与其在别人的规则下苦苦追赶,不如划下自己的规则让对手颤抖。
01EUV光源到底哪难?
目前全球7nm及以下制程芯片,都离不开EUV(极紫外线)光刻机,其制造难度可想而知。
光源系统无疑是光刻机内部最难造的部件。先介绍一个在光刻领域和摩尔定律同样重要的公式“瑞利判据”:光源波长越小,光刻机分辨率就越高。
以光源波长划分,最早的UV(紫外线)发展到DUV(深紫外线),再到目前最先进的EUV,波长一路从400纳米走到了13.5纳米,分辨率也确实不断迭代。
但是这个13.5纳米波长的光源并不好找,研究人员在EUV诞生前的几十年间尝试了多种路线。以光源产生原理来划分EUV路线,EUV光源可分为LPP(激光等离子体)、DPP(放电等离子体)、SR(同步辐射)、SRF-FEL(超导高重频自由电子激光)、SSMB(稳态微聚束)五种。
其中,LPP-EUV利用高功率的二氧化碳激光器,轰击液态锡形成等离子体,从而产生EUV光源。相当长一段时间内,DPP光源都是和LPP光源同场竞技的主要“选手”,但没有真正步入应用。
随着半导体制程向1~3纳米级挺近,EUV需要的光功率将达到千瓦量级,此时LPP-EUV光源的功率将遇到瓶颈,其余三种利用粒子加速器实现的光源可能会成为主流,但现在还是LPP为主流。
综合成本、功率等各类商业考量,目前阿斯麦生产的EUV光刻机主要使用的还是LPP光源。
这套LPP-EUV光源系统的制造难点,和光源本身物理特性以及材料科学、工程实现等方面脱不开关系,要不怎么说它是“工业皇冠”呢?
EUV光源系统是光刻机最关键的部件
举个例子,仅仅是产生、有效输出EUV光源就已经让研究员花尽心思。
EUV它并非自然存在,而是需人工制造的。其中,LPP造光的原理有点像用乒乓球去连续两次击打空中的苍蝇,需要极高的精度和能量控制,如何维持稳定性和功率是关键难点。
EUV光源系统想要作业,激光器要先发射出一道低能激光,去击打以每秒250米速度自由下落的金属锡滴——这些直径仅20微米,比头发还细3倍的锡滴,由喷射系统以每秒5万颗的频率射出。当锡滴被压扁成薄饼状时,第二道高能激光要立刻打来,将锡滴轰成等离子体,并在激光离开时辐射释放出EUV。
这个激光器制造难度相当大,能量转化率还低得离谱:从二氧化碳激光器输入电能到最终输出EUV光能,转换效率最高只有5.5%,这还是经历了历次迭代才有的水平,最初这个数据只有0.8%。目前,一台EUV光刻机工作24小时,耗电量能达到恐怖的3万度。
但是,转化效率只是指电能转化为EUV光能的比例,而功率则是实际输出的EUV光功率——就是它让LPP光源脱颖而出。
成本高又复杂的LPP光源之所以能被市场选中,正是因为其输出功率恰好是所有技术路线中最高的。“只有光源功率足够大,才能提高光刻机的吞吐量,晶圆厂的经济效益才会得到保障”,客户想要,阿斯麦等企业自会投入研发。
此外,能用波长多少纳米的光,决定权并不完全在于造出什么样的EUV光源,还和光刻机能收集到什么样的光源息息相关。
13.5纳米的极紫外光特别容易被吸收,哪怕是空气,所以传统透镜无法使用,必须用反射镜;但反射率又低,还很容易发生衍射,这增加了复杂性。
阿斯麦的EUV光刻机中用的是十一面极高精度的钼/硅反射镜,每面反射镜上面都有数十层镀膜来保证它们既能提高对EUV的反射,还能吸收杂光。同时,每一层镀膜只有几纳米厚,表面必须要达到极致的光滑洁净,这对制造工艺要求极高。
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