EUV光刻機的驅動激光器長什麼樣？_風聞
马氏体-12-09 05:51
從上世紀80年代開始研究極紫外（EUV）光刻技術起，美、歐、日諸多研究機構和企業歷經三十餘年研發，終於由荷蘭ASML 公司率先推出商業化的EUV光刻機，把芯片工藝製程推進到7納米以下（單次曝光得到的實際物理尺寸最小是13納米，下一代EUV光刻機能做到8納米）。
相應地，光刻機的光源從波長193納米的ArF準分子激光（深紫外，DUV）升級為波長13.5納米的EUV光，由錫（Sn）的激光等離子體（Laser Produced Plasma，LPP）產生。
功率強大的激光轟擊錫液滴，使之瞬間升温到幾萬度，電離為等離子體，尤其是Sn8+~Sn14+的高帶電錫離子，它們電子躍遷會釋放出EUV光。每一顆錫液滴被轟擊，便產生一次EUV脈衝，而這個過程每秒要重複5萬次以連續產生EUV閃光。
每顆錫液滴其實都被轟擊了兩次，首先是一次強度較弱、持續時間僅有納秒乃至皮秒級（10-9~10-12秒）的預脈衝，把直徑幾十微米的錫液滴轟擊成直徑數百微米的圓盤形，以匹配主脈衝的激光光斑大小，緊隨其後的是產生EUV光的主脈衝。雖然每次脈衝的能量不足1焦耳，但乘上5萬赫茲的頻率，就是最高可達40千瓦的平均功率，比工業上用於切割金屬的激光還要強。
這裏用到的激光被稱為驅動激光（泵浦激光）。不同波長的驅動激光產生的EUV光的峯值波長以及發光效率有所不同。為了匹配鉬-硅多層膜反射鏡（上圖，來自德國蔡司公司）的最佳反射波長（13.5nm），並綜合考慮製造大功率激光器的難度，現有的EUV光刻機使用二氧化碳氣體激光器的10.6μm波長紅外激光作為驅動激光。
ASML公司的EUV光源來自其收購的美國Cymer公司，而其中的泵浦激光器由德國Trumpf（通快）公司提供。
這是激光器的外觀，打開外殼可以看到，處於底部的是種子模塊，負責產生功率只有幾瓦的種子激光，並經過預放大器初步放大到100W級功率。接下來，位於上方的4級放大器將把激光功率放大10000倍以上。
這是展出於德意志博物館的其中一級放大器，被作為2020年德國總統獎的獲獎成果代表。德國總統獎（German Federal President’s Prize）是德國的年度國家級科技獎項，表彰在科學領域取得突破性成果並實現新成果的工業化應用的創新團隊。2020年獲獎的是EUV光刻技術團隊，包括通快公司的激光器研發人員、弗勞恩霍夫應用光學與精密工程研究所與蔡司（Carl Zeiss）公司的EUV反射鏡和光學系統研發人員。
在微觀世界，粒子可能處於不同的能級（不同能量高低的狀態）。通常情況下位於低能級的粒子數量更多，而處於高能級的粒子不穩定，可通過輻射電磁波釋放掉多餘的能量而躍遷回低能級。若施加額外的能量（泵浦源）把粒子激發到高能級，且使高能級粒子數多於低能級粒子數（布居數反轉分佈），一旦輸入一個能量等於能級差的光子，使其中一個高能級粒子發生躍遷而輻射出另一個光子（此時光子數就變成了2個），那麼其他的高能級粒子就會如雪崩般發生躍遷和輻射，產生大量光學性質一致的光子（單色性好、方向性好、亮度高），這被稱為受激輻射光放大，簡稱激光。（動圖示意的是用於產生激光的振盪器，光學諧振腔內填充着被泵浦源激發的工作介質，釋放的激光在諧振腔兩端的反射鏡間來回反射，反覆穿過介質而增強，最終從輸出端的鏡片穿出）
二氧化碳激光利用的是二氧化碳分子在不同振動能級之間的躍遷（對應於10.6μm紅外線的能量）。在電場作用下，氣體發生放電，產生的高能量電子撞擊氣體分子，把後者激發到高能級。二氧化碳氣體激光器所用的工作氣體是二氧化碳+氮氣+氦氣的混合氣體，氮氣的作用是把自身受激發獲得的能量通過碰撞傳遞給二氧化碳分子，氦氣起到稀釋、導熱、輔助二氧化碳布居數反轉的作用。
與產生激光的過程類似，讓一束激光穿過一羣處於高能級的二氧化碳分子，就能實現激光功率的放大。
放大過程在放電管中進行，一般使用石英玻璃製成，設置有放電的電極。放電管兩端是起密封、透光作用的光學鏡片（下圖為直流放電的放大器示意圖，光刻機使用的是射頻放電放大器，電場的震盪能加劇電子與分子的碰撞）。
