EUV光刻发展挑战 | AI生成和翻译
问题：为什么EUV光刻技术如此难以开发和制造？
回答：
极紫外（EUV）光刻技术被认为是迄今为止最复杂的工业技术之一，因为它突破了物理学、材料科学、真空工程和精密制造的极限。以下是其开发异常困难（并且仍然极其困难）的主要原因：
- 极短波长（13.5 nm）
- EUV光处于软X射线范围。在此波长下，所有物质都会强烈吸收EUV光——即使是空气、玻璃和传统透镜材料也完全不透明。
- → 不可能使用折射透镜。所有光学元件都必须是具有近原子级平整度的反射镜。
- 光源功率——等离子体挑战
- 产生足够13.5 nm光的唯一实用方法是使用高功率CO₂激光（当前约250–500 W）轰击熔融锡液滴（每秒约50,000个）。
- 这会产生比太阳表面更热的等离子体。
- 2000年代的早期原型产生<1 W的可用EUV功率；现代机器需要在晶圆上实现>300 W的功率。实现这一目标花费了大约20年和数十亿美元。
- 近乎完美的反射镜
- EUV反射镜必须每个表面反射约70%的13.5 nm光。
- 由40-50层交替的钼和硅（Mo/Si多层）组成，层厚度在约60厘米直径的反射镜上必须精确控制到±0.1 nm。
- 表面粗糙度必须小于0.1 nm RMS（亚埃级）。一个原子级的台阶就会破坏性能。
- 超高真空环境
- 即使是微量的残余气体或碳污染也会吸收EUV光子或沉积在反射镜上。
- 机器在约10⁻⁹到10⁻¹⁰毫巴（比大气压低十亿倍）的压力下运行。任何撞击反射镜的氢或碳氢化合物分子，在EUV照射下都可能导致不可逆转的损害。
- 长期没有保护膜（Pellicle）
- 传统的DUV光刻技术在掩模上使用薄的保护膜，以防止颗粒失焦。
- EUV保护膜必须传输>90%的EUV光，同时厚度仅为约50 nm，并且能承受高温——直到最近（2020年代）才出现可用的保护膜。在此之前，掩模上的单个灰尘颗粒就可能毁掉整个晶圆。
- 掩模缺陷和3D效应
- EUV掩模是反射式的，而非透射式的，微小的吸收体图案缺陷或相位误差由于斜向照明角度会导致巨大的成像问题。
- 掩模3D效应和阴影效应直到2010年代才被充分理解。
- 原子级别的热稳定性和机械稳定性
- 晶圆和掩模台必须在真空中高速移动的同时，以<1 nm的精度定位。
- 即使是皮米级的震动或热膨胀也会破坏分辨率。
- 单一供应商垄断（ASML）
- 在英特尔、台积电和三星共同投资超过100亿美元之后，只有ASML（荷兰）取得了商业成功。
- 竞争对手（尼康、佳能、Gigaphoton等）放弃了EUV项目，因为技术和财务门槛过高。
综上所述：EUV要求同时解决等离子体物理、原子层级精密光学、超净高真空系统和亚纳米级计量学方面的问题——所有这些都必须达到工业规模和可靠性。从1990年代首次提出认真提案到实现大批量生产（约2019-2021年）以及ASML的NXE:3400C和即将于2025-2026年投入生产的High-NA系统的推出，大约花费了25-30年。
参考文献：
- ASML – How EUV lithography works
- Cymer (ASML) – LPP EUV Source Technology
- Zeiss – EUV Mirrors and Optics
- IEEE Spectrum – The Unsung Hero of the Chip World: EUV