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2018年5月，中(zhong)芯國(guo)際(ji)（SMIC）訂購了(le)一套極(ji)紫外(wai)光刻(ke)（EUV）設備(bei)(bei)，該(gai)設備(bei)(bei)來自荷蘭芯片設備(bei)(bei)制造商ASML，價(jia)值(zhi)1.2億美元。長江存儲的首臺光刻(ke)機(ji)同(tong)樣來自ASML，為(wei)193nm浸潤式光刻(ke)機(ji)，售(shou)價(jia)7200萬美元，用于(yu)14 nm-20 nm工藝。

12月3日晚，荷(he)蘭光(guang)刻(ke)機(ji)(ji)巨頭ASML的元器件供應商——Prodrive突(tu)發(fa)大(da)火，ASML預(yu)計(ji)這(zhe)場火災可能會影響到2019年(nian)年(nian)初的出(chu)貨計(ji)劃。2019年(nian)5月24日，中芯國際（SMIC）發(fa)公(gong)告稱(cheng)將其美國預(yu)托證券(quan)股份從紐約證券(quan)交易(yi)所退(tui)市，大(da)家都目(mu)光(guang)關注(zhu)到它的14nm量產進(jin)程。隨著中國半導(dao)體制造的崛起與(yu)壯大(da)，光(guang)刻(ke)機(ji)(ji)作為(wei)核心設備貫穿近幾年(nian)大(da)眾的熱點，多次被引發(fa)討(tao)論。

2018年(nian)全球光(guang)(guang)刻機(ji)出(chu)貨逾600臺(tai)(tai)，較2017年(nian)的(de)(de)460臺(tai)(tai)增幅(fu)達30%。其中，ASML、Nikon、Canon三(san)巨(ju)(ju)頭(tou)半導體用(yong)光(guang)(guang)刻機(ji)在2018年(nian)出(chu)貨374臺(tai)(tai)，較2017年(nian)的(de)(de)294臺(tai)(tai)增加80臺(tai)(tai)，增長(chang)27.21%。2018年(nian)ASML、Nikon、Canon三(san)巨(ju)(ju)頭(tou)光(guang)(guang)刻機(ji)總營收118.92億歐元(yuan)，較2017年(nian)增長(chang)25.21%。從EUV、ArF immersion、ArF機(ji)型的(de)(de)出(chu)貨來看，全年(nian)共出(chu)貨134臺(tai)(tai)。其中ASML出(chu)貨120臺(tai)(tai)，占(zhan)有9成的(de)(de)市場。

ASML

2018年ASML光刻機(ji)出貨224臺，營(ying)收達82.76億歐(ou)元，較2017年成長35.74%。其中(zhong)EUV光刻機(ji)營(ying)收達18.86億歐(ou)元，較2017年增(zeng)加7.85億歐(ou)元。

Nikon

2018年(nian)度（非財年(nian)），Nikon光(guang)(guang)刻(ke)(ke)機(ji)(ji)出(chu)(chu)貨(huo)(huo)(huo)(huo)106臺(tai)(tai)，營收達20.66億歐(ou)元，較(jiao)2017年(nian)成(cheng)長25.29%。2018年(nian)度，Nikon半導體(ti)用(yong)光(guang)(guang)刻(ke)(ke)機(ji)(ji)出(chu)(chu)貨(huo)(huo)(huo)(huo)36臺(tai)(tai)，比2017年(nian)度增(zeng)(zeng)加(jia)9臺(tai)(tai)，增(zeng)(zeng)長33.33%。其中(zhong)ArFimmersion光(guang)(guang)刻(ke)(ke)機(ji)(ji)出(chu)(chu)貨(huo)(huo)(huo)(huo)5臺(tai)(tai)，較(jiao)2017年(nian)度減少(shao)1臺(tai)(tai)；ArF光(guang)(guang)刻(ke)(ke)機(ji)(ji)出(chu)(chu)貨(huo)(huo)(huo)(huo)9臺(tai)(tai)，較(jiao)2017年(nian)度增(zeng)(zeng)加(jia)1臺(tai)(tai)；KrF光(guang)(guang)刻(ke)(ke)機(ji)(ji)出(chu)(chu)貨(huo)(huo)(huo)(huo)5臺(tai)(tai)，較(jiao)2017年(nian)度增(zeng)(zeng)加(jia)3臺(tai)(tai)；i-line光(guang)(guang)刻(ke)(ke)機(ji)(ji)出(chu)(chu)貨(huo)(huo)(huo)(huo)17臺(tai)(tai)，較(jiao)2017年(nian)度增(zeng)(zeng)加(jia)6臺(tai)(tai)。2018年(nian)度，Nikon半導體(ti)用(yong)光(guang)(guang)刻(ke)(ke)機(ji)(ji)出(chu)(chu)貨(huo)(huo)(huo)(huo)36臺(tai)(tai)中(zhong)，其中(zhong)全新機(ji)(ji)臺(tai)(tai)出(chu)(chu)貨(huo)(huo)(huo)(huo)19臺(tai)(tai)，翻新機(ji)(ji)臺(tai)(tai)出(chu)(chu)貨(huo)(huo)(huo)(huo)17臺(tai)(tai)。值得一提(ti)的是，2018年(nian)度，Nikon面板（FPD）用(yong)光(guang)(guang)刻(ke)(ke)機(ji)(ji)出(chu)(chu)貨(huo)(huo)(huo)(huo)70臺(tai)(tai)。

