攻克难关：极紫外光刻技术及其反射式掩膜应用

极紫外光刻技术是阿斯麦攻坚克难过程中的顶级技术。浸润式微影机的发展，使曝光与显影的线距得以缩至45纳米、32纳米。在22纳米工艺中，双重/多重显影技术（Double/Multi Patterning Technology）运用时，曝光镜头设计和掩膜设计都已经越来越复杂。后来，在16/14纳米工艺中，除导入等离子体或电子束（E-Beam）、多重曝光显影（Multiple Patterning Lithography）等新技术外，人们对极紫外光刻技术有了更多的期待。极紫外光刻技术采用高功率的二氧化碳激光器，波长仅13.5纳米，是氟化氩激光光波长193纳米的1/14。与氟化氪、氟化氩激光穿透石英玻璃搭配光阻的曝光显影方式不同，极紫外光必须在真空环境下曝光―空气、石英玻璃与掩膜保护膜等任何材料都会吸收极紫外光。因此，极紫外光刻采用反射式掩膜―利用反射镜片及聚光多层膜反射镜将掩膜上的图案反射、聚焦到曝光盒。但是，这种处理方式又带来了多层膜反射镜吸收大量极紫外光源问题。除了上述问题，以及超高功率激光光源、真空环境带来的洁净度控制等挑战外，过短波长的绕射现象造成的掩膜、晶圆边缘过度曝光等问题，也会导致晶圆合格率不佳和频繁检测等问题。这些都是需要克服的难题。这些难题，也是造成极紫外光刻的研发速度不及预期的原因。

极紫外光刻技术的最早研发，是1996年美国桑迪亚国家实验室（Sandia National Laboratories）、加州大学伯克利分校与朗讯科技共同开发的。当时的半导体工艺线宽还在180纳米左右。2008年，IBM、超微半导体公司（Advanced Micro Devices）加入开发后，在纽约州立大学阿尔巴尼分校纳米科学与技术学院开展了极紫外光刻机的初步研发，当时的工艺线宽在90纳米。后来，中国台湾地区的同步辐射研究中心在2008年、2014年两期的纳米计划中，于新竹地区建造了极紫外光刻研究实验站，并设计建造了EUV反射仪、光阻分析系统、频谱系统与同步极紫外激光光源，并接受阿斯麦、日产化学、台积电的委托，开展极紫外光刻机设备相关的曝光、显影、晶圆检测等技术研发。

在利用极紫外光刻的半导体工艺中，高效能光阻剂、真空曝光盒等都具有极高的难度。为了加速工艺发展，2012年阿斯麦邀请英特尔共同参与极紫外光微影量产技术与设备研发。当时，英特尔投入41亿美元，占15%的股权。其后，台积电和三星分别投资14亿、9.75亿美元，以确保在未来的10纳米、7纳米制造中获得“入场券”。在此前阿斯麦的发展历程中，荷兰ASM控股集团、荷兰飞利浦集团和美国投行摩根大通是主要的股东。

2013年，阿斯麦并购世界领先的准分子激光源提供商Cymer公司，获得其深紫外光与极紫外光激光光源和真空曝光舱技术。2014年12月，台积电率先给阿斯麦下了用于7纳米工艺的极紫外光刻机订单。在台积电抢先布局后，英特尔面临着10纳米工艺量产不顺利的现实，也加入了极紫外光刻量产工艺的投资行列，直接下单订购15台NXE：3350B量产型极紫外光刻机。

在这里，有必要把集成电路发展至关重要的工艺技术―光刻（Photolithography）再做一下梳理。光刻是用光来制作图形的工艺：在硅片表面均匀涂胶，而后将掩膜板上的集成电路微型图形转印到光刻胶上，需经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀等过程。

