EUV光刻机“秘史” - 通信人家园

摩尔定律指出，集成电路上的晶体管数量往往每两年翻一番，这一规律的实现很大程度上得益于光刻技术的进步：光刻技术是一种在硅片上制作微观图案的技术。晶体管尺寸的不断缩小——从20世纪70年代初的约10000纳米缩小到如今的约20纳米-60纳米——得益于能够制作越来越小图案的光刻方法的开发。光刻技术的最新进展是采用极紫外 (EUV) 光刻技术，该技术使用波长为 13.5 纳米的光在芯片上创建图案。

众所周知，极紫外光刻机仅由荷兰ASML公司一家生产，因此，谁能使用这些机器已成为一个重要的地缘政治问题。然而，尽管机器由ASML制造，但使其得以实现的绝大部分研究工作却是在美国完成的。美国研发领域一些最负盛名的机构——例如DARPA、贝尔实验室、IBM研究院、英特尔和美国国家实验室——投入了数十年时间和数亿美元的资金，才使得极紫外光刻技术成为可能。

简而言之，半导体光刻技术的工作原理是利用掩模将光选择性地投射到硅片上。当光穿过掩模（或在极紫外光刻技术中从掩模反射）时，掩模上的图案会被投射到涂覆有光刻胶的硅片上。当光照射到光刻胶上时，光刻胶会根据其类型而发生硬化或软化。之后，硅片会被清洗，去除任何软化的光刻胶，并在需要蚀刻的图案区域留下硬化的光刻胶。接下来，硅片会被暴露于腐蚀性化学物质（通常是等离子体）中，去除光刻胶被清洗掉区域的硅片材料。然后去除剩余的硬化光刻胶，最终只在硅片上留下蚀刻图案。之后，硅片会被涂覆另一层材料，并使用下一个掩模重复上述过程。随着集成电路结构的逐层构建，这个过程会重复数十次。

早期的半导体光刻技术使用汞灯，其发射波长为436纳米的光，位于可见光波段的低端。但早在20世纪60年代，人们就认识到，随着半导体器件尺寸的不断缩小，由于衍射现象，光的波长最终会成为一个限制因素。衍射是指光线穿过孔洞（例如半导体掩模上的开口）后发生散射的现象。由于衍射，通过半导体掩模投射的图像边缘会变得模糊不清；随着半导体特征尺寸越来越小，这种模糊最终会导致图像完全无法辨认。

一种考虑的方法是使用电子束而非光束来对半导体结构进行图案化。这被称为电子束光刻（或简称电子束光刻）。正如电子显微镜利用电子束来分辨比使用可见光的显微镜小得多的特征一样，电子束光刻可以对比基于光的刻蚀（“光学光刻”）小得多的特征进行图案化。首次成功的电子束光刻实验于1960年进行，IBM在20世纪60年代至90年代期间对该技术进行了广泛的开发。IBM于1975年推出了其首款电子束光刻设备EL-1，到20世纪80年代，已安装了30套电子束系统。

电子束光刻的优势在于无需掩模即可在晶圆上创建图案。然而，其缺点是速度非常慢，至少比光学光刻慢三个数量级：使用电子束光刻曝光一片 300 毫米晶圆需要“数十小时”。因此，尽管电子束光刻如今仍用于原型制作（无需预先制作掩模，大大简化了迭代测试）和掩模制作等领域，但它从未取代光学光刻在大批量晶圆生产中的地位。

半导体研究人员考虑的另一种光刻方法是使用X射线。X射线的波长范围仅为10纳米到0.01纳米，因此可以实现极小的特征尺寸。与电子束光刻一样，IBM在20世纪60年代到90年代广泛开发了X射线光刻（XRL）技术，但他们并非唯一一家。贝尔实验室、休斯飞机公司、惠普公司和西屋公司都曾致力于XRL技术的研究，相关研究由美国国防高级研究计划局（DARPA）和美国海军研究实验室资助。

多年来，X射线光刻技术一直被认为是光学光刻技术的必然继承者。20世纪80年代末，人们担心美国在X射线光刻技术的发展方面落后于欧洲和日本，而到了90年代，据估计仅IBM一家公司就在该技术上投入了超过10亿美元。但与电子束光刻技术一样，X射线光刻技术从未取代光学光刻技术在大规模生产中的应用，它仅用于相对小众的应用领域。其中一个挑战是制造X射线源。这主要需要使用被称为同步加速器的粒子加速器：这些大型、复杂的设备通常只由政府实验室建造。致力于发展X射线光刻技术的IBM最终在20世纪80年代末委托建造了自己的同步加速器（耗资约2500万美元）。