Canon

2018年(nian)(nian)(nian)Canon光(guang)刻(ke)機(ji)出(chu)貨(huo)183臺(tai)(tai)，營收達15.5億歐(ou)元，較2017年(nian)(nian)(nian)微增(zeng)(zeng)1.6%。2018年(nian)(nian)(nian)Canon半導(dao)體用(yong)光(guang)刻(ke)機(ji)出(chu)貨(huo)達114臺(tai)(tai)，較2017年(nian)(nian)(nian)增(zeng)(zeng)加(jia)44臺(tai)(tai)，增(zeng)(zeng)長62.85%。但(dan)是(shi)主要是(shi)i-line、KrF兩(liang)個低端機(ji)臺(tai)(tai)出(chu)貨(huo)。2018年(nian)(nian)(nian)全年(nian)(nian)(nian)面板（FPD）用(yong)光(guang)刻(ke)機(ji)出(chu)貨(huo)69臺(tai)(tai)。

02

光刻機的發展

1、前EUV時代

光刻機(ji)分為紫(zi)外光源(yuan)（UV）、深紫(zi)外光源(yuan)(DUV)、極紫(zi)外光源(yuan)（EUV）。按照發展軌跡(ji)，最早的光刻機光源即為(wei)汞燈(deng)產生的紫(zi)外光源（UV）。之后行(xing)業領域內采用準(zhun)分(fen)子(zi)激光的深紫(zi)外光源（DUV），將波長進(jin)一步縮小到ArF的193 nm。由于遇到了技術(shu)發展障礙，ArF加(jia)浸入技術(shu)成為(wei)主(zhu)流。

浸(jin)入技術(shu)是指(zhi)讓鏡頭(tou)和硅片之間的空間浸(jin)泡于液體(ti)之中。由于(yu)液體(ti)的折射率大于(yu)1，使得激光的實際波長會(hui)大幅(fu)度縮小(xiao)。目前主流采(cai)用的純凈(jing)水的折射率(lv)為(wei)1.44，所以ArF加浸入技術實際(ji)等效的波長(chang)為(wei)193 nm/1.44=134 nm，從而實現(xian)更高的分(fen)辨(bian)率。

由(you)于157 nm波長的光線不能穿透(tou)純凈水，無法和浸入技術結合(he)。因(yin)此，準分(fen)子激光光源只發展(zhan)到(dao)了ArF。通過浸(jin)沒式光刻和(he)雙重(zhong)光刻等工(gong)藝，第四代(dai) ArF 光刻機(ji)最高可以實現 22nm 制程的芯片生產，但(dan)是在摩爾定律的推(tui)動下，半(ban)導(dao)體產業對于(yu)芯片制程的需求已經發展到(dao) 14nm、 10nm、甚(shen)至7nm， ArF 光刻機(ji)已無(wu)法滿足這(zhe)一需求，半(ban)導(dao)體產業將(jiang)希望寄(ji)予第五代(dai) EUV 光刻機(ji)。

