超越EUV光刻，新進展

衆所周知，當今幾乎所有芯片都是使用光刻技術打造。而最先進的芯片則是基於 EUV 光刻，其工作波長為 13.5 nm，可以產生小至 13nm（0.33 數值孔徑的Low NA EUV）、8nm（ 0.55 NA 的High NA EUV），甚至 4nm ~ 5nm（ 0.7 – 0.75 NA 的Hyper NA EUV）的特徵，但代價是光刻系統極其複雜，具有非常先進的光學元件，耗資數億美元。

於是研究人員正在尋找更好的方法，「Beyond-EUV」就成爲了不少廠商研究的方向。

據《Cosmos》援引《自然》雜誌發表的一篇論文報道，約翰霍普金斯大學的研究人員公佈了一種新的芯片製造方法，該方法使用波長為 6.5nm ~ 6.7nm 的激光（也稱為Soft X ray），可以將光刻工具的分辨率提高到 5nm 及以下。

科學家將他們的方法稱為「Beyond-EUV」（BEUV）——這表明他們的技術可以取代行業標準的 EUV 光刻技術——但研究人員承認，他們目前還需要數年時間才能製造出哪怕是實驗性的 B-EUV 工具。

一種「Beyond-EUV」的技術

熟悉光刻技術的讀者都知道，爲了獲得更高的光刻分辨率，要麼增加數值孔徑 (NA)，要麼縮短波長（或兩者兼而有之）。數值孔徑是指光聚焦的角度。角度越大，光斑越小，分辨率越高。

具體到波長方面，如文章《集成電路裝備光刻機發展前沿與未來挑戰》所説，自1961年第一臺光刻機誕生以來，光刻機經歷了接觸式→接近式→投影式的發展路線，如今以投影式中的步進掃描式光刻機為主流。光刻機所使用的光源波長從最早的紫外光源(ultraviolet, UV)，如g線(波長436 nm)、i線(波長365 nm)光源，發展到以KrF(波長248 nm)、ArF(波長193 nm)為代表的深紫外光源(deep ultraviolet, DUV)，再到現在波長13.5 nm的極紫外光源(extreme ultraviolet, EUV)。

而之所以會是這樣的演進步伐，則是科學家們基於對這些設備及物理原理考量實現的。以DUV和EUV為例，DUV 由準分子激光器產生。研究人員測試了大量氣體以識別高發射效率的發射器。最終，他們得到了一些良好的發射器，如 KrF（248 nm）、ArF（193 nm）和 F2（157 nm），並基於它們開發了光刻機。

另一方面，EUV 極易被任何物質吸收，即使是最好的鏡子也會吸收很大一部分。即使你找到了一個強大的 EUV 發射器，如果沒有一個好的鏡子，你就無法制造 EUV 機器。換句話説，EUV 的速率限制因素是鏡子而不是光發射器。所以你需要在不同的材料上測試很多波長。最佳波長是 13.5 nm，在多層 Mo/Si 鏡上的反射率高達 70%。這就是為什麼當前的 EUV 機器基於該波長。

至於文章開頭談到6.7nm波長之所以被看到是下一個選擇，那是因為它具備第二高的反射率，大約是 13.5 nm 的一半。從理論上看，我們可以建造這個波長的 EUV 機器。但這里有一些需要注意的地方：

首先，雖然 6.7 nm 的反射率僅略低於 13.5 nm（61% vs 70%），但應該記住，EUV 光在到達晶圓之前需要反射 11 次，這意味着任何輕微的缺點都會乘以 11。如果你算一下，6.7 nm 的透射效率只有 13.5 nm 的四分之一。

其次，多層鏡需要不同層之間發生建設性干涉才能達到最佳反射率，這意味着波長和鏡子周期之間的任何輕微不匹配都會大大降低反射率。這種影響在較短的波長下更為明顯。你可以看到，13.5 nm 的反射率曲線像一座塔，而 6.7 nm 的曲線像一根針。這就對光源提出了嚴峻的挑戰。

