雖然近期臺積電高管表示，臺積電接下來的A16/A14制程都不會采用ASML售價高達4億美元的High NA EUV光刻機（具有0.5數值孔徑），但是英特爾則已經決定在其下一代的Intel 14A制程上選擇采用High NA EUV光刻機進行量產。

與此同時，為了解決1nm以下制程的制造問題，ASML正在積極研發具有0.75NA的Hyper NA EUV光刻機，這也意味著其將面臨更大的技術挑戰，要知道，ASML花了約20年的時間才成功推動標準型EUV光刻機的規模化商用。

而作為急需在EUV光刻機上進行突破的中國，則將目光瞄向了基于直線電子加速器的自由電子激光技術的EUV光源（EUV-FEL）技術。

EUV光刻機：17年的時間和90億美元的研發投入

目前，全球幾乎所有的7nm以下的制程工藝都全面采用了ASML的EUV光刻機來進行量產，同時隨著DRAM制程進入到10nm，美光、三星、SK海力士等存儲大廠也開始或計劃導入EUV光刻機。

雖然上一代的193nm浸沒式光刻機采用多重曝光技術將制程工藝推進到7nm左右（極限甚至可以到5nm，但是良率會大幅降低），但使用多重曝光會帶來兩大新問題：一是光刻加掩膜的成本上升，而且影響良率，多一次工藝步驟就是多一次良率的降低；二是工藝的循環周期延長，因為多重曝光不但增加曝光次數，而且增加刻蝕（ETCH）和機械研磨（CMP）工藝次數等，這也會帶來成本的大幅上升和良率的降低。

而要解決193nm浸沒式光刻所面臨的問題，最為有效的方法就是進一步縮短光源波長，來提升光刻分辨率。因此，在20多年前，頭部的晶圓制造商和ASML就將目光瞄向了光源波長只有13.5nm的EUV（極紫外光）光刻技術。

1997年，英特爾牽頭創辦了EUV LLC聯盟，隨后ASML作為唯一的光刻設備生產商加入聯盟，共享研究成果。隨后，ASML通過一系列的收購（比如收購美國準分子光源提供商Cymer等）和自身的研發，在2010年首次推出了概念性的EUV光刻系統NXW:3100，但是直到2016年面向量產制造的EUV系統NXE:3400B才開始批量發售，從而真正開啟EUV光刻系統的新時代。

據ASML此前介紹，在EUV光刻機的研發上，ASML總計花了90億美元的研發投入和17年的研究，才最終獲得了成功，最終到進入大規模商用更是花了約20年的時間。

相對于193nm浸沒式光刻機，EUV光刻機不僅可以使得光刻的分辨率大幅提升，同時一次就能曝出最小距離為13nm精細圖形，而且不需要浸沒系統，沒有超純水和晶圓接觸，在產品生產周期、OPC的復雜程度、工藝控制、良率等方面的優勢明顯。當然，唯一的劣勢在于最初的價格高達1.5億美元一臺。

憑借著英特爾、臺積電、三星這三大頭部先進制程客戶的強力支持，再加上ASML自身在EUV光刻領域的持續研發投入，以及在EUV光刻設備上游的關鍵器件和技術領域的多筆收購及投資布局，使得ASML多年來一直是全球EUV光刻機市場的唯一供應商。

領導ASML研究部門的Jos Benschop說：“幾十年來，在摩爾定律的推動下，過去每一代新的制程節點的晶體管長度和寬度都縮小了70%。但是現在每一代微縮的幅度已經降低到了大約20%。”雖然現在最先進的High NA EUV光刻機可以打印8nm的線條，距離大約為32個硅原子。但當晶體管間距靠得如此近時，量子隧穿效應就可能會出現——電子可能將表現出不可預測的行為。

自上世紀90年代末以來，一直從事EUV研究的Benschop說：“根據最初的縮放比例，我們將在2065年左右達到四分之一納米（2.5埃米）的水平，即兩個硅原子之間的距離。但是，根據現在的預計，我們可能會在下個世紀中葉才達到那個點。”因此，在未來幾十年中，ASML可以繼續盡可能高效地縮小晶體管的尺寸。但是，怎么做到這一點呢？

攜手ARCNL

據荷蘭媒體NRC報道，ASML除了自身投入大量的資金進行技術研發之外，也在與阿姆斯特丹納米光刻高級研究中心（ARCNL）開展合作。

據介紹，ARCNL成立于十年前，與阿姆斯特丹大學的合作伙伴關系。推動者是ASML的前技術總監兼聯合總裁Martin van den Brink，他已于去年退休。ASML公司支付了ARCNL預算的三分之一（每年約400萬歐元），以便80名科學家可以研究前沿的光刻技術的構建模塊。