2、EUV時代

為(wei)了提供(gong)(gong)波長更短的(de)光(guang)(guang)源，極(ji)紫外(wai)光(guang)(guang)源（EUV）為(wei)業(ye)界采(cai)用。目前主(zhu)要采(cai)用的(de)辦法是將二氧化(hua)碳(tan)激(ji)光(guang)(guang)照射在錫等(deng)靶材上，激(ji)發(fa)出(chu)13.5 nm的(de)光(guang)(guang)子，作(zuo)為(wei)光(guang)(guang)刻(ke)機光(guang)(guang)源。目前僅(jin)有由荷蘭(lan)飛利浦公司發(fa)展而(er)來的(de)ASML（阿斯麥）一家可提供(gong)(gong)可供(gong)(gong)量產用的(de)EUV光(guang)(guang)刻(ke)機，因此(ci)ASML對(dui)于(yu)EUV光(guang)(guang)刻(ke)機的(de)供(gong)(gong)貨(huo)重要性不(bu)言而(er)喻(yu)，同時一臺EUV光(guang)(guang)刻(ke)機也是價值不(bu)菲(fei)。

ASML作(zuo)為芯(xin)片加工設(she)備光刻(ke)(ke)機(ji)的(de)(de)第一強者，目(mu)前占(zhan)據(ju)全球(qiu)大部(bu)分(fen)市(shi)場(chang)份額，只有日本的(de)(de)兩(liang)家光刻(ke)(ke)機(ji)公司(si)（尼(ni)康和佳能(neng)）稍有競爭(zheng)的(de)(de)潛能(neng)，但也(ye)只是(shi)占(zhan)據(ju)很小(xiao)的(de)(de)市(shi)場(chang)份額。即便(bian)是(shi)科技最發達的(de)(de)美國(guo)，目(mu)前也(ye)不能(neng)獨自完整(zheng)生產出光刻(ke)(ke)機(ji)，只能(neng)參與控股ASML。

03

光刻機的構造解析

光(guang)刻機的(de)(de)構造，一般分為：照明系(xi)統(tong)（光(guang)源+產(chan)生均勻光(guang)的(de)(de)光(guang)路），Stage系(xi)統(tong)（包(bao)括(kuo)Reticle Stage和Wafer Stage)，鏡頭組（這個是光(guang)刻機的(de)(de)核心），搬送系(xi)統(tong)（Wafer Handler+ Reticle Handler)，Alignment系(xi)統(tong)（WGA,LSA, FIA)。另外半(ban)導(dao)體光(guang)刻機的(de)(de)工作溫度(du)必(bi)須保(bao)(bao)持在23度(du)，要保(bao)(bao)證(zheng)wafer在恒溫和無particle的(de)(de)環境，必(bi)須要有恒溫和控制particle、ESD的(de)(de)工作chamber。

光刻機性能指標：

光(guang)(guang)(guang)刻機的(de)主(zhu)要性能指標有：支持基片的(de)尺寸范(fan)圍，分辨率、對(dui)準精度、曝(pu)光(guang)(guang)(guang)方式、光(guang)(guang)(guang)源波長、光(guang)(guang)(guang)強均勻性、生產效率等。

光(guang)刻機的原理就是(shi)用光(guang)來投射(she)到reticle上產(chan)生(sheng)衍射(she)，然后鏡頭收集到光(guang)匯聚(ju)到wafer上，形(xing)成圖(tu)形(xing)，所以光(guang)是(shi)產(chan)生(sheng)圖(tu)形(xing)的必要條件。光(guang)刻機主要技術(shu)指標(biao)準分子激光(guang)器掃(sao)描步進投影(ying)光(guang)刻機最(zui)關(guan)鍵的三項(xiang)技術(shu)指標(biao)是(shi)：光刻分辨率（Resolution）、套刻精度（Overlay）和產(chan)能（Productivity）。

光(guang)刻分辨率(lv)的(de)計算(suan)公式為：CD=K1?λ/NA

式中λ為(wei)準分(fen)子(zi)(zi)激(ji)(ji)光器(qi)輸(shu)出(chu)激(ji)(ji)光波長，K1為(wei)工(gong)藝系數(shu)因子(zi)(zi)，NA為(wei)投影光刻物鏡數(shu)值孔(kong)徑(jing)。從(cong)上式可(ke)(ke)以看出(chu)，提高光刻分(fen)辨率(lv)可(ke)(ke)以通(tong)過縮短激(ji)(ji)光波長、降低(di)工(gong)藝系數(shu)因子(zi)(zi)K1和提高投影光刻物鏡數(shu)值孔(kong)徑(jing)NA等來(lai)實現(xian)。