电子束光刻和X射线光刻等技术之所以从未取代光学光刻，部分原因在于光学光刻技术不断进步，一次又一次地超越了其预期的极限。早在20世纪70年代，研究人员就预测光学光刻技术终将消亡，但通过浸没式光刻（在透镜和晶圆之间使用水）、相移掩模（设计掩模以人为地在光波中产生干涉，从而提高对比度）、多重曝光（对单层进行多次曝光）以及透镜设计等方面的进步，光学光刻技术的性能不断提升，一次又一次地推迟了向新型光刻技术过渡的必要性。斯特特文特定律恰如其分地概括了光学光刻技术出乎意料的长寿：“光学光刻技术的终结还有6到7年。过去如此，将来亦如此。”

20世纪80年代初，日本电话电报公司（NTT）的研究员木下博夫（Hiroo Kinoshita）正在研究X射线光刻技术，但却因其诸多困难而感到失望。当时使用的X射线光刻技术被称为“X射线近场光刻”（XPL：X-ray proximity lithography）。光学光刻技术中，光线会穿过透镜来缩小投射到硅片上的图像尺寸；而由于当时没有已知的材料可以制造X射线透镜，X射线只能直接投射到硅片上，没有任何透镜的辅助。部分原因在于缺乏透镜的辅助——这意味着掩模上的任何缺陷在投射到硅片上时都不会被缩小——因此，制作XPL掩模异常困难。

然而，虽然无法用透镜聚焦X射线，但可以用镜子反射特定波长的X射线。普通镜子只能以非常小的角度反射X射线，这使得它们很难用于实际的光刻系统（小角度反射的要求会使系统体积庞大）；在更大的角度下，X射线会直接穿过镜子。但是，通过构建一种由不同材料交替层组成的特殊镜子，即所谓的“多层镜”，可以以更大的角度反射光谱中接近X射线区域的光线。多层镜使用折射率（光线入射时的弯曲程度）不同的材料层来产生相长干涉——每一层边界都会反射少量光线，这些光线（如果设计得当）会与其他层的反射光叠加。（抗反射涂层使用类似的原理，但它使用多层材料来产生相消干涉以消除反射。）

第一批能够反射X射线的多层膜反射镜于20世纪40年代研制成功，但由于镜面由金和铜制成，这两种金属会迅速相互扩散，导致反射镜性能下降，因此并不实用。但到了20世纪70年代和80年代，制造这种能够产生相长干涉的反射镜的技术取得了显著进步。1972年，IBM的研究人员成功制造出一种10层多层膜反射镜，能够反射5至50纳米波长范围内的大部分光线。1981年，斯坦福大学和喷气推进实验室的研究人员制造出一种由钨和碳交替层构成的76层反射镜。

几年后，NTT的研究人员也成功制造出一种钨碳多层膜。基于他们的成功，NTT的研究员木下（Kinoshita）启动了一个项目，旨在利用这些多层膜反射镜来开发光刻系统。 1985 年，他的团队首次成功地利用当时被称为“软 X 射线”（波长约为 2 纳米至 20 纳米的光）的光线，通过多层镜反射投射出图像。2同年，斯坦福大学和加州大学伯克利分校的研究人员发表了一项研究成果，表明由钼和硅制成的多层反射镜可以反射波长接近13纳米的大部分光。由于光刻工具中的X射线会从多个反射镜反射（一台现代极紫外光刻机可能有10个反射镜），因此反射大部分X射线是使光刻工具实用化的关键；反射率过低会导致光线到达晶圆时强度过弱。

最初，业内人士对反射式X射线光刻系统的前景持怀疑态度。木下在向日本展示这项研究时指出，听众“对他的演讲非常怀疑”，并且“不愿相信图像真的是通过弯曲X射线形成的”。同年，当贝尔实验室的研究人员向美国政府建议使用多层反射镜的软X射线来制造光刻系统时，他们遭到了“极其负面的回应”；审稿人认为，“即使每个组件和子系统都能制造出来，整个光刻系统也会非常复杂，其运行时间几乎可以忽略不计。”

1988年，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的研究人员在了解了木下的工作后，发表了他们自己的软X射线光刻研究论文，但同样遭到了负面评价。一位论文作者指出：“你无法想象我在那次演讲中受到的负面评价。听众们都恨不得把我批得体无完肤。我灰溜溜地回了家……”

