EUV光源是指極紫外輻射源，是制造電子顯微鏡、極紫外望遠鏡等光學(xué)儀器的重要設備。EUV光源的波長(cháng)在極紫外波段，具有高能量、高分辨率、高靈敏度等優(yōu)點(diǎn)，在科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)、醫療等領(lǐng)域具有廣泛的應用前景。那么，EUV光源是怎么來(lái)的呢？?本文主要介紹了EUV光源的演發(fā)展歷程。

芯片技術(shù)的發(fā)展

近年來(lái)，中國在芯片制造上和世界頂尖水平已經(jīng)在逐年拉近,但光刻機這個(gè)生產(chǎn)芯片最核心、技術(shù)難度極高的設備還是有一段不小的距離，光刻機的生產(chǎn)技術(shù)仍由荷蘭ASML 、日本的尼康和佳能公司壟斷。據統計，中國是全球最大的芯片消費市場(chǎng)，但因為美國禁止所有使用了美技術(shù)和設備的企業(yè)向中國市場(chǎng)出貨，用于生產(chǎn)芯片的高端光刻機被限制進(jìn)入中國。幾乎每隔一段時(shí)間，事關(guān)全球高端光刻機能否被中國引進(jìn)的政策，都會(huì )成為新聞熱點(diǎn)，與此同時(shí)，國產(chǎn)光刻機的每一個(gè)進(jìn)步也就被無(wú)數人關(guān)注著(zhù)。

中芯國際實(shí)現了我國從28nm制程工藝向14nm跨越；通富微電采用集成的方式繞過(guò)EUV光刻機實(shí)現了5nm制程工藝芯片的研發(fā)；上海微電子將光刻機拆分為幾個(gè)大板塊，采用逐個(gè)擊破的方式進(jìn)行研究，進(jìn)展神速；華為技術(shù)有限公司于今年11月公布了一項與光刻技術(shù)相關(guān)的專(zhuān)利，這項專(zhuān)利主要是用于光刻機技術(shù)改造升級，使光刻機的良品率變得更高，從而提高生產(chǎn)效率。雖然這項專(zhuān)利早在2016年就已遞交申請，可能實(shí)際對光刻機產(chǎn)業(yè)影響有限，但盡管如此華為光刻機專(zhuān)利的公布昭示著(zhù)國內光刻機仍有一絲曙光。

光刻機的發(fā)展

1. 前EUV時(shí)代

光刻機分為紫外光源（UV）、深紫外光源(DUV)、極紫外光源（EUV）。按照發(fā)展軌跡，最早的光刻機光源即為汞燈產(chǎn)生的紫外光源（UV）。之后行業(yè)領(lǐng)域內采用準分子激光的深紫外光源（DUV），將波長(cháng)進(jìn)一步縮小到ArF的193 nm。由于遇到了技術(shù)發(fā)展障礙，ArF加浸入技術(shù)成為主流。浸入技術(shù)是指讓鏡頭和硅片之間的空間浸泡于液體之中。由于液體的折射率大于1，使得激光的實(shí)際波長(cháng)會(huì )大幅度縮小。目前主流采用的純凈水的折射率為1.44，所以ArF加浸入技術(shù)實(shí)際等效的波長(cháng)為193 nm/1.44=134 nm。從而實(shí)現更高的分辨率。由于157 nm波長(cháng)的光線(xiàn)不能穿透純凈水，無(wú)法和浸入技術(shù)結合。

因此，準分子激光光源只發(fā)展到了ArF。通過(guò)浸沒(méi)式光刻和雙重光刻等工藝，第四代 ArF 光刻機最高可以實(shí)現 22nm 制程的芯片生產(chǎn)，但是在摩爾定律的推動(dòng)下，半導體產(chǎn)業(yè)對于芯片制程的需求已經(jīng)發(fā)展到 14nm、 10nm、甚至7nm， ArF 光刻機已無(wú)法滿(mǎn)足這一需求，半導體產(chǎn)業(yè)將希望寄予第五代 EUV 光刻機。

2. EUV時(shí)代

為了提供波長(cháng)更短的光源，極紫外光源（EUV）為業(yè)界采用。目前主要采用的辦法是將二氧化碳激光照射在錫等靶材上，激發(fā)出13.5 nm的光子，作為光刻機光源。目前僅有由荷蘭飛利浦公司發(fā)展而來(lái)的ASML（阿斯麥）一家可提供可供量產(chǎn)用的EUV光刻機，因此ASML對于EUV光刻機的供貨重要性不言而喻，同時(shí)一臺EUV光刻機也是價(jià)值不菲。

