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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，被光刻產業界奉為「金科玉律」。同時，公開發表的「突破瑞利判據」的理論與實驗學術論文數以萬計，成就了許多的「全球高被引科學家」。那麼，瑞利判據的盡頭，BEUV（Beyond Extreme Ultraviolet，超越極紫外線）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戰？
前言
晶片號稱現代社會的“工業糧食”，是資訊產業的基石。自1958年積體電路誕生之日以來，晶片產業日益成為國家經濟和社會發展的戰略性、基礎性、先導性產業。晶片深刻地改變了人類的生產生活方式，從手機、家電、汽車等以大眾消費者為導向的C端產品，到醫療設備、電力、交通運輸、電信、電子政府等以業務為導向的B端產品，再到國防領域中的衛星、飛彈、航母等裝備，都離不開小小的晶片。所謂的「三百六十行，行行用芯」。
一顆晶片的誕生流程極為漫長，經歷重重考驗，可分為晶片設計、前道工序（晶片製造）和後道工序（封測）三個環節。前道工序是晶片產業鏈的核心環節，指根據晶片設計版圖，採用樂高蓋房子方式，以晶圓作為地基，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，層層往上疊的晶片製造流程，最終將晶片設計公司設計好的電路圖移植到晶圓上，並實現預定的晶片電功能。
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、蝕刻機、離子注入設備、CMP、測量設備及清洗設備。
在晶片製造流程中，光刻技術水平直接決定了晶片的最小線寬，定義了半導體裝置的特徵尺寸，直接決定晶片的製程水平和性能等級。毫無疑問，光刻製程是晶片製造流程中技術難度最大、成本最高、週期最長的環節。先進技術節點的晶片製造需60-90步光刻工藝，光刻成本佔比約為30%，耗費時間佔比約40-50%。
光刻機則是前道工序九大設備之首，在晶片生產線總投資的佔比約為20%。光刻機整合了物理學、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、軟體等40多個學科的最新科學成就，在60餘年的發展歷程中, 光刻機（包括其零件）不斷挑戰人類超精密製造裝備的極限，被譽為“現代光學工業之花”，晶片產業“皇冠上的明珠”。
瑞利判據一直是光刻機發展的根本遵循，被光刻產業界奉為「金科玉律」。目前的光刻機發展已進入高NA(Numerical aperture，數值孔徑)的EUV光刻時代，製程可達2nm及以下，預計2025年開始量產。
那麼，後NA EUV光刻機將如何演化？BEUV（Beyond Extreme Ultraviolet，超越極紫外線）光刻機是否會演化成光刻機的大結局？
瑞利判據的出生
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·艾里（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·艾里在一篇“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，透過任何尺寸的「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點。其中以第一暗環為界線的中央亮斑稱作「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環。
1863年，恩斯特·卡爾·阿貝成為耶拿大學一名講師(Privatdozent)。1866年，蔡司(Carl Zeiss, 1816年—1888年) 聘請當時年僅26歲的阿貝擔任獨立研究員，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製造的光學儀器。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），分辨率定義為：
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，解析度也可被定義為:
簡而言之，傳統光學顯微鏡能夠偵測到的物體最小細節是光波長的一半。這個經典的公式被刻在阿貝墓碑上。
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。
眾所周知，目前，EUV光刻機的鏡頭系統由蔡司公司所製造，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」理論為基礎，對「Abbe光學繞射極限理論」進行了進一步的延伸與細化，建立了「瑞利判據」(Rayleigh Criterion)。如果一個點光源的衍射影像的中央最亮處剛好與另一個點光源的衍射影像第一個最暗處相重合，瑞利認為這兩個點光源恰好能被這光學儀器所分辨。
「瑞利判據」是第一個明確給出了光學儀器分辨本領的準則。在此準則下，光學儀器的解析度為：
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。瑞利判據為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準，同時也指導我們如何提高顯微鏡的分辨率，例如透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線寬，即光刻機的分辨率，k1是製程因子，DoF是光刻焦深，k2是製程因子。
