鏡提供透明度和反射的正確組合——對于 6.7 納米，這些材料是羊毛甾烷和硼。缺點：在較短的波長下，反射效果較差。

為了產(chǎn)生 6.7 納米的光，ARCNL 正在構(gòu)建一個使用釓而不是錫的研究裝置。然而，較短的波長并不是萬能的。能量分布在較少的光子上，如果您想打印納米級的線條，這會增加出錯的風(fēng)險。用技術(shù)術(shù)語來說：會有隨機噪聲?！翱偠灾?，我認(rèn)為我們進(jìn)入更小波長的可能性很小，”Benschop 說。

更大的數(shù)值孔徑

光刻機的分辨率的提升除了可以依賴于縮短光源的波長之外，還可以通提升鏡頭的數(shù)值孔徑（NA）的來進(jìn)行提升。目前的 EUV光刻系統(tǒng)的數(shù)值孔徑是 0.33 NA，而ASML最新推出的High NA EUV系統(tǒng)的數(shù)值孔徑已經(jīng)提升到了0.5 NA。

為此，ASML 的合作伙伴蔡司（Zeiss）不得不使用直徑超過一米的更大鏡子，同時蔡司還必須開發(fā)復(fù)雜的測量設(shè)備，以將物鏡的誤差降低到低至原子的偏差。

（其實早在2016年11月5日，AMSL就收購了卡爾蔡司半導(dǎo)體制造技術(shù)公司（Carl Zeiss SMT）的24.9%股權(quán)，以強化雙方在半導(dǎo)體微影技術(shù)方面的合作，研發(fā)High NA EUV光刻系統(tǒng)。）

ASML 及其鏡頭供應(yīng)商蔡司要想推動High NA EUV商用，還必須聯(lián)合供應(yīng)鏈做出更多的妥協(xié)。

首先，High NA EUV的芯片圖案所在的視場較小。因此，較大的芯片設(shè)計必須切成兩半，然后再重新綁在一起，這很麻煩。

其次，High NA EUV雖然分辨率更高，但焦深較小。這需要調(diào)整光敏涂料，它必須具有不同的化學(xué)成分，并且必須涂得特別薄（小于 20 納米）。

第三，晶圓本身也必須特別平坦，以防止偏差。

在High NA EUV成功推出的同時，ASML 和 蔡司還正在研究新一代的數(shù)值孔徑為 0.75 NA 的 Hyper NA EUV光刻系統(tǒng)。

Jos Benschop表示，Hyper NA EUV光刻系統(tǒng)的物鏡并不一定非得更大，“你也可以把最后一面鏡子放在離芯片更近的地方，這樣你就會得到同樣的效果。缺點是更多的光線會反射回來——這就是鏡子的情況?！?/p>

Hyper NA EUV還有一個優(yōu)點，更大的數(shù)值孔徑可以處理更多的光線，就像你倒空寬頸的瓶子比清空窄頸的瓶子更快。因此，Hyper NA EUV不僅能夠打印出更清晰的線條，而且打印速度也更快。

根據(jù)Martin van den Brink 此前披露的ASML未來15年的邏輯器件的工藝路線圖來看，利用目前的0.3NA的標(biāo)準(zhǔn)型EUV光刻機支持到2025年2nm的量產(chǎn)，再往下就需要通過多重曝光技術(shù)來實現(xiàn)，但支持到2027年量產(chǎn)的1.4nm將會是極限。

而0.55NA的High NA EUV光刻機則可以支持到2029年1nm制程的量產(chǎn)，如果采用多重曝光，則可以支持到2033年量產(chǎn)的5埃米（0.5nm）制程節(jié)點。

再往下就可能必須要采用0.75NA的Hyper NA EUV光刻機，或許可以支持到2埃米（0.2nm）以下的制程節(jié)點，這里路線圖上打了一個問號，所以不確定Hyper NA EUV光刻機能否支持下去。根據(jù)ASML的規(guī)劃，Hyper NA EUV光刻機首款產(chǎn)品可能將會在2030年前后推出。

這里需要強調(diào)的是，雖然一個硅原子的直徑大概就在1埃米左右，但是這里的所有的制程節(jié)點命名都只是等效指標(biāo)，并不是真實的物理指標(biāo)。2埃米制程節(jié)點的對應(yīng)的晶體管的金屬間距為大約在16-12nm，進(jìn)入到2埃米以下制程以下，金屬間距才會進(jìn)一步縮小到14-10nm。

所以， Benschop 才會說，預(yù)計到下個世紀(jì)中葉，晶體管之間的間距才有可能進(jìn)一步縮小到 1/4 nm 的水平。

更高的EUV光源功率，更低的能耗

目前ASML的EUV光源（被稱為激光等離子體光源），是通過利用德國通快（Trumpf）公司的30千瓦功率的二氧化碳激光器，每秒2次轟擊霧化的錫（Sn）金屬液滴（錫金屬液滴以每秒50000滴的速度從噴嘴內(nèi)噴出，即每秒需要10萬個激光脈沖），將它們蒸發(fā)成等離子體，通過高價錫離子能級間的躍遷獲得13.5nm波長的EUV光線。然后通過對EUV光進(jìn)行收集，并通過反射鏡修正光的前進(jìn)方向，最終進(jìn)入到鏡頭，作用到芯片表面的光刻膠。

