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作者：九林
最近，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）宣布开发出了一种名称为大孔径铥 （BAT） 激光器，这种激光器比现在行业内的标准CO2激光器将EUV光源提高约10倍。
这一进步，可能为新一代“超越EUV”的光刻系统铺平道路，从而生产出更小、更强大、制造速度更快、同时耗电量更少的芯片。简而言之，美国开发的新一代BAT激光器，远超现在的EUV光刻，能够将效率提升10倍。
EUV光刻有多强？目前来看，没有EUV光刻，业界就无法制造7nm制程以下的芯片。EUV光刻机也是历史上最复杂、最昂贵的机器之一。《芯片浪潮：纳米工艺背后的全球竞争》一书中有描述：一台EUV光刻机的零件超过10万个，重达180吨，需要用40个集装箱来运输，光刻机的安装调试都要超过一年时间。阿斯麦在刚开始时只能年产二三十台EUV光刻机，到目前也不过增加到四五十台。
01、EUV光刻，有哪些瓶颈？
EUV光刻技术，存在很多难点。此前，美国NIST发布了一个有关EUV光刻机的重磅报告，他们在其中也分析了EUV光刻技术发展的瓶颈。
第一，光源技术方面。EUV光源的波长仅为13.5纳米，远远小于可见光，因此产生和维持如此短波长光源的难度极大。目前，最成熟的EUV光源是由高纯度锡产生的高温等离子体产生的。固体锡在液滴发生器内熔化，该仪器在真空室中每分钟连续产生超过300万个27µm的液滴。平均功率为25kW的二氧化碳（CO2）激光器用两个连续脉冲照射锡液滴，分别使液滴成形并电离。但这个过程中，需要巨大的激光能力，还需要复杂冷却系统和真空环境维持稳定运行。在光源方面，美国的EUV光源的研发和制造基地位于加利福尼亚州圣地亚哥。驻扎在圣地亚哥的Cymer是要负EUV光源相关工作，由ASML于2012年收购。为了保护EUV光源技术，美国工业和安全局（BIS）在2022年10月，发布了一项规则——87 FR 62186，对包括极紫外光刻在内的技术进行出口管制。
第二，光学系统方面。EUV光刻机的难点不止光源，还有光学系统。极紫外光的波长太短，传统的透镜根本无法使用，只能靠多片超光滑的反射镜来引导光线。EUV反射镜片的制造工艺相当复杂，镜片表面的光滑度要求变态到极致，0.33NA的镜面糙度达到惊人的0.05nm。可以这么理解，如果把反射镜放大到中国国土这样大的面积，那么整个国土最大的凸起和下凹高度不会超过0.4毫米。再加上能量损耗的问题，如何让光线最终精准地打到晶圆上，也是一个不小的挑战。
第三，掩模技术方面。掩膜版又称光罩、光掩膜、光刻掩膜版等，是微电子制造过程中的图形转移工具或母版，是承载图形设计和工艺技术等知识产权信息的载体。EUV掩膜版是整个光学系统的极为重要的一环。EUV掩模版由衬底上的 40 到 50 层交替的硅和钼层组成，每层膜厚度约3.4纳米，形成 250纳米到350纳米厚的多层堆叠，严格控制每层膜的厚度误差以避免EUV光的损耗。在这方面，国际领先的掩模版制造商Toppan一直致力于掩模版业务，其于2005年收购了杜邦光掩模公司，并于同年开始与IBM、格罗方德半导体、三星联合开发高端掩模版技术，从最初的45nm制程节点发展至目前的2nm制程节点。
第四，光刻胶方面。光刻胶是一种具有光敏化学作用的高分子聚合物材料，外观上呈现为胶状液体。到目前为止，用于 EUV 光刻的大多数光刻胶都是基于 KrF 和 ArF 光刻胶平台的化学放大光刻胶。在相同条件下，光刻胶吸收的EUV光子数量仅为DUV 193nm波长的1/14。这就要求要么在EUV波段创造出极强的光源，要么发明更灵敏的光刻胶。
光刻胶的难点一方面是高分辨率与低粗糙度的平衡，因为在 EUV 光刻中，需要光刻胶具备高分辨率以精确地描绘出极小的芯片图案特征。然而，提高光刻胶分辨率的同时，往往会导致线边缘粗糙度（LER）增加。例如，当光刻胶对 EUV 光响应过于敏感，在光化学反应过程中，可能会使图案边缘的反应不均匀，造成线条边缘不平整。
另一方面是敏感度要求高且精确。因为 EUV 光源的功率有限，且光刻过程需要在短时间内完成大量图案的曝光，如果光刻胶敏感度不够，就需要延长曝光时间或者增加光强，这会影响生产效率和设备寿命。但是，敏感度又不能过高，否则很容易受到环境因素（如微弱的杂散光）的影响而产生不必要的反应。举个例子，在光刻车间的照明环境中，如果光刻胶过于敏感，可能会因为车间内的一些非 EUV 光源的微弱光线而提前发生反应，影响光刻质量。
02、EUV光刻的挑战者们
纳米压印光刻（NIL）技术