但從行業發展看來，B-EUV 光源尚未成熟。許多研究人員嘗試了多種產生 6.7 nm 波長輻射的方法（例如，釓激光產生的等離子體），但目前尚無行業標準方法。其次，由於這些較短的波長光子能量較高，與芯片製造中使用的傳統光刻膠材料相互作用較差。第三，由於 6.5nm 至 6.7nm 波長的光幾乎會被所有物質吸收而不是反射，因此此前尚未生產出用於此類輻射的多層鍍膜鏡。

最后，這些光刻工具必須從零開始設計，目前還沒有生態系統來支持這些設計，包括組件和耗材。總而言之，打造一臺B-EUV機器（或軟X射線機器？）需要在光源、投影鏡、光刻膠，甚至像薄膜或光掩模這樣的耗材方面取得突破。

光源上的幾種選擇方案

爲了實現這個方案，過去一段時間有廠商在相關光源和各類技術上突破。例如在去年年底，位於加利福尼亞州的一家實驗室將為極紫外 (EUV) 光刻技術的下一次發展奠定基礎。

該項目由勞倫斯利弗莫爾國家實驗室 (LLNL) 牽頭，旨在推動 EUV 光刻技術的下一個發展階段，其核心是實驗室自主研發的驅動系統——大孔徑銩 (BAT) 激光器。據該實驗室介紹，該項目將測試 BAT 激光器能否將 EUV 光源效率提高至目前行業標準二氧化碳 (CO2) 激光器的 10 倍左右。

一家名為Inversion 的初創公司也正在利用一種名為LWFA（Laser Wakefield Acceleration）的現象製造出緊湊、高功率的光源。據介紹，LWFA 利用強激光脈衝與等離子體的相互作用，在極短的距離內將電子加速到極高的能量。這個過程類似於衝浪者在船后尾流中衝浪：電子在等離子波中「衝浪」，並在行進過程中獲得能量。

Inversion 預計，公司可以利用LWFA在短距離內將電子加速到數GeV的能量。這些高能電子隨后穿過自由電子激光器，該激光器利用磁結構使電子發射出精確波長的相干光。LWFA 可以將用於產生高能光的傳統粒子加速器縮小 1000 倍，縮小到桌面大小，也就是從幾公里大小縮小到一米左右。

按照他們預估，Inversion 計劃使用其先進的光源投射圖案，就像傳統的 EUVL 一樣，但該光源可調至 13.5nm 或更低的波長，下一代目標波長為 6.7nm。

此外，還有一家名為Lace Lithography AS的初創公司，正在開發一種光刻技術，該技術使用向表面發射的原子來定義特徵，其分辨率超出了極紫外光刻的分辨率。該公司在其網站上聲稱：「通過使用原子代替光，我們為芯片製造商提供了領先當前技術 15 年的功能，並且成本更低、能耗更低。」

初創公司xLight也正在透過自身的技術來突破傳統EUV，自由電子激光器（FEL）就是他們的選擇。據介紹，這本質上是一種高功率光源，利用電子產生不同波長的光。粒子加速器是一種推進帶電粒子的系統。

坦白説，自由電子激光器（FEL）和粒子加速器並非新鮮事物。多年來，公司、研發機構和大學一直擁有並運營着粒子加速器，用於產生質子、中子和夸克等微小的亞原子粒子。這些系統通常用於物理學和其他科學應用。自由電子激光器（FEL）早已存在。

在xLight的技術中，電子首先被注入粒子加速器，然后進入自由電子激光（FEL）。xLight表示：「FEL利用來自粒子加速器的電子，並使其穿過具有周期性磁場的波盪器，從而產生相干的高強度光束。」

簡單來説，EUV 光是在加速器中產生的。然后，EUV 光通過類似光子管道的裝置從粒子加速器設備傳輸到晶圓廠。此時，EUV 光會被引導至子晶圓廠。子晶圓廠內有各種獨立的系統，稱為「翻轉站」。根據 xLight 的視頻，每個翻轉站都專用於上層晶圓廠的一款 EUV 工具。在操作過程中，EUV 光被傳輸到子晶圓廠區的每個旋轉工位。然后，每個旋轉工位接收光並將其引導至晶圓廠樓上的 EUV 系統。這反過來又為 EUV 設備提供能量。