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，成為了光刻機發展的根本遵循，近60年來，一直被光刻產業界奉為「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，解析度的極限直接決定了光刻機能夠製造的最小特徵尺寸。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製造，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，提高單次微影解析度的方法主要有三種途徑：
1.縮短曝光波長；
2.增大投影光刻物鏡的數值孔徑NA；
3.減小光刻製程因子。
除了解析度之外，焦深DoF也是關鍵參數。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，只要光阻（即感光層）的厚度在這個範圍內，那麼整個膠層都能得到清晰的曝光，不會導致光刻解析度出現顯著的下降。
一般來說，光刻的解析度越高，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，晶片的表面位置有奈米尺度的變動，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-線）、365nm（I-線）、248nm（深紫外線，DUV）、193nm（ArF，乾式和水浸沒式）到目前的13.5nm（極紫外線，EUV）的發展歷程。
第二種提高光刻解析度路徑，數值孔徑NA越大，收集的繞射束越多，光刻解析度越高。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，光刻系統解析度的提高還可以透過優化製程參數來實現。例如，離軸照明、計算光刻和光阻工藝，等等，用於減少製程因子k1。單次光刻k1反映了光刻製程中的實際情況，其理論極限為0.25。
為了進一步縮小製程因子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節點的晶片生產。但實際上，當晶片進入7 nm節點，製程複雜度直線上升，其製程步驟是EUV光刻的5倍，光刻次數是EUV光刻的3倍，造成了難以解決的「80%的晶片良率”問題。而80%的晶片良率通常是晶片工廠獲利的標準。
2023年前，ASML最先進的EUV微影機是TWINSCAN NEX:3400C和TWINSCAN NEX:3400D，售價約1.7億歐元。其NA只有0.33，對應的解析度為13nm，可以生產金屬間距在38-33nm之間的晶片。
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，該工廠已成為英特爾公司最前沿研究的基地，也是該公司開發每一代晶片技術的地方。
2024年2月10日， ASML向媒體展示了該高NA EUV光刻機，型號為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）。英特爾公司已完成Intel 18A（1.8nm）和Intel 20A（2nm）製造流程的開發。上述晶片製程或將有部分利用高NA EUV微影機。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有意採購ASML新一代的高NA EUV光刻機。
毫無疑問，目前為止，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繞射極限的限制，突破了瑞利判據，帶來了一場新的顯微成像技術革命。
在顯微成像領域裡，典型的超衍射極限成像技術主要分為三大類：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》雜誌上發表STED理論。有鑑於此傑出工作，Stefan W.Hell教授獲得了2014年度的諾貝爾化學獎。
STED影像技術源自於愛因斯坦的受激輻射理論，是一種超分辨螢光成像技術。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。
超分辨成像的目的是將微小的物體放大，以便人類觀察。但實際上，反過來的光刻過程（投影縮小）也是可行的。受STED成像技術的啟發，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的飛秒雷射用作“鉛筆光”，形成實心光斑，實現光阻的雙光子吸收激發聚合；另一束532 nm的連續雷射用作“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，就能達到超分辨光刻的效果，目前已經可實現最小線寬36 nm和最小解析度140 nm的超分辨刻寫。
表面等離子體超分辨光刻透過調製表面等離子體透鏡的物圖形衍射的頻譜分佈，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射線量級，可以在i線達到22nm以下的光刻效果，是傳統繞射極限的0.24倍。
奈米壓印微影（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複型原理，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，直接透過壓印形成複雜的2D或3D圖案。
2023年10月13日，日本佳能公司宣布推出可製造尖端晶片的奈米壓印設備FPA-1200NZ2C。日本佳能公司稱該設備可達到最小線寬14nm的圖案化，相當於5nm節點。隨著掩模技術的進一步改進，NIL有望實現2nm節點。該設備因為不使用鏡頭，所以光刻製程成本“將比ASML的EUV少一位數”，耗電量也會減少90%。
一般認為，NIL技術被視為傳統微影技術的替代解決方案，在3D NAND 積體電路領域可實現更低成本的晶片量產。
BEUV微影機技術的提出
國際設備和系統路線圖(IRDS)由產業界、政府和學術界共同製定。IRDS仍保持國際半導體技術路線圖(ITRS)的工作模式,每隔一年發布一個新的15年路線圖,並每年更新。IRDS是晶片產業發展的風向標。
