EUV光源是指極紫外輻射源，是制造電子顯微鏡、極紫外望遠(yuǎn)鏡等光學(xué)儀器的重要設(shè)備。EUV光源的波長在極紫外波段，具有高能量、高分辨率、高靈敏度等優(yōu)點，在科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。那么，EUV光源是怎么來的呢？?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，中國在芯片制造上和世界頂尖水平已經(jīng)在逐年拉近,但光刻機這個生產(chǎn)芯片最核心、技術(shù)難度極高的設(shè)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(jù)統(tǒng)計，中國是全球最大的芯片消費市場，但因為美國禁止所有使用了美技術(shù)和設(shè)備的企業(yè)向中國市場出貨，用于生產(chǎn)芯片的高端光刻機被限制進(jìn)入中國。幾乎每隔一段時間，事關(guān)全球高端光刻機能否被中國引進(jìn)的政策，都會成為新聞熱點，與此同時，國產(chǎn)光刻機的每一個進(jìn)步也就被無數(shù)人關(guān)注著。

中芯國際實現(xiàn)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EUV光刻機實現(xiàn)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大板塊，采用逐個擊破的方式進(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)的專利，這項專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。雖然這項專利早在2016年就已遞交申請，可能實際對光刻機產(chǎn)業(yè)影響有限，但盡管如此華為光刻機專利的公布昭示著國內(nèi)光刻機仍有一絲曙光。

光刻機的發(fā)展

1. 前EUV時代

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(nèi)采用準(zhǔn)分子激光的深紫外光源（DUV），將波長進(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，使得激光的實際波長會大幅度縮小。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)實際等效的波長為193 nm/1.44=134 nm。從而實現(xiàn)更高的分辨率。由于157 nm波長的光線不能穿透純凈水，無法和浸入技術(shù)結(jié)合。

因此，準(zhǔn)分子激光光源只發(fā)展到了ArF。通過浸沒式光刻和雙重光刻等工藝，第四代 ArF 光刻機最高可以實現(xiàn) 22nm 制程的芯片生產(chǎn)，但是在摩爾定律的推動下，半導(dǎo)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 光刻機已無法滿足這一需求，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)將希望寄予第五代 EUV 光刻機。

2. EUV時代

為了提供波長更短的光源，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，同時一臺EUV光刻機也是價值不菲。

EUV光源的發(fā)展

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

EUV光刻機如果按照其功能粗略的進(jìn)行劃分,大概分成兩個組成部分,第一個部分是EUV光源,第二部分是EUV成像系統(tǒng),EUV光源是EUV光刻機的核心部件,而成像系統(tǒng)則是把EUV光投影到硅片上的光學(xué)系統(tǒng),其中EUV光源的實現(xiàn)是EUV光刻機里面最難的一部分,現(xiàn)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？實際上為了得到這個13.5納米的結(jié)論,全世界用了整整15年，這15年分為兩個階段,第一個階段是1981年到1992年,首先科學(xué)家先把目光投入到了軟x光射線上,軟x光射線是指波段在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(tǒng),然后用小功率的光源來論證其用于光刻的可行性,如果成像的系統(tǒng)沒有問題,接下來再考慮提高光源的發(fā)光功率,當(dāng)時全世界最頂尖的科學(xué)家耗時11年搭建了十幾道系統(tǒng),耗費了大量的科研經(jīng)費,最終的結(jié)論是軟x光無法應(yīng)用于下一代的光刻技術(shù),根本的原因還是軟x光射線的成像系統(tǒng)的像場和波前誤差不如預(yù)期；第二階段是從1993年到1996年,在對軟x光射線的嘗試失敗之后,科學(xué)家便把目光投向了比軟x光波長略長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成像系統(tǒng)來論證其可行性,大概經(jīng)過三年的研究,他們初步確定,把13.5納米的EUV成像系統(tǒng)應(yīng)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(tǒng)的可行性之后,從1996年到2011年,又一個15年,科學(xué)家們才真正開始研究13.5納米波長的EUV光源。

這15年歷盡坎坷,要理解其中的難點,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(chǔ)部分,所以也可以這么說,EUV光源本質(zhì)上是量子力學(xué)一個分支的應(yīng)用,本來原子的電子躍遷發(fā)射光子是一個非常容易實現(xiàn)的過程,但因為在正常的原子里面電子躍遷無法發(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離子,這些陽離子上的電子有著更低的能級,因而當(dāng)這些電子從激發(fā)態(tài)向具有更低能級的基態(tài)躍遷的時候就可以得到波長更短,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)也是圍繞著這兩個問題展開的。后續(xù)研究中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在極短時間內(nèi)能夠給予原子巨大的能量的技術(shù)最終靠譜的只有三個：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,主要就圍繞著這三種電力技術(shù),和三種原子的選取來進(jìn)行的。經(jīng)過了這15年后最終只有一種技術(shù)路線勝出,也就是當(dāng)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(tǒng)進(jìn)行不斷優(yōu)化,之后EUV光源的功率得到了顯著的提升,EUV的中間焦點功率從2011年的80w到250w,并且還在不斷的提升當(dāng)中。