ARCNL的任務是改進ASML現有的EUV光刻技術，并在未來EUV失敗的情況下研究替代方法。

Wim van der Zande自2022年以來一直擔任ARCNL的董事，之前曾在ASML的研究部門工作。學者們與費爾德霍芬和圣地亞哥的ASML研究人員以及荷蘭和國外的技術大學合作。“這是一個完整的生態系統。”Van der Zande說。

ARCNL在與ASML相關的領域進行研究，該公司是第一個有機會評估新想法的公司。這種合作讓人想起NatLab。這個前飛利浦實驗室做出了CD播放器等著名發明，也為ASML的光刻技術奠定了基礎。NatLab進行了開創性的研究，即使它沒有直接的商業應用，最終被飛利浦削減。

ARCNL的科學家們意識到ASML最重要的挑戰：經濟可行性。畢竟，不為芯片制造商賺錢的機器是不會有什么買家的。ASML目前每年在研究方面的投資超過40億歐元，遠高于其他荷蘭公司，因此它可以將ARCNL納入自己的管理之下。但這種做法將有損于開放的學術研究。

Van der Zande表示：“作為一名科學家，你可以花很多年時間進行一項研究，但商界只關注短期回報，可能會因此突然停止一個項目。”盡管如此，大約四分之三的ARCNL研究人員在獲得博士學位后繼續在ASML工作。

更短波長的光源

1984年，當ASML創立時，光刻機使用波長為365或436nm的汞燈作為光源。隨后是248納米和193納米的激光。數年前已經躍升至13.5nm的EUV光源。

目前，科學家們正在尋找合適的6.7nm和4.4nm波長光源。有一些元件可以為EUV反射鏡提供透明度和反射的正確組合——對于6.7納米，這些材料是羊毛甾烷和硼。缺點：在較短的波長下，反射效果較差。

為產生6.7納米的光，ARCNL正在構建一個使用釓而不是錫的研究裝置。然而，較短的波長并不是萬能的。能量分布在較少的光子上，如果您想打印納米級的線條，這會增加出錯的風險。用技術術語來說：會有隨機噪聲。“總而言之，我認為我們進入更小波長的可能性很小。”Benschop說。

更大的數值孔徑

光刻機分辨率的提升除了可以依賴于縮短光源的波長之外，還可以通過提升鏡頭的數值孔徑（NA）來實現。目前的EUV光刻系統的數值孔徑是0.33 NA，而ASML最新推出的High NA EUV系統的數值孔徑已經提升到了0.5 NA。

為此，ASML的合作伙伴蔡司（Zeiss）不得不使用直徑超過一米的更大物鏡，同時，蔡司還必須開發復雜的測量設備，以將物鏡的誤差降低到低至原子的偏差（其實早在2016年11月5日，AMSL就收購了卡爾蔡司半導體制造技術公司（Carl Zeiss SMT）的24.9%股權，以強化雙方在半導體微影技術方面的合作，研發High NA EUV光刻系統）。

ASML及其鏡頭供應商蔡司要想推動High NA EUV商用，還必須聯合供應鏈做出更多的妥協。

首先，High NA EUV的芯片圖案所在的視場較小。因此，較大的芯片設計必須切成兩半，然后再重新綁在一起，這很麻煩。

其次，High NA EUV雖然分辨率更高，但焦深較小。這需要調整光敏涂料，它必須具有不同的化學成分，并且必須涂得特別薄（小于20納米）。

第三，晶圓本身也必須特別平坦，以防止偏差。

在High NA EUV成功推出的同時，ASML和蔡司還在研究新一代數值孔徑為0.75 NA的Hyper NA EUV光刻系統。

Jos Benschop表示，Hyper NA EUV光刻系統的物鏡并不一定非得更大，“你也可以把最后一面鏡子放在離芯片更近的地方，這樣你就會得到同樣的效果。缺點是更多的光線會反射回來——這就是鏡子的情況。”

Hyper NA EUV還有一個優點，更大的數值孔徑可以處理更多的光線，就像你倒空寬頸的瓶子比清空窄頸的瓶子更快。因此，Hyper NA EUV不僅能夠打印出更清晰的線條，而且打印速度也更快。

根據Martin van den Brink此前披露的ASML未來15年的邏輯器件工藝路線圖，利用目前的0.3NA的標準型EUV光刻機支持到2025年2nm的量產，再往下就需要通過多重曝光技術來實現，但支持到2027年量產的1.4nm將會是極限。