一個放大器中有8根放電管呈上下兩層正方形排列，連接它們的除了光路，還有氣體管路。工作氣體循環流動，利用熱交換器排出放電產生的熱量，使放大器維持在合適的工作温度。由於激光與氣流的方向平行、激光光束與放電管同軸，這樣的放大器被稱為快軸流放大器（相應地，激光與氣流方向垂直的被成為快橫流放大器，日本Gigaphoton公司研製的EUV光源使用三菱重工的快橫流放大器）。
這套激光器是如此龐大，以至於它需要被單獨安放在EUV光刻機主機之下的一層樓，通過光束傳輸系統來傳遞激光。當然EUV光刻機本體也是一個龐然大物。
為了滿足每小時上百片晶圓的生產效率要求，投射到晶圓上的EUV光功率必須足夠大（要能在短時間內使光刻膠曝光），但EUV反射鏡的反射率實際只有70%左右，經過光路的多次反射後損耗很大，這就要求EUV光源的發光功率多多益善，而這正是等離子體光源所面臨的巨大挑戰。ASML的初代EUV光刻機驗證機的EUV功率只有幾瓦，每小時只能曝光幾片晶圓，僅能用於研發用途，又經過幾年努力才達到如今實用化的250-350瓦，並向600瓦乃至更高功率衝擊。
用幾十千瓦的激光產生區區幾百瓦的EUV光，光能的利用效率只有百分之一左右（從二氧化碳激光到EUV的轉化效率超過5%，但實際能收集使用的EUV光要更少），而整個系統所需要的能量高達1兆瓦量級，大部分電能變成熱量損耗掉，也造成巨大的冷卻能耗。這就是為什麼説EUV光源的效率非常低。
有沒有其他辦法呢？
基於等離子體發光的原理，有不同的等離子體產生方法，包括放電等離子體（DPP）和激光輔助放電等離子體（LDP），亦有嘗試用鋰（Li）或液態氙（Xe）等離子體作為光源。但目前這些技術路線的效率和功率更低，還面臨穩定性、使用壽命、錫碎屑清理等方面的問題。現有的激光驅動錫等離子體已經是幾十年研發後得出的最優化、最具現實可行性的光源方案。在此基礎上，國外正在開發比二氧化碳激光更加高效、更大功率的1.9微米波長Tm:YLF（稀土元素銩摻雜的LiYF4晶體）固體激光器作為驅動激光，以及更短波長的Blue-X光刻光源（使用6.x納米波長，介於“藍色的”短波EUV和X光之間，潛在的光源是激光驅動的釓等離子體6.7納米發光）。
（美國的大尺寸Tm:YLF激光晶體。我國在激光晶體方面居世界領先水平，或許其中就隱藏着未來在激光等離子體EUV光源上趕超的機會。）
我國在EUV光源方面起步較晚。國內多所高校院所（華中科技大學、哈爾濱工業大學、中科院上海光機所等）在多種等離子體光源及激光器的研製上已經取得了一定進展。2023年4月13日，中國科學院院士、中國科學院前黨組書記、院長白春禮到中科院長春光機所調研，參觀了EUV光源。光源與光路系統、工作台等組合在一起就是光刻機。在2016年，由長春光機所牽頭承擔的國家科技重大專項02 專項（極大規模集成電路製造技術及成套工藝）——極紫外光刻關鍵技術研究項目完成驗收，構建了EUV 靜態曝光裝置，獲得32納米線寬的光刻膠曝光圖形，建立了EUV關鍵技術驗證及工藝測試平台。從原理樣機到生產出實用的EUV光刻機，我們還需快馬加鞭。
另一大類EUV光源是加速器光源。接近光速的電子在改變運動方向時會發出電磁波，可以獲得從太赫茲、紅外、可見光、紫外到X射線的各種波長。
同步輻射光源是目前應用最多的加速器光源（上圖為在北京懷柔建設中的中國高能同步輻射光源，最大的圓環形建築是它的電子儲存環，周長1360.4米）。其原理是用加速器把電子加速到接近光速後，注入周長幾百上千米的儲存環中，使做圓周運動的電子沿切向釋放電磁波。同步輻射光源的原理和規模決定了其高昂的造價（數十億）和運行成本。目前全世界有超過50 個運行或在建的同步輻射光源，最重要的用途是產生高品質的X射線作為探索微觀世界的“探照燈”，服務於物理、化學、材料、生物等領域的科研。雖然它的EUV光功率達不到未來EUV光刻大規模量產的需求，但在國外的EUV光刻技術開發階段（在獲得實用化的EUV光源前），同步輻射光源為EUV光刻機關鍵部件的開發提供了重要的試驗平台。