尽管遭遇了一些负面反应，NTT、贝尔实验室和利弗莫尔国家实验室在软X射线光刻技术方面的研究仍在继续推进。NTT的木下智彦研究小组设计了一种新型双镜软X射线光刻系统，并成功地利用该系统打印出了宽度为500纳米的图案。1989年，在加州的一次会议上，贝尔实验室的研究员塔尼亚·朱厄尔（Tania Jewell）对这项研究产生了浓厚的兴趣，并向木下智彦提出了许多问题。

次年，贝尔实验室利用软X射线成功打印出了50纳米的图案。1989年的这次会议以及NTT和贝尔实验室的会面，被誉为“极紫外光刻技术的曙光”。

20世纪90年代，软X射线光刻技术的研究工作仍在继续。早期的软X射线实验曾利用同步辐射进行，但将同步加速器改造为适用于大规模生产的实用光源难度较大，因此研究人员开始寻找其他产生软X射线的方法。其中一种策略是将某些材料（例如氙或锡）加热到足以使其转化为等离子体的温度。这可以通过激光（产生激光等离子体，即LPP）或电流（产生放电等离子体，即DPP）来实现。LPP电源的研发始于20世纪90年代，但构建这样的系统极其困难。将材料转化为等离子体会产生碎片，从而缩短极其灵敏的多层膜反射镜的使用寿命，因此“人们投入了大量精力来设计和测试各种碎片最小化方案”。

一项被证明非常成功的策略是通过创建“质量限制目标”来最大限度地减少碎片：通过将材料以一系列微小液滴的形式发射出来，从而最大限度地减少需要加热成等离子体的材料量。随着时间的推移，这些策略以及其他一些策略使得镜面的使用寿命越来越长。

另一个重大挑战是制造足够精确的多层膜反射镜。1990年，反射镜的制造精度最高只能达到8纳米左右，但实用的软X射线光刻系统需要0.5纳米或更高的精度。NTT公司从廷斯利公司（一家为哈勃太空望远镜制造超精密反射镜的美国公司）获得了第一批多层膜反射镜，在NTT公司的鼓励下，廷斯利公司于1993年成功制造出精度为1.5至1.8纳米的反射镜。贝尔实验室（在国家标准与技术研究院研究人员的协助下）也开展了类似的反射镜精度研究，在整个20世纪90年代，多层膜反射镜的精度持续提高。

随着研究的深入，有人提议更改软X射线技术的名称。“软X射线”这个名称与X射线近场光刻技术过于接近，而后者的工作原理不同（例如：它不使用反射镜），并且由于其发展历程坎坷，声誉不佳。因此，在1993年，该技术被更名为极紫外光刻技术（Extreme Ultraviolet Lithography，简称EUV）。所使用的波长位于紫外光谱的最底部，并且该名称容易让人联想到“深紫外光刻技术”（Deep Ultraviolet Lithography，简称DUV），这是一种基于193纳米光的、当时已成功应用的光刻技术。

EUV技术的组织发展势头持续增强。20世纪90年代初，桑迪亚国家实验室利用为战略防御计划（SDI）开发的技术，与贝尔实验室合作，展示了一种使用激光等离子体的软X射线光刻系统。1991年，日本尼康和日立公司也开始研究EUV技术。同年，美国国防高级研究计划局（DARPA）通过其先进光刻计划开始资助光刻技术的发展。

到1996年，桑迪亚国家实验室和劳伦斯·利弗莫尔国家实验室已投入约3000万美元用于EUV技术研发（另有几家私营公司也投入了类似数额的资金）。1992年，英特尔公司承诺投入2亿美元用于EUV技术研发，其中大部分资金用于资助桑迪亚、利弗莫尔和贝尔实验室的研究工作。 1994 年，美国成立了国家极紫外光刻计划，该计划由国家实验室（利弗莫尔、伯克利和桑迪亚）的研究人员组成，由美国国防高级研究计划局 (DARPA) 和能源部 (DOE) 领导。

1996年，国会投票决定终止能源部对极紫外光刻（EUV）研究的资助。由于缺乏资金维持研究团队的运转，国家实验室的研究人员将被重新分配到其他任务，许多关于EUV的知识也可能随之流失。当时，EUV技术仍面临诸多难题，它能否成为光刻技术的接班人也远未可知：1997年，由美国半导体工业联盟SEMATECH召集的光刻技术工作组将EUV在四种可能的技术中排名垫底，落后于XPL、电子束光刻和离子投影光刻。

