EUV光刻机，要过七关

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来源：内容编译自NRC。

如何粉碎一块薄饼？这个问题困扰着阿姆斯特丹纳米光刻高级研究中心 (ARCNL) 的研究员迪翁·恩格尔斯 (Dion Engels)。

这里所说的薄饼指的是被粉碎的锡滴，它在 ASML 的光刻机中每秒被引爆五万次。这会产生等离子体，发射出极紫外 (EUV) 光：一种极紫外辐射，将高度精细的芯片图案投射到硅片或晶圆上。

集成的晶体管越多，芯片的性能就越强。得益于 EUV 光刻机，如今用于手机或人工智能数据中心的最先进处理器上的芯片设计线间距仅为几十纳米——百万分之一毫米。

ASML 与美国 Cymer 实验室合作研究 EUV 技术长达二十年，发现粉碎锡滴可以产生更多的 EUV 光。其结果是：生产英伟达、苹果、三星或英特尔先进芯片的机器很快就会更加高效地运转。

ASML 系统的许多基础设计都诞生于阿姆斯特丹东区的科学园。ARCNL 成立于十年前，与阿姆斯特丹大学合作成立。其推动力来自 ASML 的技术总监兼联席总裁 Martin van den Brink，他于去年退休。ARCNL 承担 ASML 三分之一的预算（每年约 400 万欧元），以便 80 名科学家能够研究光刻技术的基本原理。

重点是 EUV（极紫外光刻），ASML 是唯一一家掌握这项技术的芯片设备制造商。这些系统如今创造了数十亿欧元的营业额，但在 2015 年，ASML 却难以确保这些昂贵的设备（最新版本造价近 4 亿欧元）可靠运行并实现盈利。ARCNL 的任务是改进这项技术，并研究在 EUV 失效的情况下的替代方案。

Wim van der Zande 自 2022 年起担任 ARCNL 主任，此前曾在 ASML 的研究部门工作。ARCNL 的学者们与 ASML 在费尔德霍芬和圣地亚哥的研究人员以及荷兰和国外的技术大学合作。“这是一个完整的生态系统，”Van der Zande 说道。

ARCNL 的研究领域与 ASML 相关，ASML 是首批有机会评估新想法的公司。这种合作令人想起 NatLab。这家前飞利浦实验室创造了 CD 播放器等著名发明，也为 ASML 的光刻技术奠定了基础。NatLab 进行了开创性的研究，即使没有直接的商业应用，最终也被飞利浦削减。

ARCNL 的科学家们坚信 ASML 面临的最大挑战是：经济可行性。毕竟，不能为芯片制造商创造利润的机器是卖不出去的。 ASML 每年在研究上的投入超过 40 亿欧元，远超其他荷兰公司，因此可以将 ARCNL 纳入自己的管理。但这将损害其学术抱负。

”商界只顾眼前利益，可能会突然叫停一个项目。“ARCNL 主任Wim van der Zande说。

Van der Zande：“作为一名科学家，你可以在一个研究项目上工作数年，但商界只顾眼前利益，可能会突然叫停一个项目。” 尽管如此，大约四分之三的 ARCNL 研究人员在获得博士学位后都会去 ASML 工作。

以英特尔创始人戈登·摩尔命名的摩尔定律预测，芯片上的晶体管数量每两年就会翻一番。如今，芯片制造商正在将数百亿个微型开关塞进指甲盖大小的表面上。

芯片元件尺寸缩小的速度正在放缓，因为芯片设计变得越来越高：制造商正在将芯片元件粘合在一起，并想出更智能地排列晶体管的方法，例如从底部供电。

这就是新的现实，ASML 研究部门负责人 Jos Benschop 表示。“几十年来，每个新节点（芯片代）的长度和宽度都缩小了 70%。现在这个数字大约是 20%。”

但密度仍在不断增加。最先进的EUV光刻机可以打印间距为8纳米（相当于32个硅原子的距离）的线条。当芯片线条如此靠近时，量子效应就会潜伏——电子会表现出不可预测的行为。

自20世纪90年代末以来一直致力于EUV研究的Benschop表示，事情并没有那么快发展：“根据最初的收缩速度，我们将在2065年左右达到四分之一纳米（两个硅原子之间的距离）的水平。我们很可能在下个世纪中叶达到这个水平。” 因此，ASML可以在未来几十年继续尽可能高效地缩小尺寸。但如何实现呢？

