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光刻机，毋庸置疑是生产芯片最最核心的设备，技术难度非常高，日本、荷兰占据目前90%以上的全球市场份额，而最先进的技术只有荷兰公司ASML一家能做。早在2015年，芯片进口就成为中国消耗外汇储备最大行业。在之前的推文中我们便谈及过华为制造光刻机是否靠谱等相关内容，本篇推文继续讲讲光刻机。
一台光刻机价值八亿人民币，相当于一架波音737，所以技术领先的ASML公司的毛利能达到44%以上，堪比轻资产的互联网公司。虽然光刻机的演进过程超级复杂，但总结其核心就是围绕三个定律。
定律一：摩尔定律
众所周知，世界是由0和1组成的，而在芯片中表示0和1的基本元件是晶体管，晶体管越多，芯片的运算速度就越快。而摩尔定律表示同样大小的芯片每隔两年里面的晶体管的数量就会增加一倍，性能也会增加一倍。这就要求芯片制造越来越精细，发展到现在，两个器件之间只能有几纳米的距离。
那如何制造出如此精细的东西呢？通常来说，制造小的东西的核心思想就是放大，比如杠杆类机械结构。而在纳米级精度上，机械的方法肯定是行不通的，所以便启用了光。光通过投影的方式进行放大，而光刻机的核心就是造一个放大的透光的模子，把想要的形状印在模子上，光通过模子照射到硅片上，便能制造出小尺寸。由于技术瓶颈，摩尔定律在几年前已经快失效了，而ASML公司用20年时间打造出的、目前世界最先进的技术EUV再次推动了摩尔定律的前进。
定律二：瑞利判据
按照光的波长不同产生了光谱，可见光在400nm-650nm之间的范围，从红到紫。瑞利判据表明一个光学系统能够分辨的尺寸正比于光的波长，所以要制造出更小的尺寸，便要求能够分辨更小的尺寸，光的波长也要越来越短。然而，短波长的光很难造，早年光刻机用的是汞灯的光，但随着尺寸要求的越来越严格，人们在光谱上向短波长方向的研究更加深入，逐步进入紫外光的范围，即所谓的UV（Ultraviolet）。目前，业界主要生产主力使用的波长是193nm,叫做DUV（Deep Ultraviolet）。DUV光源的成熟度很高，甚至可以直接用于医疗（如近视矫正），但这个波长想要加工更精细的尺寸比较困难，技术升级困扰了整个业界，直到EUV（Extreme Ultraviolet）技术的出现。EUV把可用光的波长缩减到了13.5纳米，用两万多瓦的二氧化碳激光器的激光脉冲来轰击金属锡，以此可以产生波长更短的光。实际上，击打金属锡的想法很久之前就已经得以验证，但是这样产生的光的强度一直不够，直到2015年前后，有科学家提出若击打一次不够，便击打两次的方案。第一次的脉冲负责把金属液滴打平，从而扩大第二次击打的面积，第二次的脉冲再把光真正的激发出来。这个难度有多大？金属液滴只有20微米大，且液滴是从空中掉落下来的，在运动过程中用光击中它就好比用乒乓球打中苍蝇，且连续打中两次，更关键的是击打产生的光的持续时间很短，所以需要高频重复每秒5万次。
定律三：难逃一吸
搞定光源只是起点，要走到终点的晶片的路还很长，这个过程需要利用镜子对光进行调整过滤，所以光路布置也是重要一部分。在实际情况中，光每次反射后都会损失部分光强，这是因为EUV的光容易被吸收。经过一系列反光镜后，最终只剩下2%的光强了，其他98%都被吸收了，所以需要的光强非常大，也十分耗电。这里的反光镜是用特殊材料制作而成，只反射13.5纳米的光，其他的光将会被直接吸掉。虽然其直径只有30厘米，但其表面极其平整。有多平整呢？打个比方，如果把镜子放大到地球那么大，上面只能有一根头发丝那样的凸起，并且这个镜子有四十层，考虑到误差会累积，所以对每一层的光滑程度都要求十分严格。
以上三条定律是核心，但是要实现量产还有无穷无尽的现实问题需要解决。
首先，需要有检查错误的机制，光刻机中一点点纳米级的错误都会让整个生产批次报废，成千上万价值的芯片作废。有时候为了检测需要重新做整个系统，比如之前提到的反射，一束光要反射许多次，其中几次就是为了中途采样进行诊断。为了更快的检测，ASML在2016年收购了光学检测领域的爱马仕（HMI），爱马仕可以通过检测晶圆反射的光斑来收集大量实时生产数据，实现快速检测。除了检测，配套的工业软件也要跟上，ASML的“计算光刻”就是例子。对于掩膜的设计在很久之前可以靠手画，但如今肯定要用到工业软件仿真。计算光刻软件可以帮助你在投入生产之前知道，你的掩膜如果用来生产制造，实际会是什么样，还能帮你自动调整设计的形状。
另外，放光刻机的厂房是需要专门定制的，这其中有许多细节需要注意。首先，厂房的光颜色是黄色，因为黄光的波长长，光刻胶对短光明显，所以对于晶圆制造来说，黄光相当于关灯。其次，光刻机的厂房需要无尘环境，ASML设备便要求超净间比外部干净一万倍，需要每小时净化30立方米的空气，相当于75000台家用风扇。再者，EUV光刻机需要高能，所以为了冷却如此高能的反应，需要每秒钟4000升的水。最后，光刻机对震动非常敏感，所以整个厂房对地基要求也非常严格，甚至要出现某种程度的“悬浮”。