（德國蔡司公司（左）和美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（右）於上世紀90年代末研製的EUV投影光學系統，後者藉助於美國勞倫斯伯克利國家實驗室的同步輻射光源，在EUV光刻機出現前就開展了光刻研究。）
基於直線加速器的自由電子激光可產生功率達1-10千瓦量級的EUV光，但造價相對高昂（數十億）、規模較大（長度數百米）、能量利用率低，要應用於實際還需許多技術突破。
近來被熱傳為“光刻廠”的穩態微聚束（SSMB）EUV光源是另一類有前景的加速器光源，通過採用新的原理（把儲存環中運行的電子束團的長度壓縮到只有幾納米）輸出千瓦量級的EUV光，造價（數億到十億）及規模（周長 100-150米）適中，通過調整參數還能適應未來6.x納米波長的Blue-X光刻。這項技術由清華大學研發，將在雄安新區落地。
等到幾年以後，穩態微聚束EUV光源建成，我們就能顛覆光刻機格局嗎？
恐怕沒有那麼快。
雖然穩態微聚束已經實現原理實驗的驗證（通過國際合作，在德國一台功能接近穩態微聚束的加速器上完成），但目前尚無實際工作在EUV波段的穩態微聚束光源，雄安新區的這一台作為首台研究裝置，初期必然要承擔大量的物理機制研究和工程技術驗證任務。一項實驗室裏的新原理要變成一座成熟的工廠、穩定生產出商業產品，還有很長的路要走。用穩態微聚束EUV光源項目的牽頭人——清華大學工程物理系唐傳祥教授的論文原話就是：“需要建設運行在EUV波段的SSMB加速器光源研究裝置，培養科學及產業用户，並提高其技術成熟度。”
從穩態微聚束上，我們看到的是未來“換道超車”實現顛覆性創新的機會，但我國想必也不會放鬆在等離子體光源這條現實可行的“既有賽道”上正面追趕的努力，我們已經看到了“望其項背”的希望。我們不會只“押寶”某條技術路線，幾種方案或許各有優劣而起到互補的作用，至少是互相競爭促進、互為備份。
這個過程難嗎？
當然很難，EUV光刻機集合了物理、光學、機械、儀器、材料等諸多領域的前沿成果和頂尖技術。
但“世上無難事，只要肯登攀”，過往的故事一次次告訴我們，終究沒有什麼是能夠難倒中國人的。
此時此刻，一定有無數研究人員正在奮力攻關中。作為旁觀者，就讓我們敬候佳音吧。
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參考資料和素材來源：
通快公司網頁.
EUV lithography revisited.
Beam Quality of Pulsed High Powder CO2-Lasers.
https://www.euvlitho.com/2018/S36.pdf
Versolato, O. Physics of laser-driven tin plasma sources of EUV radiation for nanolithography.Plasma Sources Science and Technology, 2019, 28(8): 083001.
Yang, D., Wang, D. , Huang, Q., et al. The development of laser-produced plasma EUV light source. Chip, 2022, 1: 100019.
Hale L C , Taylor J S . Experiences with Opto-Mechanical Systems that Affect Optical Surfaces at the Sub-Nanometer Leveld. 2008 Spring Topical Meeting for the American Society for Precision Engineerin, 2008.
胡志. 軸快流CO2激光放大器增益性能研究. 湖北:華中科技大學,2015.
張冉冉. 短脈衝CO2激光放大與噪聲光隔離技術研究. 中國科學院大學,2021.
唐傳祥,鄧秀傑. 穩態微聚束加速器光源. 物理學報,2022,71(15):74-88.