尽管前景不明朗，英特尔仍大胆押注极紫外光刻（EUV）技术的未来，投入约2.5亿美元资金以维持EUV研究项目的运转。英特尔组建了一个名为EUV-LLC的联盟，该联盟与美国能源部签订合同，资助桑迪亚国家实验室、伯克利国家实验室和利弗莫尔国家实验室的EUV研究工作。其他美国大型企业，包括摩托罗拉、AMD、IBM和美光等，也加入了该联盟，但英特尔仍然是最大、最具影响力的股东，占据了95%的股份。EUV-LLC成立后，欧洲和日本也分别成立了自己的EUV研究联盟：欧洲的EUCLIDES和日本的ASET。

EUV-LLC成立之时，美国光刻公司几乎已被完全挤出全球市场。日本公司尼康和佳能分别占据了40%和30%的市场份额，排名第三的是一家名为ASML的新兴荷兰公司，市场份额为20%。EUV-LLC的成员，尤其是英特尔，希望一家大型外国光刻公司加入该联盟，以确保EUV成为全球标准。然而，投资研发先进半导体技术，最终却要将其拱手让给国内竞争对手（尤其是一家不久前才重创美国半导体行业的日本竞争对手），这样的前景并不乐观。尼康拒绝加入EUV-LLC，部分原因正是由此引发的争议；而佳能最终也被美国政府阻止加入。

然而，ASML的情况却截然不同。由于地处荷兰，它被视为美日半导体大战中的“中立地带”。英特尔的主要诉求是无论下一代光刻设备由谁生产，都能获得其使用权，因此强烈主张允许ASML获得授权。（美国光刻公司Ultratech Stepper的一位高管抱怨说，英特尔“竭尽所能地将这项技术拱手让给了ASML”。）1999年，ASML获准加入EUV-LLC并获得其技术授权，前提是它必须在其生产的设备中使用足够数量的美国零部件，并在美国开设一家工厂——而ASML从未满足这些条件。

由于被排除在 EUV-LLC 联盟之外，尼康和佳能始终未能成功开发 EUV 技术。其他美国公司也同样如此。曾获得 EUV 技术授权的美国光刻设备制造商硅谷集团 (Silicon Valley Group) 于 2001 年被 ASML 收购，而另一家美国授权商 Ultratech Stepper 则选择放弃该技术。最终，ASML 与德国光学公司卡尔蔡司 (Carl Zeiss) 合作，成为唯一一家成功开发 EUV 技术的光刻公司。

在接下来的几年里，EUV-LLC取得了巨大的成功。当该项目于2003年结束时，它已经实现了所有技术目标。EUV-LLC成功构建了EUV光刻测试设备，在LPP和DPP光源方面均取得了进展，开发了适用于EUV的掩模，制造了性能更优的多层反射镜，并申请了超过150项专利。很大程度上得益于英特尔的投入，EUV最终成为了未来的光刻技术，而这项技术将完全掌握在ASML手中。

这一未来到来的时间远比预期要长。2003年EUV-LLC项目结束后，美国半导体行业组织SEMATECH接手，继续资助商业化工作。ASML于2006年交付了首台EUV光刻机原型机，但其DPP电源性能非常弱。一家名为Cymer（后被ASML收购）的美国公司正在开发一种利用激光等离子体的更优电源，但解决其存在的问题耗时数年，并需要英特尔的进一步投资。制造无缺陷的EUV光掩模同样困难重重。

EUV技术的研发如此艰难，以至于ASML最终需要台积电、三星和英特尔数十亿美元的投资才能完成：这三家公司于2012年分别向ASML投资10亿美元、10亿美元和40亿美元，换取了ASML的股份。ASML直到2013年才交付首台量产型EUV设备，但电源等相关技术的研发工作（通常由美国资助）此后持续了数年。英特尔担心 EUV 技术难以实现大规模生产，于是做出了最终导致灾难性后果的决定，试图将光刻技术再向前推进一步，以实现其10 纳米工艺。

但如今，经过数十年的发展，EUV技术已经问世。台积电、英特尔和三星，这三家世界领先的半导体制造商，都在生产中使用EUV技术。而且，他们都在使用ASML公司为此制造的光刻设备。

EUV的故事告诉我们一个重要的道理：开发出一项可行的技术和在市场上成功运用这项技术是两码事。得益于世界各地研究人员的贡献，包括美国顶尖研究机构——DARPA、贝尔实验室、美国国家实验室、IBM研究院——EUV从前景黯淡的推测发展成为下一代光刻技术。然而，当它准备就绪时，美国公司几乎已被完全挤出光刻设备市场，最终EUV的命运掌握在一家欧洲公司手中，由它完成最后的冲刺并实现商业化。