而0.55NA的High NA EUV光刻機則可以支持到2029年1nm制程的量產，如果采用多重曝光，則可以支持到2033年量產的5埃米（0.5nm）制程節點。

再往下就可能必須要采用0.75NA的Hyper NA EUV光刻機，或許可以支持到2埃米（0.2nm）以下的制程節點，路線圖在這里打了一個問號，所以，不確定Hyper NA EUV光刻機能否支持下去。根據ASML的規劃，Hyper NA EUV光刻機首款產品可能會在2030年前后推出。

這里需要強調的是，雖然一個硅原子的直徑就在1埃米左右，但是這里的所有的制程節點命名都只是等效指標，并不是真實的物理指標。2埃米制程節點的對應的晶體管的金屬間距為大約在16~12nm，進入2埃米制程以下時，金屬間距才會進一步縮小到14~10nm。

所以，Benschop才會說，預計到下個世紀中葉，晶體管之間的間距才有可能進一步縮小到1/4 nm的水平。

更高的EUV光源功率，更低的能耗

目前，ASML的EUV光源（被稱為激光等離子體光源），是利用德國通快（Trumpf）公司30千瓦功率的二氧化碳激光器，每秒2次轟擊霧化的錫（Sn）金屬液滴（錫金屬液滴以每秒50000滴的速度從噴嘴內噴出，即每秒需要10萬個激光脈沖），將它們蒸發成等離子體，通過高價錫離子能級間的躍遷獲得的13.5nm波長EUV光線。然后，ASML對EUV光進行收集，并通過反射鏡修正光的前進方向，最終進入鏡頭，作用到芯片表面的光刻膠。

△ASML EUV光源的微型版本

由于EUV光線波長非常短，所以它們很容易就會被空氣吸收，因此，整個EUV光源的工作環境需要被抽成真空。同時，EUV光線也無法被玻璃透鏡折射，必須通過蔡司用硅與鉬制成的特殊鍍膜反射鏡，來修正光的前進方向，而且每一次反射可能將會損失約30%的能量，EUV光學照明系統中有6組反射鏡，這就導致最終到達晶圓表面光阻層的EUV光源功率理論上只有原來的約1%左右。

相關資料顯示，在2015年，ASML才設法將EUV光源提升到了100W，其龐大的drive laser（驅動激光器）加上其他部分，使得整個EUV光刻機的功耗達到了驚人的15000KW。

現在，ASML已經將EUV光刻機的EUV光源功率提升到了500W，接下來ASML計劃進一步將功率提升到1000W，同時ASML希望持續降低能耗。ASML預計，到2033年，每個照射晶圓的EUV能耗將比2018年減少約80%。

如何來實現這些目標呢？據NRC稱，ASML計劃將每秒噴射的50000滴錫金屬液滴提升到60000個，從而提升產生的EUV光源功率。另外，為了更有效地利用Trumpf公司的激光器，ASML希望drive laser使用固體激光器，因為它將消耗更少的能量。ARCNL也曾建議使用固體激光器來降低能耗。

“夾層蛋糕”式反射鏡

如前所述，目前ASML的EUV光線利用蔡司的特殊鍍膜反射鏡修正光的前進方向，每一次反射可能將會損失約30%能量，這也意味著，如果經過10面反射鏡，可能只剩下不足3%的能力。而ASML的High NA EUV如果采用了相對較少的反射鏡，那么可以作用于晶圓表面光刻膠的EUV光源功率會更高。但是，如果反射鏡更少，可能就很難糾正鏡頭誤差。

NRC稱，特溫特工業大學的研究人員正在研發新的鏡面涂層，該涂層由一堆交替的鉬和硅層組成，一種材料可以反射EUV光線，另一種則是透明的，總共有大約70個“多層”相互重疊，每個層的占比略低于3%。

“我們現在實現了高達71%的反射率，接近理論上可以達到的75%。”Marcelo Ackermann教授說。他領導XUV Optics小組，與蔡司和ASML合作研究涂層配方。該實驗室建立在Fred Bijkerk教授于1990年代初在Nieuwegein的FOM研究所開始的EUV研究的基礎上。

計算似乎很簡單：反射層的厚度必須達到波長的一半。訣竅在于精確的構圖和每層僅10nm厚的整齊分層。這是通過一種被Ackermann稱為“微波濺射”的方法完成的。與最早的EUV反射鏡相比，這種“夾層蛋糕”式的反射鏡的各層現在彼此之間更加緊密地分離，更有利于光輸出。

Marcelo Ackermann教授的實驗室與ARCNL一起，還為在EUV水平上生長的囊泡找到了解決方案。訣竅是添加額外的材料。“至于選擇哪種材料？這就是我們的秘方。”Marcelo Ackermann說。