EUV光源的發(fā)展

光刻機的構造一般分為：照明系統（光源+產(chǎn)生均勻光的光路），Stage系統（包括Reticle Stage和Wafer Stage)，鏡頭組（這個(gè)是光刻機的核心），搬送系統（Wafer Handler+ Reticle Handler)，Alignment系統（WGA,LSA, FIA)。

EUV光刻機如果按照其功能粗略的進(jìn)行劃分,大概分成兩個(gè)組成部分,第一個(gè)部分是EUV光源,第二部分是EUV成像系統,EUV光源是EUV光刻機的核心部件,而成像系統則是把EUV光投影到硅片上的光學(xué)系統,其中EUV光源的實(shí)現是EUV光刻機里面最難的一部分,現在EUV光源所發(fā)出的是13.5納米的極短紫外光。

為什么非要是13.5納米呢？實(shí)際上為了得到這個(gè)13.5納米的結論,全世界用了整整15年，這15年分為兩個(gè)階段,第一個(gè)階段是1981年到1992年,首先科學(xué)家先把目光投入到了軟x光射線(xiàn)上,軟x光射線(xiàn)是指波段在1納米到10納米的電磁波,科學(xué)家的研究方法是先搭建軟x光的成像系統,然后用小功率的光源來(lái)論證其用于光刻的可行性,如果成像的系統沒(méi)有問(wèn)題,接下來(lái)再考慮提高光源的發(fā)光功率,當時(shí)全世界最頂尖的科學(xué)家耗時(shí)11年搭建了十幾道系統,耗費了大量的科研經(jīng)費,最終的結論是軟x光無(wú)法應用于下一代的光刻技術(shù),根本的原因還是軟x光射線(xiàn)的成像系統的像場(chǎng)和波前誤差不如預期；第二階段是從1993年到1996年,在對軟x光射線(xiàn)的嘗試失敗之后,科學(xué)家便把目光投向了比軟x光波長(cháng)略長(cháng)的極短紫外光的波段,與上一階段相同，科學(xué)家還是先搭建了一個(gè)成像系統來(lái)論證其可行性,大概經(jīng)過(guò)三年的研究,他們初步確定,把13.5納米的EUV成像系統應用于下一代的光刻機在理論上是可行的,在確定了EUV成像系統的可行性之后,從1996年到2011年,又一個(gè)15年,科學(xué)家們才真正開(kāi)始研究13.5納米波長(cháng)的EUV光源。

這15年歷盡坎坷,要理解其中的難點(diǎn),我們不得不談一談13.5納米的EUV光源的發(fā)光基本原理,EUV光源的基本物理原理是電子從高能級向低能級躍遷發(fā)射光子,電子躍遷的相關(guān)理論是量子力學(xué)的基礎部分,所以也可以這么說(shuō),EUV光源本質(zhì)上是量子力學(xué)一個(gè)分支的應用,本來(lái)原子的電子躍遷發(fā)射光子是一個(gè)非常容易實(shí)現的過(guò)程,但因為在正常的原子里面電子躍遷無(wú)法發(fā)射出能量如此巨大的EUV光子,所以為了得到EUV光子,就需要把電子進(jìn)行電離,令其變成具有正電核的陽(yáng)離子,這些陽(yáng)離子上的電子有著(zhù)更低的能級,因而當這些電子從激發(fā)態(tài)向具有更低能級的基態(tài)躍遷的時(shí)候就可以得到波長(cháng)更短,能量更高的EUV光子。

綜上所述,我們可以看出,EUV光源發(fā)光所需的兩個(gè)必要條件：第一，必須要選擇合適的原子；第二,必須給原子巨大的能量令其電離。因此EUV光源的研發(fā)也是圍繞著(zhù)這兩個(gè)問(wèn)題展開(kāi)的。后續研究中，科學(xué)家發(fā)現，在極短時(shí)間內能夠給予原子巨大的能量的技術(shù)最終靠譜的只有三個(gè)：激光電離等離子體技術(shù)、高壓放電電離等離子體技術(shù),以及激光輔助高壓放電等離子體技術(shù)。所以從1996年到2011年這15年,主要就圍繞著(zhù)這三種電力技術(shù),和三種原子的選取來(lái)進(jìn)行的。經(jīng)過(guò)了這15年后最終只有一種技術(shù)路線(xiàn)勝出,也就是當前EUV光刻機所使用的技術(shù)——激光電離金屬錫等離子體技術(shù),而后在2011年到2021年這十年,在基本的技術(shù)原理確定的情況下,Cymer公司（后并入ASML公司）對其系統進(jìn)行不斷優(yōu)化,之后EUV光源的功率得到了顯著(zhù)的提升,EUV的中間焦點(diǎn)功率從2011年的80w到250w,并且還在不斷的提升當中。