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极紫外光源光刻技术离我们到底还有多远

极紫外(EUV)光源可认为晶圆出产提供几十瓦功率是一个重要的里程碑，预计今年稍晚些时候可以开始大批量供货。但对于大规模出产芯片，其机能还存在严重的挑战。

回顾半导体光刻历史，248nm的KrF激光器光源代替了汞灯，随后又开发了几何尺寸更小的193nm ArF激光器，到2003年，EUV光源开始占据半导体发展路线图，如今十几年过去了，EUV还没有达到实际出产的要求。但是，极紫外光源将在今后很长一段时间掌控半导体光刻的未来。EUV光源远比我们想象的具有技术挑战性，致使半导体光刻技术路线图一直修改拖延，但值得肯定的是，2011年以来，跟着ASML建立完整的EUV光刻系统，加速了EUV发展。

ASML将在EUV光源方面投资更多，包括收购主要光源供给商Cymer，在SPIE 提高前辈光刻会议2013上，通用遥控器Cymer报道了13.5nm波段EUV光源均匀输出功率达到40~55W，并且基于这种技术开发出了新一代光源。但是输出功率还没有达到贸易出产芯片的水平。

光刻技术及其要求

光刻技术在电子学十几年的进展中至关重要，光源曝光涂在芯片表面的光刻胶，曝光部门被删除框锯机，根据定义的特征刻蚀表面，然后再其他层重复此过程建立集成电路。特征尺寸取决于光源波长、聚焦光学元件和光刻胶。

光刻光源被集成在光刻机或系统又成功研制出基于石墨烯空气阴极的千瓦级铝空气电池发电系统（见图2）中，包括照明图案掩模的光学系统和将反射光照在光刻胶表面的光学元件。如图5所示。系统长短常巨大、复杂、昂贵的，经济学要求光源发射足够多的光曝光达到100晶圆/小时。

    EUV光源

EUV发射的锡等离子体是由二氧化碳激光器输出脉冲轰击熔融锡滴产生的。Cymer和日本Gigaphoton公司采用的激光器技术，Xtreme技术公司采用激光束直接放电激励。

Cymer已经出产了10台3100EUV光源样机，Q开关CO2主振荡器/功率放大器(MOPA)，三级放大，工作重复频率40~50kHz，每一个脉冲轰击单个锡滴，激光器的均匀功率是15kW，去年就实现EUV均匀输出11W功率到光刻胶上，每小时曝光7片晶圆。

    在今年的SPIE提高前辈光刻会议上，Cymer报道通过将CO2激光器增加四级放大，在主脉冲之前增加预脉冲照射锡滴，使EUV压合机光刻机光源输出功率达到了40~55W。这一功率在长期照射过程中维持了一段时间，这种预脉冲技术使得锡滴的尺寸由30μm放大到100μm，如图6所示。

即将生产的新型光源NXE3300增加了收集镜的尺寸，可以将EUV输出功率接料钳进步到70~75W，在Cymer制定的技术路线图中，包括两个版本的高功率光源，一个是31kW的CO2激光器泵浦输出125W，另外一个是43kW激光器泵浦输出250W功率。

在2013 SPIE会议上，Gigaphoton报道了其开发的EUV光源均匀输出功率达到了10W，最大峰值功率达到20W。

光学元件及其他主要题目

工作在EUV波段会引起光学元件和功率传输的良多题目，如图6所示，锡等离子体是向各个方向散射的，收集镜只能治理朝光刻系统方向散射的光，因此透射性光学元件不能用于EUV光刻系统，所以光刻光源必需使用多层反射膜镜面。目前EUV光学元件已经相称成熟，镜面反射率接近于理论最大值入射光的70%，然而，卵形的收集镜的损耗是最大的，同时还必需保持溅射锡的清洁度。

损耗包括EUV光源照射掩模以及将”童文红表示掩模图形投影到光刻胶上所需的光学元件，系统如图6所示，使用10面镜子，假如每面镜子反射70%的入射光，只有2.8%的原始功率剩余下来，而且因政绩卓著这还没有计算收集镜、掩模的反射损耗、光刻胶没有吸收光的损耗。这些损耗致使传送到晶圆表面的EUV均匀功率达不到每小时出产 100片以上晶圆的出产要求。

EUV还引发了一些其他技术题目，如其光子能量是193nm处的十倍以上，必需采用新型光刻胶，能量光子开释的电子才能在材料中散开。跟着芯片尺寸的缩小，缺陷成为日益严峻的题目。

    其他光刻技术

EUV光刻技术的主要竞争者是193nm侵入式光刻系统，对此，大型公司都是保持双向选择，既延续193nm技术又探索EUV新技术。

另外一种候补光刻技术是定向自组装，利用193nm光源产生模板引导小型建筑模块自动组装为半导体结构，在过去的几年里，这种技术已经取得了巨大的提高，这是繁殖193nm侵入式光刻技术的一种方式，当然要实现这种技术还需要很长一段时间，但其作为光刻技术的候补技术有很大的吸引力。

然而，这种定向自组装技术与EUV光源不存在竞争关系，它只是传统光刻胶的替换品，而不能替换整套设备，它可以使用EUV光源或者193nm光源，从底部向上为自组装结构提供从上到下控制。

瞻望未来

目前存在的题目使得光刻技术的未来变得复杂，半导体行业的不同部分又有着不同需求使得题目更加复杂化。实在最渴想EUV技术问世的是代工厂，他们不能控制其制造芯片的设计，因此单次曝光的EUV制造技术比多次曝光的193nm光刻技术就更有吸引力。

目前真正的重大突破应该是技术已经从实验室阶段步入出产车间，工程师将使用最新工具开发新工艺，并测试如何出产下一代芯片。

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