High和Hyper

与复印机一样，光刻机也包含光源和投射图像的透镜或反射镜。能够成像的最小尺寸取决于光的波长和透镜的开角（数值孔径，NA）。

由于新光源需要在整个芯片行业进行调整，ASML 总是首先改变其自身设备的光学系统。目前的 EUV 系统开角为 0.33 NA，而新的高 NA 设备则可提供 0.55 NA。为此，ASML 的合作伙伴蔡司必须使用更大的反射镜，直径可达一米以上。蔡司还必须开发复杂的测量设备，以原子级精度记录偏差。

ASML 和蔡司目前正在研发其继任产品 Hyper-NA，其孔径为 0.75。Hyper-NA 镜片不一定要更大。Jos Benschop 在白板上画了个草图：“你也可以把最后一面镜片放在离晶圆更近的地方，这样也能达到同样的效果。缺点是会反射更多光线——这就是使用镜片的弊端。”

Hyper-NA 也有一个优点：更大的开口角度可以处理更多光线，就像你倒空一个宽口瓶比倒空一个窄口瓶更快一样。因此，Hyper-NA 不仅可以打印更清晰的线条，而且速度也更快。

功率更大，“披萨”更少

与其前代产品相比，笨重的激光器使EUV光刻机成为耗电大户。2015年左右，ASML公司以高功率（1.5兆瓦）制造了仅100瓦的EUV光刻机。目前运行的机器输出功率约为500瓦，并计划将EUV光刻机的功率提升至1000瓦。

这将逐步提高系统的效率：ASML公司预计，到2033年，每片曝光晶圆的EUV光刻机能耗将比2018年降低约80%。

这种光源有点像一场超高速拳击比赛。激光器首先轻轻敲击下落的锡滴，使其变平，然后将其击倒，导致锡滴爆炸并产生EUV光。这个过程每秒发生五万次；很快将提升到六万次。

ASML 将压碎的锡滴称为“煎饼”，但它更像是披萨，边缘较厚。在爆炸过程中，很多锡会被剩余的锡粒所利用。粉碎并铺展锡粒的效果更好。额外的激光轻击会产生一团微滴，然后将其转化为等离子体。

为了更高效地利用来自德国通快公司的激光器，ASML 希望在前两次轻击中使用固体激光器。这样可以降低能耗，从而为激光器留出更多能量用于最后的打击。ARCNL 曾建议在最后一次打击时也使用固体激光器——这样可以节省更多能源。

紧密层叠的“蛋糕”

大量的EUV光在光学系统中被吸收。每个镜片反射率约为70%，这意味着经过十个镜片之后，剩下的光就所剩无几了。高数值孔径光学元件的镜片数量更少，因此产量更高。但镜片数量更少，透镜误差的校正也变得更加困难。

在特温特工业大学，他们正在改进反射涂层，该涂层由交替堆叠的钼和硅层组成。一种材料反射，另一种材料透明。总共有大约七十个“多层”互相叠加，每个层的反射率略低于3%。“通过这种方式，我们现在实现了高达71%的反射率，接近理论上可实现的75%，”Marcelo Ackermann教授说道。他领导着XUV光学团队，与蔡司和ASML合作研究涂层配方。该实验室以 Fred Bijkerk 教授于 20 世纪 90 年代初在 Nieuwegein 的 FOM 研究所启动的 EUV 研究为基础。

计算看似简单：反射层厚度必须达到波长的一半。关键在于精确的成分，以及将厚度仅为 10 纳米的层层叠放。这通过 Ackermann 称之为“磁控溅射”的方法实现。与最初的 EUV 反射镜相比，现在的“夹层蛋糕”各层之间的分离更加紧密，从而提高了光输出。

他的实验室与 ARCNL 合作，还找到了解决 EUV 反射镜上气泡问题的方案。这些气泡在 ASML 提高 EUV 功率后立即出现。关键在于添加一种额外的材料。究竟是哪种材料呢？“这就是我们的秘诀，”Ackermann 说。

更短的波长

1984年，ASML公司成立之初，光刻机使用的汞灯波长为365纳米或436纳米。随后，248纳米和193纳米的激光出现了，到2019年左右，芯片行业跃升至13.5纳米。ASML公司并不指望这一点，但人们可以缩短波长来投射更小的细节。科学家们正在尝试6.7纳米和4.4纳米的波长。有些元素可以为EUV反射镜提供合适的透明度和反射率组合——对于6.7纳米来说，这些元素是镧和硼。缺点是：波长较短时，反射率较差。

