電子發燒友網報導（文/周凱揚）作為近乎壟斷的光刻機巨頭，ASML的EUV光刻機已經在全球頂尖的晶圓廠中獲得了使用。無論是英特爾、台積電還是三星，EUV光刻機的購置已經是生產支出中很大的一筆，也成了7nm之下不可或缺的製造設備，我國因為貿易條約被遲遲卡住不放行的也是一台EUV光刻機。

但EUV光刻機的面世靠的不僅僅是ASML一家的努力，還有蔡司和TRUMPF（通快）兩家歐洲光學巨頭的合作才得以成功。他們的技術分別為EUV光刻機的鏡頭和光源做出了不小的貢獻，也讓歐洲成了唯一能夠造出此類精密半導體設備的地區。

為什麼選擇極紫光

光刻機的解析度是光刻機能夠清晰投影最小圖像的能力，這一關鍵指標決定了這台光刻機可以用於何種工藝節點。R=k1*λ/NA代表了與其相關的多個參數，其中R為解析度，k1為光刻工藝係數，λ為波長，NA為數值孔徑。

很明顯，要想壓縮解析度有三種方法，減小光刻工藝係數，減小波長或是增加數值孔徑。k1係數取決於晶片製造工藝的多種因素，ASML通過控制光線擊中光罩的方式和FlexPupil自由照明器光瞳整形技術，使得k1接近於0.3。但由於其物理極限為0.25，所以在將k1逼近極限的情況的同時，波長和數值孔徑上的改進空間反而更大一點。

這也就是選用EUV的原因之一，EUV象徵著極紫光。與DUV光刻機中用到的193nm ArF光源相比，其波長只有13.5nm。因此EUV光刻機面臨的首要挑戰，就是如何生成這樣一個短波長的極紫光。

現在不少晶片都已經進入了納米級製程，傳統準分子雷射器發射UV雷射束的方法已經愈發受限，對短波長曝光的需求越來越大。一種解決方案就是通過雷射照射生成的發光等離子體，以此提供這種超短波的輻射，而這種等離子體是如何形成的呢？這就要用到通快的二氧化碳脈衝式雷射系統/雷射放大器。

EUV光源生成 / 通快

通快用於EUV的這套雷射系統採用二氧化碳連續波雷射器技術，功率可至10kW以上。發生器將錫液滴入真空容器中，雷射器發射的高功率脈衝雷射擊中錫液，錫原子被電離化後，也就生成了等離子體。接著收集鏡將等離子發射的EUV輻射集中傳輸至光刻系統，完成晶片曝光的過程。

提高數值孔徑的途徑

最後是如何做到更高的數值孔徑，這一參數象徵了鏡頭系統可以收集和聚焦多少光量，因此必須從鏡頭和結構出發來提高。浸入技術在透鏡和晶圓之間加入了一層水，將DUV光刻機的數值孔徑從0.93提高至了1.35。然而在應用了EUV之後，這一數值反而降至0.33。不過在低K值和短波長的助力下，解析度還是要高過DUV的。目前0.33的NA雖然足以支持5nm及3nm製程，但要想更進一步，必須要用到更高的NA，所以高數值孔徑成了ASML下一代系統EXE:5000主要解決的問題之一。

EUV光刻機中的光線路徑 / 蔡司

而ASML的EUV光刻機鏡頭系統中，發揮最大作用的則是同樣來自德國的蔡司。由於絕大多數材料都會吸收極紫光，所以常規的透鏡會吸收EUV。為此，蔡司打造了一種光滑的多層布拉格反射鏡，每個鏡頭都有100多層，主要材料是矽和鉬，最大限度地提高極紫光的反射。

拋光對於鏡頭的平坦度來說同樣極為重要，平坦的鏡面可以帶來更好的波前與成像表現，蔡司的高NA鏡頭RMS約為50pm。根據蔡司的說法，如果將鏡頭大小等同於波蘭面積的話，那麼鏡頭上最高的那座「山」甚至不到1厘米高。

蔡司的高NA鏡頭系統研發生產基地 / 蔡司

從ASML現有的機器來看，目前NXE:3600和3400系列主要採用了蔡司的Starlith 3400鏡頭系統，數值孔徑可以做到0.33，解析度為13nm。而下一代Starlith 5000可以做到0.55的數值孔徑，解析度提升至8nm，這套系統尚在開發過程中，但開發可能遇阻，因為ASML宣布0.55的高NA EUV光刻機EXE:5000仍在尚在研發中，2023年底才會交出第一台用於研究目的的機器，且這台售價3億美元以上的機器商用量產已經被推遲至2025年。

結語

從EUV光刻機內部所用的技術來看，中國要想在半導體產業上再進一步，單靠電路設計之類的應用學科是無法突破的，光學、材料學之類的學科同樣要受到重視。除了蔡司和通快這樣的商用公司外，為了打造出EUV光刻機，ASML還藉助了比利時微電子研究中心和美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室這些科研機構的力量，蔡司也開始每年舉辦免費講學來培養光學人才。不再追求商業口號，做好產學研的深度融合，才是脫離卡脖子的困境的唯一出路。