IRDS給出了2037年光刻技術的發展需求。儘管目前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微影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為26毫米×16.5毫米，原來的NA為0.33的EUV光刻機的最大曝光場尺寸為26毫米×33毫米，這對製造大面積晶片以及EUV光刻機產率都有較大影響。
IRDS也給出了2037年光刻機的發展預測。從長遠來看，一方面，有較高NA（如NA提高到0.70）的EUV微影機和波長為6.X nm的BEUV（Beyond Extreme Ultraviolet，超越極紫外線）微影機兩種選擇。後者的可能性更大一些，主要原因是同等分辨率下，波長為6.X nm 的BEUV光刻機比波長為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。
BEUV微影機技術面臨的挑戰
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。但也面臨一些新的技術挑戰，主要包括6.X nm光源、6.X nm多層膜和6.X nm光阻。
目前，產生EUV 光源的方式有雷射等離子體（laser produced plasma, LPP）、基於相對論性電子束的各類加速器光源（包括同步輻射光源、自由電子雷射、穩態微聚束等）、放電等離子體（ DPP） 和雷射輔助放電等離子體（LDP）、高次諧波EUV光源等。
目前商用的EUV光刻機採用的是雷射等離子EUV光源。其原理是透過高強度雷射與靶材的相互作用，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雷射精準轟擊迅速通過的直徑約27微米的錫液滴，使液滴膨脹， 擴散成高密度的圓頂狀分佈；緊接著，重複頻率50kHz、直徑為數百微米的主脈衝二氧化碳（CO2）雷射光斑再次精準轟擊膨脹後的錫液滴，透過CO2雷射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
為獲得高亮度的6.X nm波長光源，目前使用波長為1030 nm的Yb:YAG脈衝雷射設備照射钆(Gd)靶材產生等離子體，研究結果表明，Gd等離子體的BEUV轉換效率僅為0.47 %。
目前實際EUV光刻機中的EUV轉換效率約為5%左右。簡而言之，BEUV微影機中的BEUV轉換效率比EUV微影機中的EUV轉換效率低將近一個數量級！目前一台EUV光刻機每天的耗電量為3萬度，而BEUV光刻機則可能達到30萬度！
當然，基於钆(Gd)、铽(Tb)、鋁(Al)、鎂(Mg)和鎂-銅-钆合金(Mg65-Cu25-Gd10)等靶材雷射等離子體的6.X nm光源還在研發中，BEUV轉換效率應該還有進步的空間。
6.Xnm多層膜的設計與傳統的EUV多層膜設計類似，皆起源於薄膜干涉理論。但是，目前已經商業化13.5 nm波段的Mo/Si多層膜的反射率最高可達69.5%，壽命為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。
EUV光阻面臨的一個關鍵問題是隨機效應。EUV光阻的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光阻所面臨的隨機效應更為嚴重，主要原因是更短波長下的光子吸收雜訊水準將顯著上升。
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、艾里、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。為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準。
2.進入21世紀，公開發表的「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繞射極限的限制，突破了瑞利判據，帶來了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）仍廣泛應用於科研、工業生產、醫療、教育等眾多領域，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為「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微影機的發展仍面臨諸多挑戰，除了高達3.5億歐元的售價外，技術層面仍有許多令人難以接受的缺點，尤其是最大曝光場尺寸僅為26毫米× 16.5毫米，這對大面積晶片及產率影響較大，使光刻「面積牆」問題更為突出。
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。為此，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。奈米壓印技術初步展現了在3D NAND領域的應用前景，但在邏輯晶片中的應用前景尚不樂觀。
7.根據瑞利判據，波長為6.X nm的BEUV微影機是2037年後延續摩爾定律的重要選擇之一。在同等解析度下， BEUV微影機比EUV微影機具有更大的焦深，帶來更大的製程容許度。
8.BEUV微影機技術上遠未成熟，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光阻。
9.儘管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。原因是邏輯晶片透過堆疊方式進行效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，作為目前唯一能量產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。（半導體產業觀察）