为了制造6.7纳米的光，ARCNL正在构建一个以钆代替锡为材料的实验装置。然而，更短的波长并非灵丹妙药。能量分布在更少的光子上，如果想要打印纳米级的线条，就会增加出错的几率。用专业术语来说，就是随机噪声。“综合考虑，我认为我们采用更短波长的可能性很小，”Benschop说。

更大、更快的掩模版

高数值孔径光刻机使用镜子将掩模版（带有芯片图案的蓝图）放大，使其长度和宽度有所不同。这使得用芯片图案“填充”磁盘所需的时间更长。“这就像用油漆刷而不是刷子来粉刷墙壁，”Benschop 说。ASML 通过提高速度来弥补这一缺陷。掩模版支架在光刻机顶部来回移动，就像复印机的扫描仪一样，现在的加速度为 32G，相当于重力的 32 倍——只要机器不发生故障，Benschop 希望它的速度能再快几倍。

AI芯片的设计包含数千亿个晶体管和数十个处理器核心，其规模如此之大，以至于在高数值孔径（High-NA）工艺下，单个光罩已无法容纳。设计的各个部分需要单独投影，然后必须无缝粘合在一起。这种方法虽然可行，但并不实用。如果芯片制造商愿意，ASML可以改用更大的光罩尺寸，从而再次“用画笔作画”。届时，英特尔和台积电等厂商必须发挥带头作用，说服光罩行业的供应商。

利用 EUV 实现更多测量

EUV 光不仅可以写入纳米结构，还可以测量它们。在 ARCNL，Stefan Witte 教授戴着护目镜，在封闭的窗帘后，研究法国物理学家 Anne L’Hullier 的诺贝尔奖获奖研究成果。她发现，超短光脉冲就像乐器一样，在与其他材料接触时会产生泛音。这种现象可以用来检查芯片图案的质量，甚至在生产过程中也能做到。

ARCNL 研究员 Peter Kraus 展示了一套测试装置，用于记录芯片材料在不同角度散射 EUV 光的方式。“我们可以观察到 5 到 10 纳米的结构，”Kraus 说道。如此微小的细节是传统光学计量系统无法实现的。

ARCNL 正在研究的另一种方法是光声学：短光脉冲产生声波，可以“透视”芯片层。随着芯片结构不断缩小，同时三维尺寸不断增大，这些信息变得越来越重要。

替代光源

作为使用锡滴的EUV光刻机的备用方案，ASML在2015年左右对自由电子激光器进行了研究。这种激光器利用磁铁影响电子，可以产生任何波长的光。这种自由电子激光器（FEL）的功率足以同时支持10到20台光刻机。必须过滤掉如此大的能量，否则EUV镜片就会失效。

FEL看似高效，但实际操作起来却很棘手。粒子加速器占地一整栋建筑，因此无法容纳在芯片工厂中。如果必须对光源进行维护，则会导致多条生产线停工。如果芯片制造商只需要一两台额外的机器，那么如此笨重的光源也毫无用处。

ASML也曾与美国和日本的研究人员合作，认真研究过FEL，但最终放弃了。尽管如此，美国初创公司Xlight宣布，计划在2028年将FEL原型与ASML光刻机连接。

Jos Benschop坚信，“激光等离子体”是产生EUV光最具成本效益的方式，尤其是在光源效率更高的情况下。但在中国，成本并非关键因素。该国目前不允许进口EUV光刻机，因此考虑将自由电子激光器作为其自主研发先进光刻机的潜在光源。

据中国科技网站报道，中国科技公司华为也在尝试利用等离子体源制造EUV光刻机。目前进展尚不明朗，但中国有一个优势：它不再需要证明这项技术是否有效——ASML已经做到了。

“领先要复杂得多，”马丁·范登布林克 (Martin van den Brink) 在 2015 年接受 NRC 采访时说道。“我们最初在光刻领域只是追随者。你看到前面有人开车，就会想：如果我跟着那些尾灯走，至少能走对方向。一旦你超越了竞争对手，你就必须确定自己的方向。”

https://www.nrc.nl/nieuws/2025/05/22/dit-zijn-de-7-uitvindingen-waarmee-asml-machines-nog-complexere-chips-kunnen-maken-a4894128

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