中国曝光机发展现况:EUV

林育中
2025-05-14

中国工信部宣布DUV信息的同时,上海微电子也发布其2023年申请的EUV专利、2024年9月专利申请公开的消息。

延伸报导专家讲堂:中国曝光机发展现况:DUV

上海微电子的EUV使用的也是现在商业主流的二氧化碳(CO2)雷射,波长为10.6納米。钖的液滴(droplet)先用钕钇铝石榴石雷射(Nd:YAG laser)打成圆盘状后,再被CO2雷射离子化(ionized)变成钖电浆(plasma),然后其外层电子向低能量态跃迁(transition),释出波长约为13.5納米的光子。

之所以要用如此复杂的工序来产生EUV光源,是因为在此波长没有自然的物质的能阶差可以产生如此短的波长。选择13.5納米是因为波长再短一些,就变成X光(0.01納米~10納米)。

EUV也很可能是矽基半导体技术的最后一种光源。矽的共价键(covalent bond)长度为0.543納米,而要形成一个块材,至少也要有10几20个原子,否则界面的效应就会严重影响电子于其中的行径。13.5納米光的分辨率以及应有的工程努力如加大数值孔径等—最多再加上多重曝光—要处理这样的临界尺吋尽够用了。

所以上海微电子的专利的权利请求(patent claim)主要在光源之外的系统。至于原型机或量产机型的交付,没有官方宣布或较正规新闻。

2024年12月30日哈尔滨工业大学因「放电等离子体极紫外光刻光源」工作获得中国黑龙江省的科技创新成果转化大赛的一等奖。这奖只是地方奖项,能引起后续新闻报导自然是因为它牵涉到EUV的光源产生。

它产生光源的方式与前述的以CO2雷射来离子化圆盘钖滴粒,借以产生13.5納米光源的工作方式—雷射产生电浆(Laser-Produced Plasma;LPP)不同,它是施加高电压借以离子化钖滴粒产生13.5納米光源,此种方法称放电产生电浆(Discharge-Produced Plasma;DPP)。

报导中说它产生的线宽较窄(narrow linewidth)—也就是所有光的波长较集中于13.5納米、功耗较低。二者说法都有误导之嫌。LPP与DPP产生的EUV光都不是相干的(coherent)。如果硬要比较的话,LPP产生的光线宽较窄,但二者均可以经滤光器(filter)将线宽控制在可接受范围内。

而DPP的原始功耗较低,恰恰好成为当初与LPP竞争成为EUV光源候选人时未能雀屏中选的主要原因。

在相同的能源转换效率(energy conversion efficiency)条件下,光源较高的功率输出代表较强的光亮度(light luminosity),可以用较短的时间完成曝光,提高曝光机吞吐量。DPP EUV能量的提升(scale up)较为困难,因此用来当量产机臺的光源挑战也更大。

最后是在2025年3月在《中国激光》期刊上中国中科院上海光学精密机械研究所由林楠领导团队所发表的〈1um激光激发固体Sn靶等离子体EUV幅射特性实验研究〉。

林楠曾服务于ASML光源团队,对此题目的产业商业化考虑应该十分熟悉。

文章中的1微米固态雷射(solid state laser)使用的就是前述用来将钖滴粒打成盘状的Nd:YAG雷射。

固态雷射由于其体积较紧致(compact)、电光转换效率(electrical-to-optical conversion rate)较高(~20%),而且目前输出功率已达千瓦级,未来可能可以提升至万瓦级,有望取代CO2雷射,成为驱动EUV的主要雷射。

文中指实验的能量转换效率已达3.42%,若用已商业化的1kW固态雷射,已可来做曝光验证、光罩检测(mask inspection)等工作,并且在一定条件下,进一步用于先进节点的临界尺度以及疉加精度的量测。也就是说,这是一个未来EUV机臺的研究起始点。

产业此时的现实考虑是从CO2雷射波长10.6微米转换成Nd:YAG雷射波长1微米对于光源次系统是一个全新的转换,所有的工程工作必须重新来过,而且CO2雷射用于LPP EUV商业化已久,目前的成本远低固态雷射的。

所以这个工作更倾向于对未来可能发展方向的研究准备,对于目前的先进制程的突破,短期间内是使不上力的。

近期的这些报导距离真正的工程实施都有相当的距离,进步也比较片面。

一个EUV曝光机包括EUV光源、光学系统、真空系统、光罩版臺及夹具(reticle stage and clamping)、晶圆臺(wafer stage)、热管理(thermal management)、计量和傳感器(metrology and sensors)、控制电子设备(control electronics)以及軟件及韧体(firmware),大大小小的零组件计100,000个以上,其中很多零件是专为EUV机臺量身定制的。建立此一庞大、复杂、精确的供应链队伍的难度,可能更甚于对单一技术课题的突破,我认为这是中国在发展自有曝光机的最大挑战。

现为DIGITIMES顾问,臺湾量子电脑暨信息科技协会常务监事。1988年获物理学博士学位,任教于国立中央大学,后转往科技产业发展。曾任茂德科技董事及副总、普天茂德科技总经理、康帝科技总经理等职位。曾于 Taiwan Semicon 任咨询委员,主持黄光论坛。2001~2002年获选为臺湾半导体产业协会监事、监事长。
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