極紫外(EUV)光源可以為晶圓生產(chǎn)提供幾十瓦功率是一個重要的里程碑，預(yù)計(jì)今年稍晚些時候可以開始大批量供貨。但對于大規(guī)模生產(chǎn)芯片，其性能還存在嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

　　回顧半導(dǎo)體光刻歷史，248nm的KrF激光器光源代替了汞燈，隨后又開發(fā)了幾何尺寸更小的193nm ArF激光器，到2003年，EUV光源開始占據(jù)半導(dǎo)體發(fā)展路線圖，如今十幾年過去了，EUV還沒有達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)的要求。但是，極紫外光源將在今后很長一段時間掌控半導(dǎo)體光刻的未來。EUV光源遠(yuǎn)比我們想象的具有技術(shù)挑戰(zhàn)性，致使半導(dǎo)體光刻技術(shù)路線圖一直修改拖延，但值得肯定的是，2011年以來，隨著ASML建立完整的EUV光刻系統(tǒng)，加速了EUV發(fā)展。

　　ASML將在EUV光源方面投資更多，包括收購主要光源供應(yīng)商Cymer，在SPIE 先進(jìn)光刻會議2013上，Cymer報道了13.5nm波段EUV光源平均輸出功率達(dá)到40~55W，并且基于這種技術(shù)開發(fā)出了新一代光源。但是輸出功率還沒有達(dá)到商業(yè)生產(chǎn)芯片的水平。

　　光刻技術(shù)及其要求

 　　光刻技術(shù)在電子學(xué)十幾年的進(jìn)展中至關(guān)重要，光源曝光涂在芯片表面的光刻膠，曝光部分被刪除，根據(jù)定義的特征刻蝕表面，然后再其他層重復(fù)此過程建立集成電路。特征尺寸取決于光源波長、聚焦光學(xué)元件和光刻膠。

　　光刻光源被集成在光刻機(jī)或系統(tǒng)中，包括照明圖案掩模的光學(xué)系統(tǒng)和將反射光照在光刻膠表面的光學(xué)元件。系統(tǒng)是非常巨大、復(fù)雜、昂貴的，經(jīng)濟(jì)學(xué)要求光源發(fā)射足夠多的光曝光達(dá)到100晶圓/小時。

　　EUV光源

 　　EUV發(fā)射的錫等離子體是由二氧化碳激光器輸出脈沖轟擊熔融錫滴產(chǎn)生的。Cymer和日本Gigaphoton公司采用的激光器技術(shù)，Xtreme技術(shù)公司采用激光束直接放電激勵。

　　Cymer已經(jīng)生產(chǎn)了10臺3100EUV光源樣機(jī)，Q開關(guān)CO2主振蕩器/功率放大器(MOPA)，三級放大，工作重復(fù)頻率40~50kHz，每一個脈沖轟擊單個錫滴，激光器的平均功率是15kW，去年就實(shí)現(xiàn)EUV平均輸出11W功率到光刻膠上，每小時曝光7片晶圓。

        在今年的SPIE先進(jìn)光刻會議上，Cymer報道通過將CO2激光器增加四級放大，在主脈沖之前增加預(yù)脈沖照射錫滴，使EUV光刻機(jī)光源輸出功率達(dá)到了40~55W。這一功率在長期照射過程中維持了一段時間，這種預(yù)脈沖技術(shù)使得錫滴的尺寸由30μm放大到100μm，如圖6所示。

　　即將出產(chǎn)的新型光源NXE3300增加了收集鏡的尺寸，可以將EUV輸出功率提高到70~75W，在Cymer制定的技術(shù)路線圖中，包括兩個版本的高功率光源，一個是31kW的CO2激光器泵浦輸出125W，另外一個是43kW激光器泵浦輸出250W功率。

　　在2013 SPIE會議上，Gigaphoton報道了其開發(fā)的EUV光源平均輸出功率達(dá)到了10W，最大峰值功率達(dá)到20W。

　　光學(xué)元件及其他主要問題

 　　工作在EUV波段會引起光學(xué)元件和功率傳輸?shù)暮芏鄦栴}，錫等離子體是向各個方向散射的，收集鏡只能管理朝光刻系統(tǒng)方向散射的光，因此透射性光學(xué)元件不能用于EUV光刻系統(tǒng)，所以光刻光源必須使用多層反射膜鏡面。目前EUV光學(xué)元件已經(jīng)相當(dāng)成熟，鏡面反射率接近于理論最大值入射光的70%，然而，橢圓形的收集鏡的損耗是最大的，同時還必須保持濺射錫的清潔度。

　　損耗包括EUV光源照射掩模以及將掩模圖形投影到光刻膠上所需的光學(xué)元件，系統(tǒng)如圖6所示，使用10面鏡子，如果每面鏡子反射70%的入射光，只有2.8%的原始功率剩余下來，而且這還沒有計(jì)算收集鏡、掩模的反射損耗、光刻膠沒有吸收光的損耗。這些損耗致使傳送到晶圓表面的EUV平均功率達(dá)不到每小時生產(chǎn) 100片以上晶圓的生產(chǎn)要求。

　　EUV還引發(fā)了一些其他技術(shù)問題，如其光子能量是193nm處的十倍以上，必須采用新型光刻膠，能量光子釋放的電子才能在材料中散開。隨著芯片尺寸的縮小，缺陷成為日益嚴(yán)重的問題。

其他光刻技術(shù)

　　EUV光刻技術(shù)的主要競爭者是193nm侵入式光刻系統(tǒng)，對此，大型公司都是保持雙向選擇，既延續(xù)193nm技術(shù)又探索EUV新技術(shù)。

　　另外一種候補(bǔ)光刻技術(shù)是定向自組裝，利用193nm光源產(chǎn)生模板引導(dǎo)小型建筑模塊自動組裝為半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，在過去的幾年里，這種技術(shù)已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)步，這是繁殖193nm侵入式光刻技術(shù)的一種方式，當(dāng)然要實(shí)現(xiàn)這種技術(shù)還需要很長一段時間，但其作為光刻技術(shù)的候補(bǔ)技術(shù)有很大的吸引力。

　　然而，這種定向自組裝技術(shù)與EUV光源不存在競爭關(guān)系，它只是傳統(tǒng)光刻膠的替代品，而不能替代整套設(shè)備，它可以使用EUV光源或者193nm光源，從底部向上為自組裝結(jié)構(gòu)提供從上到下控制。

　　展望未來

 　　目前存在的問題使得光刻技術(shù)的未來變得復(fù)雜，半導(dǎo)體行業(yè)的不同部門又有著不同需求使得問題更加復(fù)雜化。其實(shí)最渴望EUV技術(shù)問世的是代工廠，他們不能控制其制造芯片的設(shè)計(jì)，因此單次曝光的EUV制造技術(shù)比多次曝光的193nm光刻技術(shù)就更有吸引力。

　　目前真正的重大突破應(yīng)該是技術(shù)已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室階段步入生產(chǎn)車間，工程師將使用最新工具開發(fā)新工藝，并測試如何生產(chǎn)下一代芯片。