在這種情況下，EUV光刻設備本身並不包含LPP光源。相反，EUV光是在粒子加速器中產生，然后傳輸到晶圓廠的EUV設備。這是描述複雜工藝的簡單方法。

儘管如此，xLight 的 FEL 光源產生的功率比目前的 LPP 裝置高出 4 倍。xLight 表示：「通過提供高達 4 倍的 EUV 功率，晶圓廠可以優化圖案改進、提高生產率和良率，從而每台掃描儀每年可額外創造數十億美元的收入，並將每片晶圓的成本降低約 50%。此外，單個 xLight 系統最多可支持 20 台 ASML 系統，使用壽命長達 30 年，從而將資本和運營支出降低 3 倍以上。」

理論上，xLight 的技術可以用於低數值孔徑 EUV、高數值孔徑 EUV 甚至超數值孔徑 EUV。在研發方面，ASML 正在開發 0.75 超數值孔徑 EUV 技術，該技術的目標是實現更遠的未來。

xLight 還有一個可能的切入點。該公司是Blue-X 聯盟的成員。Blue-X 由 EUV Litho 組織，正在提議使用 6.7nm 波長的 EUV 光刻技術。6.7nm EUV 也是一項極具未來感的技術。目前，Blue-X 擁有 70 個成員組織。

光刻膠方面，迎來新突破

近日，約翰·霍普金斯大學在光刻膠上迎來了新的突破。

美國約翰霍普金斯大學化學與生物分子工程教授邁克爾·薩帕西斯 (Michael Tsapatsis) 的研究團隊發現，像鋅這樣的金屬能夠吸收B-EUV光併發射電子，進而引發一種名為咪唑的有機化合物發生化學反應。這些反應使得在半導體晶圓上蝕刻出非常精細的圖案成為可能。

有趣的是，雖然鋅在傳統的 13.5nm EUV 光下表現不佳，但在較短波長下卻非常有效，這凸顯了將材料與正確的波長匹配的重要性。爲了將這些金屬有機化合物應用於硅晶片，研究人員開發了一種名為化學液相沉積 (CLD) 的技術。該方法可以生成一種名為 aZIF（amorphous zeolitic imidazolate frameworks）的薄層，這些層狀材料呈鏡面狀，生長速度為每秒 1 納米。

CLD 還可以快速測試不同的金屬-咪唑組合，從而更容易找到不同光刻波長的最佳搭配。雖然鋅非常適合 B-EUV，但該團隊指出，其他金屬在不同波長下的性能可能更好，這為未來的芯片製造技術提供了靈活性。

「由於不同波長與不同元素的相互作用不同，因此在一種波長下處於劣勢的金屬，在另一種波長下可能表現良好，」Tsapatsis 解釋道。他重申：「鋅對於極紫外線輻射來説不是很好，但它對於 B-EUV 來説是最好的材料之一。通過調整這兩種成分（金屬和咪唑），你可以改變吸收光的效率和后續反應的化學性質。這為我們創造新的金屬有機配對開闢了道路。令人興奮的是，至少有10種不同的金屬可以用於這種化學反應，還有數百種有機物。」

雖然這項研究主要集中在用於微芯片製造的光刻膠上，但研究人員預計他們的發現也將有益於其他圖案和薄膜應用，例如傳感器和分離膜。

儘管研究人員尚未解決B-EUV的全部挑戰（例如光源功率、掩模版），但他們突破了最關鍵的瓶頸之一：找到能夠在6納米波長光下工作的光刻膠材料。他們發明了CLD工藝，將均勻的aZIF薄膜塗覆到硅片上。他們通過實驗表明，某些金屬（例如鋅）可以吸收軟X射線併發射電子，從而引發咪唑基抗蝕劑中的化學反應。

然而B-EUV 仍面臨諸多挑戰，且該技術尚未明確進入大眾市場。不過，CLD 工藝的應用範圍相當廣泛，無論是在半導體領域還是非半導體領域。