△ASML EUV光源的微型版本

由于EUV光線波長非常短，所以它們會很容易被空氣吸收，所以整個EUV光源的工作環(huán)境需要被抽成真空。同時，EUV光線也無法被玻璃透鏡折射，必須通過蔡司的以硅與鉬制成的特殊鍍膜反射鏡，來修正光的前進(jìn)方向，而且每一次反射可能將會損失約30%能量，而EUV光學(xué)照明系統(tǒng)當(dāng)中有6組反射鏡，導(dǎo)致最終到達(dá)晶圓表面光阻層的EUV光源的功率理論上只有原來的約1%左右。

根據(jù)資料顯示，在2015年之時，ASML才設(shè)法將EUV光源提升到了100W，其龐大的drive laser（驅(qū)動激光器）加上其他部分，使得整個EUV光刻機的功耗達(dá)到了驚人的15000KW。現(xiàn)在，ASML已經(jīng)將EUV光刻機的EUV光源功率提升到了500W，接下來ASML計劃進(jìn)一步將功率提升到1000W，同時ASML希望持續(xù)降低能耗。ASML 預(yù)計，到 2033 年，每個照射晶圓的 EUV 能耗將比 2018 年減少約 80%。

如何來實現(xiàn)這些目標(biāo)呢？據(jù)NRC稱，ASML計劃將每秒噴射的50000滴錫金屬液滴提升到60,000 個，從而提升產(chǎn)生的EUV光源的功率。另外，為了更有效地利用來Trumpf 公司的激光器，ASML 希望drive laser使用固體激光器，因為它將消耗更少的能量。ARCNL也曾建議使用固體激光器來降低能耗。

“夾層蛋糕”式反射鏡

正如前面所指出的是，目前ASML的EUV光線采用的是通過蔡司的以硅與鉬制成的特殊鍍膜反射鏡，來修正光的前進(jìn)方向，每一次反射可能將會損失約30%能量，這也意味著如果經(jīng)過10面反射鏡，可能只剩下不足3%的能力。而ASML的High NA EUV如果采用了相對較少的反射鏡，那么可以作用于晶圓表面光刻膠的EUV光源功率更高。但是，如果反射鏡更少，可能就很難糾正鏡頭誤差。

NRC稱，特溫特工業(yè)大學(xué)的研究人員正在研發(fā)新的鏡面涂層，該涂層由一堆交替的鉬和硅層組成，一種材料是可以反射EUV光線的，另一種則是透明的，總共有大約 70 個“多層”相互重疊，每個層的占比略低于 3%。

“例如，我們現(xiàn)在實現(xiàn)了高達(dá) 71% 的反射率，接近理論上可以達(dá)到的 75%，”Marcelo Ackermann 教授說。他領(lǐng)導(dǎo) XUV Optics 小組，與蔡司和ASML合作研究涂層配方。該實驗室建立在 Fred Bijkerk 教授于 1990 年代初在 Nieuwegein 的 FOM 研究所開始的 EUV 研究的基礎(chǔ)上。

計算似乎很簡單：反射層的厚度必須達(dá)到波長的一半。訣竅在于精確的構(gòu)圖和僅 10nm厚的每一層的整齊分層。這是通過一種 Ackermann 稱為“微波濺射”的方法完成的。與最早的 EUV 反射鏡相比，這種“夾層蛋糕”式的反射鏡的各層現(xiàn)在彼此之間更加緊密地分離，這有利于光輸出。

Marcelo Ackermann 教授的實驗室與 ARCNL 一起，還為在 EUV 水平上生長的囊泡找到了解決方案。訣竅是添加額外的材料，至于選擇哪種材料？這就是我們的秘方?！盡arcelo Ackermann 說。

更大、更快的掩膜版

此外，High NA EUV光刻機使用鏡子，以不同的方式在長度和寬度上放大掩模板上刻畫的芯片圖案的藍(lán)圖。因此，在晶圓上刻畫芯片圖案的需要更長的時間。 ASML則希望通過提高速度來補償這一點。

在High NA EUV光刻機的頂部，像復(fù)印機的掃描儀一樣來回移動掩膜板支架現(xiàn)在加速度達(dá)到了32G，這是重力的32倍。Benschop說，只要機器不發(fā)生故障，就可以再快幾倍。

現(xiàn)在的大型AI 芯片包含數(shù)千億個晶體管和數(shù)十個處理器內(nèi)核，其設(shè)計非常大，以至于它們不再適合使用 High NA EUA光刻機來一次完成一個傳統(tǒng)的掩膜板圖案的光刻。所以目前AI芯片的制造是依賴于各個部分單獨光刻制造的，然后通過先進(jìn)封裝技術(shù)整合在一起。這雖然也很有效，但不方便。

