揭秘EUV光刻機中的激光技術

EUV 光刻是以波長為(wei) 10-14nm 的極紫外光作為(wei) 光源的芯片光刻技術，簡單來說，就是以極紫外光作“刀”，對芯片上的晶圓進行雕刻，讓芯片上的電路變成人們(men) 想要的圖案。如今，世界上最先進的 EUV 光刻機可以做到的“雕刻精度”在 7nm 以下，比一根頭發的萬(wan) 分之一還要細。華為(wei) 自主研發設計的麒麟 990 芯片，采用的就是 7nm Plus EUV 工藝。該技術的核心之一正是激光脈衝(chong) ，通快公司是目前全球唯一一家能夠供應 EUV 光刻用激光放大器的廠商。

圖1：半導體(ti) 光刻機的核心是通快激光放大器

提到極紫外光刻（EUV），人們(men) 傾(qing) 向於(yu) 把注意力集中在芯片工藝和光刻設備，但是他們(men) 往往會(hui) 忽略另一個(ge) 重要的方麵：光從(cong) 哪兒(er) 來？

EUV 光刻技術已經發展了 20 多年，直到幾年前這種技術是否能夠進入工業(ye) 化芯片生產(chan) 還是一個(ge) 開放性的問題。在研究過程中，人們(men) 發現所有懸而未決(jue) 的技術挑戰中極紫外光是最大的難題。

圖2：光從(cong) 哪兒(er) 來

讓我們(men) 看一下 EUV 光刻整個(ge) 過程的示意圖（圖1）：

第一步：

CO2 激光脈衝(chong) 被放大到非常高的功率，輸出超過 30kW 平均脈衝(chong) 功率的激光數，其脈衝(chong) 峰值功率可高達幾兆瓦；

第二、三步：

不斷滴下的錫珠被激光束擊中成為(wei) 一個(ge) 發光的等離子體(ti) ，發射出波長為(wei) 13.5 nm 的 EUV 光；

第四、五步：

極紫外光聚焦後，通過反射透鏡首先傳(chuan) 輸到光刻掩模上，然後照射到晶圓基片上。

對於(yu) 每一個(ge) 步驟，都需要非常複雜的技術，接下來讓我們(men) 聚焦激光脈衝(chong) 是如何產(chan) 生以及如何放大的（第1-3步）的？

首先，我們(men) 需要產(chan) 生短脈衝(chong) 激光光束作為(wei) 種子光，然後讓它經過多級放大。實際上會(hui) 有兩(liang) 個(ge) 脈衝(chong) ——預脈衝(chong) 和主脈衝(chong) 。預脈衝(chong) 首先擊中錫珠，使它變成正確的形狀；然後主脈衝(chong) 將壓扁的錫珠轉化為(wei) 等離子體(ti) ，從(cong) 而發射出珍貴的 EUV 光。

這裏的難點在於(yu) 放大階段會(hui) 不斷增加它的功率，但必須確保兩(liang) 個(ge) 光束在錫珠上有正確的光學性能，尤其是正確的聚焦。每束脈衝(chong) 激光都由非常微小的、緊湊的光粒子組成，緊緊地拋向錫珠。為(wei) 了正確地擊中它們(men) 的目標，它們(men) 必須在正確的瞬間到達，不能過早或過晚；否則，衝(chong) 擊力將無法壓平錫珠。在最壞的情況下，第二道激光脈衝(chong) 射出的子彈沒有擊中目標，EUV 就會(hui) 失敗。

以上過程每秒鍾進行五萬(wan) 次。

為(wei) 了讓激光束以極大的功率穩定傳(chuan) 輸，係統的複雜性可想而知。

事實上，EUV 激光係統由大約 45 萬(wan) 個(ge) 零件組成，重約 17 噸。為(wei) 了確保這些零件正確組裝，僅(jin) 檢查標準就多達 1000 多條，這還不包括模塊和子模塊額外的預檢標準。

從(cong) 種子光發生器到錫珠有 500 多米的光路，這對所有零部件都提出了非常苛刻的要求，尤其是係統中包含的 400 多個(ge) 光學元器件。

圖3：EUV 激光係統由大約 45 萬(wan) 個(ge) 零件組成，重約 17 噸，線纜長度超過 7000 米

作為(wei) 該係統的光源，該激光器產(chan) 生的等離子體(ti) 溫度為(wei) 22 萬(wan) ℃，比太陽表麵的溫度高 30 至 40 倍。

圖4：CO2 激光器中的受激混合氣體(ti) 發出獨特的紅光——這就是 EUV 光最初的來源

絕不是靠運氣！

EUV 需要很長時間才能達到市場成熟度。事實上，EUV 光刻技術開發者所麵臨(lin) 的問題是如此的多樣和新穎，以至於(yu) 沒有合作夥(huo) 伴。單靠一家公司的力量是無法解決(jue) 的，掌握這一高度複雜的技術並將其付諸實施，需要一個(ge) 由具有不同專(zhuan) 業(ye) 技能的研究人員和開發人員組成的完整網絡。

通快（TRUMPF）已經在 EUV 光刻激光發生係統上投入了超過 15 年。2005年與(yu) 美國 Cymer 公司開始合作，並在 2013 年 ASML 收購 Cymer 公司後繼續合作。在這段時間裏，通快為(wei) 此專(zhuan) 門成立了一個(ge) 獨立的子公司——通快半導體(ti) 製造激光係統公司（TRUMPF Lasersystems for Semiconductor Manufacturing），該子公司擁有超過 500 名員工，專(zhuan) 門負責開發和生產(chan) EUV 激光器。

這種持久的關(guan) 係是今天 EUV 光刻機實現工業(ye) 化生產(chan) 的關(guan) 鍵。

憑借通快在 EUV 極紫外光刻方麵的突出貢獻，榮獲了 2020 年德國科學成就領域最高榮譽——德國未來獎，該獎項旨在表彰在技術、工程和生命科學領域取得的特殊成就。2020 年 11 月 25 日，德意誌聯邦總統弗蘭(lan) 克-瓦爾特-施泰因邁爾在柏林維爾蒂音樂(le) 廳向通快頒發了該獎項。