縮短激光(guang)(guang)(guang)波(bo)長將涉及到激光(guang)(guang)(guang)器、光(guang)(guang)(guang)學(xue)系(xi)統設(she)計、光(guang)(guang)(guang)學(xue)材料(liao)、光(guang)(guang)(guang)學(xue)鍍(du)膜、光(guang)(guang)(guang)路(lu)污染以及曝光(guang)(guang)(guang)抗蝕(shi)劑等系(xi)列(lie)技(ji)術問題；低工藝系(xi)數因子(zi)K1值成像，只(zhi)有當掩(yan)模設(she)計、照明條件和抗蝕(shi)劑工藝等同時(shi)達到最佳化才能(neng)實現，為(wei)此需要采用離(li)軸照明、相移掩(yan)模、光(guang)(guang)(guang)學(xue)鄰(lin)近效(xiao)應校正、光(guang)(guang)(guang)瞳濾波(bo)等系(xi)列(lie)技(ji)術措施；投影(ying)光(guang)(guang)(guang)刻(ke)物鏡的數值孔徑則與激光(guang)(guang)(guang)波(bo)長及光(guang)(guang)(guang)譜帶寬、成像視場(chang)、光(guang)(guang)(guang)學(xue)設(she)計和光(guang)(guang)(guang)學(xue)加工水平等因素有關。

套(tao)(tao)刻(ke)精(jing)度(du)與光刻(ke)分辨(bian)率密切相關(guan)。如果要(yao)達到0.10μm的(de)光刻(ke)分辨(bian)率，根據33%法則要(yao)求套(tao)(tao)刻(ke)精(jing)度(du)不低于0.03μm。套(tao)(tao)刻(ke)精(jing)度(du)主(zhu)要(yao)與工件臺和掩模臺定位精(jing)度(du)、光學對準精(jing)度(du)、同步(bu)掃描精(jing)度(du)等因素有關(guan)，定位精(jing)度(du)、對準精(jing)度(du)和同步(bu)掃描精(jing)度(du)分別約為套(tao)(tao)刻(ke)精(jing)度(du)的(de)1/5～1/3，即0.006～0.01μm。

提高(gao)生產效率是光(guang)刻機實現產業化(hua)的(de)必要(yao)條件。為了提高(gao)生產效率，必須優化(hua)設計激光(guang)器輸出功率、重復頻率、曝光(guang)能(neng)(neng)量控制、同步掃(sao)描(miao)等各個技術(shu)環節(jie)，并(bing)采用先進技術(shu)盡量減少換片(pian)、步進和光(guang)學對準等環節(jie)所需時間。由此可見(jian)，首先必須先要(yao)有可靠(kao)的(de)光(guang)源(yuan)系統，才能(neng)(neng)確保光(guang)刻機的(de)有效運行。

04

光源系統的發展

早(zao)期stepper式(shi)光刻機(ji)都是用汞(gong)燈做光源，最早(zao)有1kw，2kw到最后發展到了5kw，越(yue)來(lai)越(yue)恐怖。后來(lai)為(wei)了提(ti)高分辨率，采用了新的(de)光源：laser，分為(wei)Krf(248nm)和Arf（193nm)，laser也(ye)是不斷在(zai)增加功率，現在(zai)最高的(de)可以達到500kw級別了（非常恐怖的(de)激光能量）。

為(wei)什么(me)要發(fa)展大功率的(de)(de)(de)汞燈和激光(guang)(guang)呢？這是產能(neng)的(de)(de)(de)需求(qiu)，在(zai)相同的(de)(de)(de)曝光(guang)(guang)量下(xia)，光(guang)(guang)源的(de)(de)(de)功率越高，曝光(guang)(guang)需要的(de)(de)(de)時間(jian)越少(shao)，這樣單位時間(jian)里面產能(neng)越高。汞燈發(fa)出(chu)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)向各個方(fang)向擴散，我(wo)們(men)需要把光(guang)(guang)匯(hui)聚起來，達到大光(guang)(guang)強的(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)，這時候一個橢(tuo)圓鏡是必(bi)須的(de)(de)(de)了。