纳米压印与光学光刻流程对比纳米压印光刻（NIL）技术是挑战EUV的老对手了。NIL的原理和传统的光刻技术是本质性的不同。纳米压印是用机械变形－压印来形成图案，将预先图形化的模具压紧与涂布好的纳米压印胶， 从而在纳米压印胶上复制出模具上的结构图案。为了减少压印的压力，纳米压印胶需要在压印时非常软 ，如水一样（液态聚合物）。纳米压印胶有加热型：胶在加热时变软但冷下来变硬；有紫外光照型：胶在光照前时是软但光照后变硬；及热光混合型。压印后，模具和纳米压印胶分离－脱模过程。
能够成为EUV的挑战者，NIL自然是有自己的优势。
第一是分辨率高，从理论上可以实现极高的分辨率，目前报道的加工精度已经达到 2 纳米，超过了传统光刻技术达到的分辨率。
第二是成本较低，无论是耗电量、购买价格还是运行成本都更低，与采用 250 瓦光源的 EUV 系统相比，佳能估计 NIL 仅消耗十分之一的能量。
第三是工艺简单、效率高，EUV 光刻需要千瓦级激光器将熔融的锡滴喷射成等离子体等一系列复杂操作，而 NIL 将复制掩模直接压在涂有液态树脂的晶圆表面上，像压印印章一样。并且，NIL 技术使用的模板可以反复使用，且操作步骤相对较少。
2024年，佳能的首台纳米压印光刻机也出货了，交付的对象是美国得克萨斯电子研究所。佳能最先进的纳米压印光刻 NIL 系统 FPA-1200NZ2C，可实现最小 14nm 线宽的图案化，支持 5nm 制程逻辑半导体生产。实际上，这是纳米压印光刻（NIL）技术向着商业化迈进的一大步。佳能目标是三到五年内每年销售约 10 到 20 台。
自由电子激光（FEL）技术
FEL的工作原理与传统激光不同，它利用自由电子在磁场中的运动产生激光。自由电子激光的优势在于其光电转换效率极高，可达到30%以上，远远优于EUV的3%到5%。这种高效性意味着FEL设备在相同能耗下可以产生更多的光子，极大地提高了设备的工作效率和生产能力。在电力消耗方面，FEL光源也要远低于EUV-LPP光源。不过，这项技术也与前文提到的激光器类似，解决的是EUV光源的问题。值得注意的是，EUV-FEL还可升级为BEUV-FEL，可以使用更短的波长（6.6-6.7 nm）实现更精细的图案化。它还可以可变地控制FEL光的偏振，以实现High NA光刻。在这方面，德国、美国、中国都有相关研究。
电子束光刻（E - beam Lithography）
电子束光刻（e-beam lithography；EBL）是无掩膜光刻的一种，它利用波长极短的聚焦电子直接作用于对电子敏感的光刻胶（抗蚀剂）表面绘制形成与设计图形相符的微纳结构。EUV光刻机产能不足，很大一部分原因是光学镜头的供货不足。蔡司公司是EUV光刻镜头的唯一供应商。电子束光刻采用电子源发出电子束而并非光源，因此电子束光刻技术解决的是光刻机对光学镜头的依赖。电子束具有波长短的优势，波长越短，越可以雕刻出更精细的电路，芯片工艺的纳米数也可以做到更小。EUV光刻机的波长为13.5nm，而100KeV电子束的波长只有0.004nm，波长短使其在分辨率方面与EUV相比有绝对的优势，也使得电子束能够实现EUV光刻都实现不了的先进制程技术。目前，国内松山湖材料实验室精密仪器研发团队与东莞泽攸精密仪器有限公司合作，打造集科研与产业化为一体的电子束装备技术创 新基地。据官方报道，基于自主研制的扫描电镜主机，完成电子束光刻机工程样机研制，并开展功能验证工作。通过对测试样片的曝光生产，可以绘制出高分辨率的复杂图形。
多重图案化技术（Multi - patterning）
多重图案化是一种克服芯片制造过程中光刻限制的技术。多重图案化技术的核心原理是将复杂的芯片图案分解为多个相对简单的图案，通过多次光刻和蚀刻工艺来实现最终的精细图案。例如，在双图案化（double - patterning）技术中，对于一个原本需要单次光刻实现的精细间距图案，先光刻和蚀刻出图案的一部分，然后通过一些工艺调整（如沉积间隔层材料），再进行第二次光刻和蚀刻，将剩余部分的图案制作出来，最终组合成完整的精细图案。
之所以能够成为EUV光刻的挑战者，多重图案化的优势在于：
第一，成本低。在现有的成熟光刻设备（如深紫外光刻，DUV）基础上进行的工艺创新，避免了对 EUV 光刻设备的依赖，从而降低了芯片制造前期的设备投资成本。
第二，工艺成熟度相对较高。因为是在传统光刻工艺基础上发展而来的，现在DUV 光刻技术已经非常成熟，多重图案化技术可以很好地与这些现有的工艺步骤和设备集成。
目前多重图案化技术的研究者包括：英特尔、台积电、三星。不过，多重图案化技术通常依赖于复杂的图案化堆叠和集成方案，而这些方案通常伴随着性能和良率问题，以及对晶圆设计的限制——并且成本和周期时间明显增加。如果使用193nm 波长光刻系统在芯片上对特征进行图案化，当到达5nm时，使用多重图案化已经非常困难了。