从光源研究历史看EUV光刻机
EUV光刻机如果按照功能粗略地划分，大概分成两个重要的组成部分。第一个部分是EUV光源，第二个部分是EUV成像系统。EUV光源是EUV光刻机的核心部件，成像系统是把EUV光投影到硅片上的光学系统，其中EUV光源的实现是EUV光刻机里面最难的一部分，现在的EUV光源所发出的是13.5纳米的极短紫外光，那么为什么是13.5纳米呢？
13.5纳米的结论是整个世界用了整整十五年的时间得出的，这十五年分为两个阶段：
第一个阶段是1981-1992年。首先科学家把目光投入到软X光射线上，所谓软X光射线就是波段是1nm-10nm的电磁波，科学家的研究方法是先搭建软X光的成像系统，然后用小功率的光源来论证其用于光刻的可行性，如果成像系统没有问题，接下来再去考虑提高光源的发光功率。当时全世界最顶尖的科学家耗时整整十一年，搭建了十几套系统，耗费了大量科研经费，最终的结论是软X光无法应用于下一代光刻机技术，其根本原因是软X光射线成像系统的象场和波前误差不如预期，这是一个无比昂贵的失败，最终几乎没有产生任何的经济效益；
第二阶段是1993-1996年。在对软X光射线的尝试失败后，科学家便把目光投向了比软X光波长略长的极短紫外光波段。与之前相似，科学家还是先搭建成像系统来论证其可行性，大概经过三年的研究，他们初步确定，把13.5纳米的EUV成像系统应用于下一代的光刻机在理论上是可行的。
确定EUV成像系统的可行性后，1996-2011年，又过了15年后，科学家们才真正开始研究13.5纳米波长EUV光源。其实在此之前小功率的EUV光源就已经存在，真正值得研究的难点在于如何提高EUV光源的发光功率。EUV光源的基本物理原理是电子从高能级向低能级跃迁发射光子，电子跃迁的相关理论是量子力学的基础部分，所以也可以说EUV光源本质上是量子力学一个分支的应用，原本原子电子跃迁发射光子是一个很容易实现的过程，然而在正常的原子里，电子跃迁是无法发射出能量如此巨大的EUV光子，所以为了得到EUV光子，就需要将电子进行电离，令其变成了具有正电荷的阳离子，这些阳离子上的电子有着更低的能级，因而当这些电子从激法态向具有更低能级的基态跃迁的时候就可以得到波长更短，能量更高的EUV光子。
综上所述，EUV光源发光所需的两个必要条件：第一，必须要选择合适的原子，因为不同原子以及相应的阳离子，其电子层结构和能级不同，可以发射的光的谱段也是不同的。只有找到合适的原子才能发射出13.5纳米的EUV光。第二，必须给原子巨大的能量令其电离，如前文所述，正常的原子是无法直接发射出EUV的光子，所以必须在极短的时间内给这些原子巨大的能量让他们进行电离产生等离子体，在等离子体当中才能够找到可以发射EUV的阳离子，因此EUV光源的研发也是围绕这两个问题展开的。
首先是关于原子的选择问题。经过科学家的理论推导和实验最终入选的是金属锡、金属锂以及稀有气体氙，这三种原子的某些阳离子都可以产生13.5纳米EUV光子，需要强调的是不同的原子有着不同的电子层结构，在不同层电子有多个能级，这些能级的能量有多少是可以通过物理公式进行计算的，因此科学家选择出这三种原子并不是按照元素周期表逐一试出来的。
选好原子后，第二个问题需要解决的是如何让它进行电离。通过实验，科学家发现在极短的时间内给予原子巨大能量的技术最终可行的只有三个，分别是激光电离等离子体技术（LPP）、高压放电电离等离子体技术（DPP）、激光辅助高压放电等离子体技术（LDP），所以从1996-2011年主要围绕这三种电离技术和三种原子，或者称之为靶材的选取来进行的。这个过程同样十分复杂，以靶材的选择来举例，氙是惰性气体，具有无污染、好控制的优点，因而用氙搭建的EUV光源比起其它靶材也更容易实现，但其缺点却也非常明显，那就是光谱浓度差，发光效率低。为了克服这个缺点，科学家尝试了用增加氙的气体浓度以及用激光电离的方法进行实验，但最终因其转换效率实在太低不得不放弃。再以激光辅助高压放电等离子体技术为例，直到2008年，这个技术依然跟现在EUV光刻机所使用的激光电离等离子体技术齐头并进，但到2011年之后，这个技术因其发光功率没有办法长足的提高而在商业竞争中被迅速淘汰。
总之，经过这十五年的研究探索，只有一种技术路线胜出，便是当前EUV光刻机使用的激光电离金属锡等离子体技术。而后在2011-2021年，在基本技术原理确定的情况下，Cymer公司对其系统不断优化，EUV光源的功率得到了显著的提升，EUV的中间焦点功率从2011年的80w达到了当前的250w,并还在不断的提升中。
我们知道，当前中国想要造EUV光源已经不需要像欧美一样，用整整33年来论证其可行性和确定技术方案，阻碍我们的不再是科学的创新和理论的创新，更多的是工艺以及产业链的问题，而这些问题虽然耗时会久些，但是取得突破更在于时间问题。
来源：SEMI智造
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