盡管極紫外（EUV）光刻技術(shù)的概念可追溯至20世紀(jì)80年代末，但直到當(dāng)今半導(dǎo)體制造時(shí)代，EUV光源才真正成為焦點(diǎn)。阿斯麥（ASML）公司憑借2010年代推出的首款EUV光刻系統(tǒng)迅速樹立行業(yè)標(biāo)桿，如今已成為先進(jìn)芯片制造技術(shù)的絕對主導(dǎo)者，也是全球唯一能生產(chǎn)最尖端芯片的EUV光刻設(shè)備供應(yīng)商。

這項(xiàng)變革性技術(shù)的核心在于13.5納米波長的應(yīng)用，它實(shí)現(xiàn)了原子級別的材料精確操控，推動著新一代半導(dǎo)體器件的誕生。在制造流程下游，EUV計(jì)量技術(shù)的進(jìn)步進(jìn)一步鞏固了在半導(dǎo)體質(zhì)量控制中的角色，使檢測分辨率超越傳統(tǒng)技術(shù)的極限。

用于高數(shù)值孔徑極紫外技術(shù)的光學(xué)系統(tǒng)中安裝了精密反射鏡

13.5納米的威力
半導(dǎo)體制造商通過晶圓上刻蝕更精細(xì)的結(jié)構(gòu)不斷突破芯片設(shè)計(jì)邊界。盡管商用微芯片多依賴193至365納米波長，但13.5納米的EUV光刻技術(shù)可將導(dǎo)線寬度壓縮至納米級，這對生產(chǎn)高性能顯卡和高端智能手機(jī)芯片至關(guān)重要，推動速度、效率和功能的全面升級。

“EUV延續(xù)了光刻技術(shù)波長不斷縮短的趨勢；更短波長意味著更高分辨率和更小特征尺寸，”Energetiq公司副總裁兼總經(jīng)理Don McDaniel解釋道，“這提升了晶體管密度并降低功耗，兩者正是過去50年計(jì)算能力和存儲密度驚人進(jìn)步的關(guān)鍵。”

經(jīng)制造的晶圓在高數(shù)值孔徑極紫外系統(tǒng)中完成曝光（示意圖）

推動芯片設(shè)計(jì)極限
20多年前，業(yè)界已確定13.5納米為下一代芯片設(shè)計(jì)的關(guān)鍵波長，但決定技術(shù)路徑的是光學(xué)物理特性而非激光物理。這里的挑戰(zhàn)在于，該波長下缺乏現(xiàn)成的激光源，需開發(fā)新型光源。“此前的波長縮短均由現(xiàn)有光源（尤其是激光）的物理特性驅(qū)動，”McDaniel指出，“但低于193納米時(shí)，透明材料不復(fù)存在，光學(xué)系統(tǒng)必須改用反射鏡，特別是多層鏡。”

這些由兩種元素交替鍍層制成的多層鏡反射率有限，僅支持少量波長。蔡司SMT集團(tuán)傳播與戰(zhàn)略實(shí)施負(fù)責(zé)人Jeannine Rapp表示：“EUV光刻系統(tǒng)需在真空中運(yùn)行，并使用反射鏡替代透鏡（因空氣和玻璃會吸收EUV輻射）。這種創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了近乎完美的成像和超高精度。”

一種無電極Z箍縮放電等離子體光源。圖中亮斑為產(chǎn)生13.5納米輻射的"箍縮"區(qū)域，下方可見三個等離子體"回流環(huán)"在可見光波段發(fā)出強(qiáng)光

計(jì)量挑戰(zhàn)
隨著芯片制造精度的提升，EUV計(jì)量與缺陷檢測的創(chuàng)新需求日益緊迫。加州灣區(qū)企業(yè)EUV Tech和Energetiq是該領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，前者提供同波長EUV計(jì)量方案，后者則開發(fā)緊湊型高亮度X射線光源。

“芯片生產(chǎn)需要多樣化的計(jì)量工具，其中許多需與光刻工具同波長才能有效工作，這為EUV光源創(chuàng)造了新機(jī)遇，”EUV Tech首席執(zhí)行官Patrick Naulleau說，“但計(jì)量光源的要求與光刻不同，需要差異化設(shè)計(jì)。”

掩模坯料必須通過同波長檢測，因?yàn)樯盥竦南辔蝗毕轃o法用其他方法發(fā)現(xiàn)。McDaniel提到，圖案化掩模檢測正成為EUV光源開發(fā)者的重要方向，但電子束和深紫外（DUV）技術(shù)也可能分占市場。

ASML高數(shù)值孔徑極紫外光刻系統(tǒng)，為芯片制造業(yè)開啟了通往13.5納米黃金波長的技術(shù)大門

下一前沿：高數(shù)值孔徑與跨界應(yīng)用
阿斯麥與蔡司、通快合作，于2023年12月向英特爾交付首臺高數(shù)值孔徑（High-NA）EUV系統(tǒng)，2026年起可實(shí)現(xiàn)小于10納米（芯片級）光學(xué)分辨率的量產(chǎn)。與此同時(shí)，超數(shù)值孔徑（Hyper-NA）研究也已啟動。

支撐這一進(jìn)展需將EUV功率提升至2千瓦（是目前掃描儀功率的5倍），掩模行業(yè)也面臨尺寸翻倍的挑戰(zhàn)。光刻膠性能的改進(jìn)同樣在推進(jìn)中。

EUV的核心優(yōu)勢，使其在非光刻領(lǐng)域同樣大放異彩。例如在材料科學(xué)領(lǐng)域，EUV無損檢測技術(shù)可以揭示航空航天部件的微觀結(jié)構(gòu)缺陷；而在能源行業(yè)，EUV光譜助力下一代太陽能電池研發(fā)；在生物醫(yī)學(xué)方面，超高分辨率EUV顯微鏡可以為病毒研究和疫苗開發(fā)提供新工具。

超凈間內(nèi)極紫外光刻系統(tǒng)的組裝與調(diào)試

McPherson Instruments公司的Erik Schoeffel指出，EUV還在太陽物理、空間天氣監(jiān)測及高次諧波激光技術(shù)等領(lǐng)域潛力巨大，但成本與配套基礎(chǔ)設(shè)施仍是推廣障礙。

“EUV幾乎會被一切物質(zhì)吸收，需真空環(huán)境和光束線支持，這帶來高昂復(fù)雜度，”McDaniel坦言，“目前非半導(dǎo)體應(yīng)用多限于國家實(shí)驗(yàn)室的同步輻射光源，獨(dú)立EUV源尚未形成規(guī)模市場。”

盡管存在壁壘，行業(yè)仍在持續(xù)投入。更高效的EUV光源、優(yōu)化光學(xué)元件和污染控制技術(shù)將催生新應(yīng)用。Schoeffel強(qiáng)調(diào)，可靠的13.5納米相干光源及相關(guān)光學(xué)系統(tǒng)，將為高次諧波激光、阿秒物理乃至熱核聚變研究開啟大門。

隨著EUV向計(jì)量、能源和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域拓展，持續(xù)創(chuàng)新是突破挑戰(zhàn)的關(guān)鍵。高數(shù)值孔徑EUV的進(jìn)步與新應(yīng)用場景的探索，將讓EUV光源在未來技術(shù)版圖中扮演更重要的角色。