我們(men)知道橢(tuo)圓(yuan)(yuan)有(you)兩(liang)個(ge)焦(jiao)點，我們(men)把(ba)光(guang)(guang)源放到(dao)一(yi)個(ge)焦(jiao)點上(shang)，那(nei)么光(guang)(guang)就(jiu)會(hui)聚到(dao)另(ling)外一(yi)個(ge)焦(jiao)點上(shang)，那(nei)就(jiu)是(shi)快門的(de)(de)位置。同(tong)時(shi)這(zhe)(zhe)個(ge)橢(tuo)圓(yuan)(yuan)鏡(jing)還有(you)另(ling)外一(yi)個(ge)功能，吸收(shou)不(bu)需(xu)要的(de)(de)光(guang)(guang)線。這(zhe)(zhe)種(zhong)鏡(jing)子上(shang)有(you)一(yi)層(ceng)涂層(ceng)，一(yi)般500nm以上(shang)的(de)(de)紅外光(guang)(guang)不(bu)被(bei)反射，而(er)是(shi)被(bei)吸收(shou)。這(zhe)(zhe)些光(guang)(guang)會(hui)被(bei)產生(sheng)熱量，所以裝汞燈的(de)(de)地方(fang)一(yi)定需(xu)要一(yi)個(ge)散熱的(de)(de)東(dong)西，功率(lv)小一(yi)點的(de)(de)就(jiu)用(yong)風扇(shan)吹，功率(lv)大的(de)(de)話(hua)就(jiu)水(shui)冷(leng)了(le)。反射出來的(de)(de)光(guang)(guang)也不(bu)是(shi)全(quan)部需(xu)要的(de)(de)，我們(men)只(zhi)需(xu)要365nm（I-line）或(huo)者436nm（G-line）的(de)(de)波長(chang)(chang)，別的(de)(de)波長(chang)(chang)的(de)(de)光(guang)(guang)也是(shi)要淘汰的(de)(de)，這(zhe)(zhe)時(shi)候filter就(jiu)上(shang)場了(le)，它(ta)的(de)(de)作用(yong)就(jiu)是(shi)過(guo)(guo)濾掉不(bu)要的(de)(de)東(dong)西，只(zhi)讓(rang)需(xu)要的(de)(de)波長(chang)(chang)的(de)(de)光(guang)(guang)通過(guo)(guo)。

激(ji)光(guang)(guang)(guang)作為光(guang)(guang)(guang)源(yuan)就不(bu)需(xu)要上面(mian)的(de)這些東西了(le)，因為從激(ji)光(guang)(guang)(guang)器里面(mian)出來的(de)光(guang)(guang)(guang)已經是很純的(de)了(le)，不(bu)需(xu)要再過濾(lv)。然后通過鏡片組將光(guang)(guang)(guang)均(jun)勻(yun)化。這樣，才能源(yuan)源(yuan)不(bu)斷的(de)給光(guang)(guang)(guang)刻機合格的(de)光(guang)(guang)(guang)源(yuan)。

1、最初的兩代光刻機：采用汞燈產生的 436nm g-line 和 365nm i-line 作為光刻光源，可以滿足0.8-0.35 微米制程芯片的生產。最早的光刻機采用接觸式光刻，即掩模貼在硅片上進行光刻，容易產生污染，且掩模壽命較短。此后的接近式光刻機對接觸式光刻機進行了改良，通過氣墊在掩模和硅片間產生細小空隙，掩模與硅片不再直接接觸，但受氣墊影響，成像的精度不高。

2、第三代光(guang)刻(ke)機：采用(yong) 248nm 的(de) KrF（氟化氪）準分子激光(guang)作(zuo)為(wei)光(guang)源，將最小工藝節點提升至(zhi)350-180nm 水平(ping)，在(zai)光(guang)刻(ke)工藝上也(ye)采用(yong)了掃(sao)描投影式(shi)光(guang)刻(ke)，即現在(zai)光(guang)刻(ke)機通(tong)用(yong)的(de)，光(guang)源通(tong)過掩(yan)模，經光(guang)學鏡頭調整和補(bu)償后，以(yi)掃(sao)描的(de)方式(shi)在(zai)硅片上實現曝光(guang)。