如果芯片制造商愿意，ASML 可以切換到更大尺寸的掩模，從而再次“用畫筆繪畫”。然后，英特爾和臺積電等各方必須帶頭說服口罩行業(yè)的供應(yīng)商。

進(jìn)行更多測量

EUV光刻可以寫入納米結(jié)構(gòu)，也可以測量它們。戴著護(hù)目鏡的 Stefan Witte 教授正在 ARCNL 工作，主要研究法國物理學(xué)家 Anne L'Hullier 的諾貝爾獎獲獎研究的應(yīng)用。她發(fā)現(xiàn)，超短光脈沖就像樂器一樣，在與其他材料接觸時會產(chǎn)生泛音。因此，可以利用這種現(xiàn)象來檢查晶圓的質(zhì)量，即使在生產(chǎn)過程中也是如此。

諾貝爾獎得主 Anne l'Huillier 在費爾德霍芬的 ASML 上表示：“我認(rèn)為他們要求的成就是我們無法實現(xiàn)的?！?/p>

ARCNL 研究員 Peter Kraus 展示了記錄芯片材料如何以不同角度散射 EUV 光的測試設(shè)置?！拔覀兛梢杂^察到 5 到 10 納米的結(jié)構(gòu)，”Kraus 說。傳統(tǒng)的光學(xué)計量系統(tǒng)無法看到如此微小的細(xì)節(jié)。

△用于 EUV 計量的激光器測試臺，利用光波的“泛音”，可以映射芯片上的納米結(jié)構(gòu)

ARCNL 正在研究的另一種方法是光聲學(xué)：短脈沖光產(chǎn)生“看到”芯片層的聲波。隨著芯片結(jié)構(gòu)不斷縮小，同時在三維空間中增長，這些信息將變得更加重要。

替代性技術(shù)：EUV-FEL

目前ASML的EUV光刻機所采用的是被稱為激光等離子體EUV光源（EUV-LPP），其原理是通過30kW功率的二氧化碳激光器轟擊以每秒50000滴的速度從噴嘴內(nèi)噴出的錫金屬液滴，每滴兩次轟擊（即每秒需要10萬個激光脈沖），將它們蒸發(fā)成等離子體，通過高價錫離子能級間的躍遷獲得13.5nm波長的EUV光線。但是隨著半導(dǎo)體制程的持續(xù)推進(jìn)，EUV-LPP也將面臨更多的挑戰(zhàn)。

作為LPP-EUV技術(shù)的替代，近年來，美國、中國、日本等國家的研究機構(gòu)（相關(guān)文章：日本提出EUV光刻新方案：光源功率可降低10倍，成本將大幅降低?。┒加性谘邪l(fā)基于直線電子加速器的自由電子激光技術(shù)的EUV光源（EUV-FEL）系統(tǒng)，該技術(shù)通過磁鐵影響電子，可以產(chǎn)生任何波長的光，并且其光源功率足以同時支持10-20臺的EUV光刻機。借此不僅可以繞過ASML所采用的EUV-LPP技術(shù)路線，還可大幅降低EUV光源的系統(tǒng)的成本。

ASML 在 2015 年左右也研究了EUV-FEL技術(shù)，雖然該技術(shù)是有效的，但是卻不符合當(dāng)前的需求。因為，粒子加速器體積龐大覆蓋了整個建筑物，并不適合當(dāng)前的晶圓廠。而且，如果一旦EUV-FEL光源產(chǎn)生故障或者是需要維護(hù)，那么接入該光源的10多條生產(chǎn)線都將面臨停機問題。對于大多數(shù)的芯片制造商或者晶圓代工廠商來說，如果其在一個地區(qū)只建幾座晶圓廠，那么也就沒有必要用這樣的一個重型光源。

據(jù)了解，ASML 也與美國和日本的研究人員一起認(rèn)真研究了EUV-FEL技術(shù)，但最終還是放棄了。盡管如此，美國初創(chuàng)公司 Xlight 報告稱，它希望在 2028 年將 EUV-FEL 光源的原型與 ASML 機器連接起來。

領(lǐng)導(dǎo) ASML 研究部門的Jos Benschop 堅信，EUV-LPP是目前產(chǎn)生 EUV 光源的最具成本效益的方法，尤其是在EUV-LPP光源效率持續(xù)提高的情況下。

但對于中國來說，在美國和荷蘭將EUV光刻機及相關(guān)技術(shù)對其禁運的背景之下，成本已經(jīng)不再是關(guān)鍵問題，EUV-FEL技術(shù)可能更適合中國來將其商用化。畢竟該技術(shù)的有效性已經(jīng)是有被ASML等廠商證實。

“帶頭走路要復(fù)雜得多，”ASML前技術(shù)總監(jiān)Martin van den Brink 在 2015 年接受 NRC 采訪時說?！拔覀冏畛跏枪饪填I(lǐng)域的追隨者。你看到有人在你前面開車，心想如果我跟著那些尾燈走，至少我走的方向是正確的。一旦你超越了你的競爭對手，你就必須確定自己的方向?！?/p>