其中，硅片进入涂抹光刻胶环节后，将光刻胶（感光性树脂，一种对光线、温度、湿度十分敏感的材料）滴在硅片上，通过高速旋转均匀涂抹成光刻胶薄膜，并施加以适当的温度固化光刻胶薄膜。在曝光工艺中，光刻模板、透镜（主要参数为透镜的数值孔径）、光源（主要参数为光的波长）共同决定了光刻胶上晶体管的尺寸―掩膜中预先设有电路图案，光束透过掩膜经过特制透镜折射后，在光刻胶层上形成掩膜中的集成电路图案。光波长的长短、透镜数值孔径的大小是制约光刻技术进一步发展的关键要素。曝光后的晶圆片进行显影处理，喷射显影液后，经照射的光刻胶会发生化学反应溶解于显影液中，未被照射到的光刻胶图形则会完整保留。晶圆片经过表面冲洗、热处理后，光刻胶得以固化。(www.xing528.com)

1978年，美国旋翼机公司（GCA）在全球推出第一台光刻机，此后尼康、佳能和阿斯麦快速跟进，后三者逐步垄断了光刻机市场，其中尼康的市场份额曾长期占据50%以上。193纳米光刻技术问世后，阿斯麦后来居上，尤其是浸润式光刻技术使其在与尼康、佳能的竞争中获得了极大的优势。由于集成电路的投资成本极高，因而能够满足精确度和成本要求、工艺的延伸性非常强的阿斯麦产品成了首选。在英特尔不再采购尼康的光刻机后，阿斯麦事实上已经成为市场的绝对主导。2012年，随着英特尔、三星和台积电对阿斯麦的投资，后者的主导地位进一步确立。

在英特尔、三星和台积电投资的当年，阿斯麦推出了试验型极紫外光刻设备NXE：3100，其后又推出了量产型NEX：3300B。2014年，阿斯麦推出NXE：3350B，这也是此后几年的极紫外光刻主要机型，该机型主要用于7纳米芯片制造的测试和试产。2017年第一季度，阿斯麦开始交付第四代极紫外光刻机NXE：3400B，该类机型的单价超1亿欧元，曝光速度达125片晶圆/小时，一时成了英特尔、三星、台积电7纳米节点的量产关键。如果半导体工艺进一步升级到5纳米及3纳米节点，阿斯麦则能凭借其深紫外光微影、全方位微影（Holistic Lithography）和极紫外光微影技术和设备，在行业内迅速形成了技术垄断地位。回过头看，1984年阿斯麦从飞利浦独立而来，2000年底兼并了美国光刻机巨头SVGL，2013年收购美国准分子激光源企业Cymer公司，在产品线上开发了TWINSCAN NXE、TWINSCAN NXT、TWINSCAN XT和Yield Star、PAS 5500等系列产品，拥有步进扫描式光刻、浸润式光刻技术、极紫外光刻技术和压印光刻技术。

阿斯麦于2000年推出了光刻平台TWINSCAN。该系统采用阿斯麦独有的双工作台（dual-stage）晶圆处理技术，由两个平台交替执行测量对位和微影功能，因此能不间断地完成微影工艺，同时大幅提高了工作效率与对位精度。双工作台与浸润式光刻机的发展，成了阿斯麦超越对手的起点。

在阿斯麦的系列产品中，TW I NSCA N系列型号包括TW I NSCA N N XT：1950i、TW I NSCA N XT：1950Hi、T W I NSCA N XT：1900Gi、T W I NSCA N XT：1700Fi、T W I NSCA N X T：1450 G、T W I NSCA N X T：10 0 0H、T W I N S C A N X T：8 7 5 G、T W I N S C A N X T：8 7 0 G，T W I NSCA N X T：450 G、T W I NSCA N X T：4 0 0 G等。TWINSCAN NXE：3400B支持7纳米和5纳米节点的批量生产，融合了极紫外NXE和氟化氩NXT的能力、卓越的图像分辨率、适宜的覆盖层，以及对焦性能，配备NA（numerical aperture，镜口率）为0.33的投影光学系统。