3、第四代 ArF 光(guang)刻(ke)機：最(zui)具(ju)代(dai)表性的(de)(de)光(guang)刻(ke)(ke)(ke)機(ji)產(chan)品。第四(si)代(dai)光(guang)刻(ke)(ke)(ke)機(ji)的(de)(de)光(guang)源采用(yong)了 193nm 的(de)(de) ArF（氟化氬）準(zhun)分子激光(guang)，將最(zui)小制(zhi)(zhi)程一(yi)舉提升至(zhi) 65nm 的(de)(de)水平(ping)。第四(si)代(dai)光(guang)刻(ke)(ke)(ke)機(ji)是目前使用(yong)最(zui)廣的(de)(de)光(guang)刻(ke)(ke)(ke)機(ji)，也(ye)是最(zui)具(ju)有(you)代(dai)表性的(de)(de)一(yi)代(dai)光(guang)刻(ke)(ke)(ke)機(ji)。由(you)于能夠(gou)取(qu)代(dai) ArF 實(shi)現更低制(zhi)(zhi)程的(de)(de)光(guang)刻(ke)(ke)(ke)機(ji)遲遲無(wu)法研發成功(gong)，光(guang)刻(ke)(ke)(ke)機(ji)生產(chan)商在 ArF 光(guang)刻(ke)(ke)(ke)機(ji)上進(jin)行了大量的(de)(de)工藝創新(xin)，來滿(man)足更小制(zhi)(zhi)程和(he)更高效率(lv)的(de)(de)生產(chan)需要。

4、第五代EUV光刻機：ASML光(guang)刻(ke)機可(ke)以使用波長為(wei)13.5納(na)米(mi)的(de)(de)(de)(de)(de)極(ji)紫(zi)外光(guang)（EUV），實(shi)(shi)(shi)現(xian)14納(na)米(mi)、10納(na)米(mi)、和7納(na)米(mi)制(zhi)程(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)芯片生產，而通過技術升級，也可(ke)以實(shi)(shi)(shi)現(xian)9納(na)米(mi)，8納(na)米(mi)，6納(na)米(mi)，5納(na)米(mi)，4納(na)米(mi)乃至3納(na)米(mi)等制(zhi)程(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)芯片生產。獲取波長為(wei)13.5nm的(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)是實(shi)(shi)(shi)現(xian)EUV光(guang)刻(ke)的(de)(de)(de)(de)(de)一個重要步驟。激光(guang)等離子(zi)體（Laser-produced Plasma）極(ji)紫(zi)外光(guang)源(yuan)（LPP-EUV光(guang)源(yuan)）由于其功率可(ke)拓展的(de)(de)(de)(de)(de)特(te)性，成(cheng)為(wei)了EUV光(guang)刻(ke)最被看好的(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)功率光(guang)源(yuan)解(jie)決方案。

EUV 光(guang)(guang)刻(ke)機面市(shi)時(shi)間(jian)表(biao)的(de)(de)(de)(de)不斷延后(hou)主要(yao)(yao)有兩(liang)大方面的(de)(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)因(yin)(yin)，一是所需的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)源功(gong)(gong)率(lv)(lv)遲遲無法(fa)達到 250 瓦的(de)(de)(de)(de)工作功(gong)(gong)率(lv)(lv)需求，二是光(guang)(guang)學(xue)透鏡、反射鏡系(xi)統(tong)(tong)對于光(guang)(guang)學(xue)精(jing)度(du)的(de)(de)(de)(de)要(yao)(yao)求極(ji)高(gao)，生產(chan)難(nan)(nan)度(du)極(ji)大。這兩(liang)大原(yuan)(yuan)因(yin)(yin)使得(de) ASML及其合作伙伴(ban)難(nan)(nan)以支撐(cheng)龐大的(de)(de)(de)(de)研(yan)發費用(yong)。2012 年 ASML 的(de)(de)(de)(de)三大客戶三星、臺積電(dian)、英特爾(er)共同(tong)向 ASML 投資 52.59 億(yi)歐元，用(yong)于支持 EUV 光(guang)(guang)刻(ke)機的(de)(de)(de)(de)研(yan)發。此后(hou) ASML 收購了全球領先的(de)(de)(de)(de)準分子激光(guang)(guang)器(qi)供應商 Cymer，并以 10 億(yi)歐元現(xian)金(jin)入股(gu)光(guang)(guang)學(xue)系(xi)統(tong)(tong)供應商卡爾(er)蔡司，加速EUV 光(guang)(guang)源和光(guang)(guang)學(xue)系(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)研(yan)發進程，這兩(liang)次并購也是 EUV 光(guang)(guang)刻(ke)機能(neng)研(yan)發成功(gong)(gong)的(de)(de)(de)(de)重(zhong)要(yao)(yao)原(yuan)(yuan)因(yin)(yin)。