更大、更快的掩膜版

此外，High NA EUV光刻機使用鏡子，以不同的方式在長度和寬度上放大掩模板上刻畫的芯片圖案的藍圖。因此，在晶圓上刻畫芯片圖案就需要更長的時間。ASML則希望通過提高速度來補償這一點。

現在，在High NA EUV光刻機的頂部，像復印機掃描儀一樣來回移動的掩膜版支架，其加速度達到了32G，也即重力的32倍。Benschop說，只要機器不發生故障，就可以再快幾倍。

現在的大型AI芯片包含數千億個晶體管和數十個處理器內核，設計非常大，因此它們不再適合使用High NA EUA光刻機來一次完成一個傳統的掩膜板圖案的光刻。所以，目前AI芯片的制造依賴于各個部分單獨光刻，然后通過先進封裝技術整合在一起。這雖然也很有效，但不方便。

如果芯片制造商愿意，ASML可以切換到更大尺寸的掩模，從而再次“用畫筆繪畫”。然后，英特爾和臺積電等各方必須帶頭說服口罩行業的供應商。

進行更多測量

EUV光刻可以寫入納米結構，也可以測量它們。戴著護目鏡的Stefan Witte教授正在ARCNL工作，主要研究法國物理學家Anne L'Hullier諾貝爾獎獲獎研究的應用。她發現，超短光脈沖就像樂器一樣，在與其他材料接觸時會產生泛音。因此，可以利用這種現象檢查晶圓的質量，即使在生產過程中也是如此。

諾貝爾獎得主Anne l'Huillier表示：“我認為他們要求的成就是我們無法實現的。”

ARCNL研究員Peter Kraus展示了記錄芯片材料如何以不同角度散射EUV光的測試設置。“我們可以觀察到5到10納米的結構。”Kraus說。傳統的光學計量系統無法看到如此微小的細節。

△用于EUV計量的激光器測試臺，利用光波的“泛音”，可以映射芯片上的納米結構

ARCNL正在研究的另一種方法是光聲學：利用短脈沖光產生能夠“看到”芯片層的聲波。芯片結構正在不斷縮小，同時在三維空間中增長，這些信息將變得更加重要。

替代性技術：EUV-FEL

目前ASML的EUV光刻機所采用的是被稱為激光等離子體EUV光源（EUV-LPP），但隨著半導體制程的持續推進，EUV-LPP也將面臨更多的挑戰。

作為LPP-EUV技術的替代，近年來，美國、中國、日本等國家的研究機構（相關文章：日本提出EUV光刻新方案：光源功率可降低10倍，成本將大幅降低！）都在研發基于直線電子加速器的自由電子激光技術的EUV光源（EUV-FEL）系統，該技術利用磁鐵影響電子，可以產生任何波長的光，并且其光源功率足以同時支持10~20臺EUV光刻機。這種方法不僅可以繞過ASML所采用的EUV-LPP技術路線，還可大幅降低EUV光源的系統成本。

ASML在2015年左右也研究了EUV-FEL技術，雖然該技術是有效的，卻不符合當前需求。因為粒子加速器體積龐大覆蓋了整個建筑物，并不適合當前的晶圓廠。而且，一旦EUV-FEL光源產生故障或需要維護，那么接入該光源的10多條生產線都將面臨停機問題。對于大多數的芯片制造商或者晶圓代工廠商來說，如果其在一個地區只建幾座晶圓廠，那么也就沒有必要用這樣的一個重型光源。

據了解，ASML也與美國和日本的研究人員一起認真研究了EUV-FEL技術，但最終還是放棄了。盡管如此，美國初創公司Xlight報告稱，它希望在2028年將EUV-FEL光源的原型與ASML機器連接起來。

領導ASML研究部門的Jos Benschop堅信，EUV-LPP是目前產生EUV光源的最具成本效益的方法，尤其是在EUV-LPP光源效率持續提高的情況下。

但對于中國來說，在美國和荷蘭將EUV光刻機及相關技術對其禁運的背景之下，成本已經不再是關鍵問題，EUV-FEL技術可能更適合中國將其商用化。畢竟該技術的有效性已經被ASML等廠商證實。

“帶頭走路要復雜得多。”ASML前技術總監Martin van den Brink在2015年接受NRC采訪時說。“我們最初是光刻領域的追隨者。你看到有人在你前面開車，心想如果我跟著那些尾燈走，至少我走的方向是正確的。一旦你超越了你的競爭對手，你就必須確定自己的方向。”

本文來自微信公眾號：芯智訊 （ID：icsmart），編輯：芯智訊-浪客劍