05

EUV光源系統

1、EUV光源系統的組成

EUV光源由光的產生、光的收集、光譜(pu)的純化與均(jun)勻(yun)化三大單(dan)元組(zu)成(cheng)。相關的工作元器件主要(yao)包(bao)括大功率CO2激光(guang)器、多(duo)(duo)層(ceng)涂層(ceng)鏡、負載、光(guang)收集器、掩膜版、投影光(guang)學(xue)系(xi)(Xe或Sn)形成等離(li)子(zi)體，等離(li)子(zi)利用多(duo)(duo)層(ceng)膜反射(she)鏡多(duo)(duo)次反射(she)凈化能譜，獲得13.5nm的EUV光(guang)。

光的產生：CO2激光器，一般(ban)采用TRUMPF（原(yuan)美國大(da)通激光）或(huo)者Mitsubishi electronic研(yan)制的激光發射器。

光的(de)收集：極紫外光的(de)波(bo)長(chang)為(wei) 13.5nm，這種光容易被包括鏡(jing)頭(tou)玻璃內的(de)材(cai)料(liao)吸收，所以需(xu)要使(shi)用反(fan)射鏡(jing)來代替(ti)透鏡(jing)；普通(tong)打磨(mo)鏡(jing)面的(de)反(fan)射率還不夠高，必須(xu)使(shi)用布拉(la)格反(fan)射器(qi)（Bragg Reflector，一種復式鏡(jing)面設計(ji)，可(ke)以將多層的(de)反(fan)射集(ji)中成單一反(fan)射）。此外，氣體(ti)也會吸收 EUV并影(ying)響折射率，所以腔體(ti)內必須(xu)采用真空系統。

EUV光(guang)的(de)(de)(de)收集難度極(ji)大(da)，因此(ci)轉化效率也很低(di)，這(zhe)也是為(wei)什么EUV如(ru)此(ci)耗(hao)電的(de)(de)(de)原因之一。這(zhe)種光(guang)非(fei)常(chang)容易(yi)被吸收，連空(kong)氣(qi)都不透光(guang)，所(suo)以(yi)整個生產環境必(bi)須抽成(cheng)真空(kong)；同時，也無法(fa)以(yi)玻(bo)璃透鏡折射，必(bi)須以(yi)硅與(yu)鉬(mu)制成(cheng)的(de)(de)(de)特殊鍍膜反(fan)射鏡，來修(xiu)正光(guang)的(de)(de)(de)前進(jin)方向，而且每一次反(fan)射仍會(hui)損失 3 成(cheng)能(neng)量，但一臺 EUV 機(ji)臺得經過十(shi)幾面反(fan)射鏡，將光(guang)從光(guang)源一路導到(dao)晶圓，最(zui)后大(da)概只能(neng)剩(sheng)下不到(dao) 2%的(de)(de)(de)光(guang)線。反(fan)射鏡的(de)(de)(de)制造難度非(fei)常(chang)大(da)，精度以(yi)皮(pi)米(mi)(mi)計（萬億分之一米(mi)(mi)），如(ru)果反(fan)射鏡面積有德國(guo)那么大(da)（大(da)概是山(shan)東(dong)、河南(nan)兩省面積之和(he)），最(zui)高的(de)(de)(de)突起不能(neng)超過1厘米(mi)(mi)。

光的(de)純化與均一化：激(ji)光(guang)器里(li)面出來的光(guang)已經是很(hen)純的了，所(suo)以(yi)基本不需要再(zai)過濾。但我們不僅需要很(hen)純的光(guang)，還需要均勻的光(guang)，這(zhe)樣投射到wafer上不會造成(cheng)各個地方的CD不一致。誰來擔當這(zhe)個重任呢？

各個廠家用(yong)的(de)都不(bu)一(yi)樣(yang)，Nikon是一(yi)種叫fly-eye的(de)鏡(jing)頭。這種鏡(jing)片用(yong)很(hen)多(duo)塊(kuai)凸透鏡(jing)組成，光打到上面就(jiu)會在各個地(di)方產(chan)生匯聚的(de)作(zuo)用(yong)，這樣(yang)在relay lens的(de)幫助下，一(yi)個平行(xing)的(de)均勻的(de)光產(chan)生了。

ASML用(yong)的(de)(de)是(shi)一種(zhong)叫quad-rod的(de)(de)玻璃長方(fang)體，光(guang)(guang)在里面反射很(hen)多(duo)次(ci)，最(zui)后出來(lai)的(de)(de)光(guang)(guang)就(jiu)被均勻化了(le)。有了(le)均勻的(de)(de)光(guang)(guang)，我(wo)們就(jiu)可(ke)(ke)以拿來(lai)曝光(guang)(guang)用(yong)，可(ke)(ke)是(shi)有時(shi)候(hou)我(wo)們不(bu)(bu)需要全部視場大小的(de)(de)光(guang)(guang)，可(ke)(ke)能(neng)只要曝光(guang)(guang)一個很(hen)小的(de)(de)區域，這時(shi)候(hou)用(yong)于擋光(guang)(guang)的(de)(de)機構(gou)，Nikon叫blind， ASML叫REMA的(de)(de)東西就(jiu)用(yong)上(shang)(shang)了(le)，他們都是(shi)上(shang)(shang)下(xia)左右(you)四(si)塊擋片，用(yong)馬達帶動(dong)，需要多(duo)大的(de)(de)區域只要讓(rang)馬達帶動(dong)擋片，把不(bu)(bu)要的(de)(de)光(guang)(guang)遮(zhe)住，這樣就(jiu)可(ke)(ke)以曝光(guang)(guang)我(wo)們需要的(de)(de)地方(fang)了(le)。

最后，通(tong)過一(yi)塊(kuai)(kuai)大(da)的(de)(de)lens把光(guang)匯聚一(yi)下，就可以(yi)(yi)投射到(dao)reticle上進(jin)行(xing)曝光(guang)了。另外，各(ge)大(da)巨頭(tou)也對lens組進(jin)行(xing)了創新，比如(ru)Nikon有一(yi)種變形照明，在光(guang)路中加入(ru)了一(yi)個可以(yi)(yi)旋(xuan)轉的(de)(de)圓盤，圓盤上有一(yi)些用于產生特定圖(tu)形的(de)(de)東(dong)西(xi)，如(ru)小sigma，annual等等，有的(de)(de)時候還需要多塊(kuai)(kuai)fly-eye來進(jin)行(xing)光(guang)的(de)(de)處理(li)。

在ASML的(de)光(guang)路(lu)里，又(you)會有很多負責產生(sheng)各種調整(zheng)光(guang)路(lu)的(de)機構，甚(shen)至(zhi)發展(zhan)到(dao)最后，需要偏振(zhen)光(guang)等(deng)等(deng)。越先進，里面的(de)鏡頭組件(jian)用(yong)(yong)的(de)就越多。此外，通過使用(yong)(yong)OPC（Optical Proximity Correction，光(guang)學鄰(lin)近校正）軟件(jian)對(dui)pattern進行修正，使用(yong)(yong)緊湊的(de)模型動(dong)態(tai)仿(fang)真(zhen)(即基于模型的(de)OPC)的(de)結果預先計算出一(yi)(yi)個查找(zhao)(zhao)表，根據這個查找(zhao)(zhao)表來決定怎樣移(yi)動(dong)圖案的(de)邊緣(yuan)，從而對(dui)光(guang)和(he)圖案進行更進一(yi)(yi)步的(de)處理。

2、EUV光源系統的工作原理

EUV產生工(gong)作(zuo)原理：將高功率的(de)(de)(de)二(er)氧化碳激(ji)光(guang)打在直(zhi)(zhi)徑為30微米的(de)(de)(de)錫液滴(di)(di)上，通過高功率激(ji)光(guang)蒸發錫滴(di)(di)，然后(hou)將蒸汽加熱(re)到電子(zi)(zi)脫(tuo)落的(de)(de)(de)臨界溫度，留下離子(zi)(zi)，再進(jin)一步(bu)加熱(re)直(zhi)(zhi)到離子(zi)(zi)開始(shi)發射光(guang)子(zi)(zi)。

（1）錫(xi)液(ye)發生器使錫(xi)液(ye)滴落入(ru)真(zhen)空室③。