EUV 光刻是以波長(zhǎng)為 10-14nm 的極紫外光作為光源的芯片光刻技術(shù)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是以極紫外光作“刀”，對(duì)芯片上的晶圓進(jìn)行雕刻，讓芯片上的電路變成人們想要的圖案。如今，世界上最先進(jìn)的 EUV 光刻機(jī)可以做到的“雕刻精度”在 7nm 以下，比一根頭發(fā)的萬(wàn)分之一還要細(xì)。華為自主研發(fā)設(shè)計(jì)的麒麟 990 芯片，采用的就是 7nm Plus EUV 工藝。該技術(shù)的核心之一正是激光脈沖，通快公司是目前全球唯一一家能夠供應(yīng) EUV 光刻用激光放大器的廠商。

圖1：半導(dǎo)體光刻機(jī)的核心是通快激光放大器

提到極紫外光刻（EUV），人們傾向于把注意力集中在芯片工藝和光刻設(shè)備，但是他們往往會(huì)忽略另一個(gè)重要的方面：光從哪兒來(lái)？

EUV 光刻技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了 20 多年，直到幾年前這種技術(shù)是否能夠進(jìn)入工業(yè)化芯片生產(chǎn)還是一個(gè)開(kāi)放性的問(wèn)題。在研究過(guò)程中，人們發(fā)現(xiàn)所有懸而未決的技術(shù)挑戰(zhàn)中極紫外光是最大的難題。

圖2：光從哪兒來(lái)

讓我們看一下 EUV 光刻整個(gè)過(guò)程的示意圖（圖1）：

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第一步：

CO2 激光脈沖被放大到非常高的功率，輸出超過(guò) 30kW 平均脈沖功率的激光數(shù)，其脈沖峰值功率可高達(dá)幾兆瓦；

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第二、三步：

不斷滴下的錫珠被激光束擊中成為一個(gè)發(fā)光的等離子體，發(fā)射出波長(zhǎng)為 13.5 nm 的 EUV 光；

3

第四、五步：

極紫外光聚焦后，通過(guò)反射透鏡首先傳輸?shù)焦饪萄谀Ｉ?，然后照射到晶圓基片上。

對(duì)于每一個(gè)步驟，都需要非常復(fù)雜的技術(shù)，接下來(lái)讓我們聚焦激光脈沖是如何產(chǎn)生以及如何放大的（第1-3步）的？

首先，我們需要產(chǎn)生短脈沖激光光束作為種子光，然后讓它經(jīng)過(guò)多級(jí)放大。實(shí)際上會(huì)有兩個(gè)脈沖——預(yù)脈沖和主脈沖。預(yù)脈沖首先擊中錫珠，使它變成正確的形狀；然后主脈沖將壓扁的錫珠轉(zhuǎn)化為等離子體，從而發(fā)射出珍貴的 EUV 光。

這里的難點(diǎn)在于放大階段會(huì)不斷增加它的功率，但必須確保兩個(gè)光束在錫珠上有正確的光學(xué)性能，尤其是正確的聚焦。每束脈沖激光都由非常微小的、緊湊的光粒子組成，緊緊地拋向錫珠。為了正確地?fù)糁兴鼈兊哪繕?biāo)，它們必須在正確的瞬間到達(dá)，不能過(guò)早或過(guò)晚；否則，沖擊力將無(wú)法壓平錫珠。在最壞的情況下，第二道激光脈沖射出的子彈沒(méi)有擊中目標(biāo)，EUV 就會(huì)失敗。

以上過(guò)程每秒鐘進(jìn)行五萬(wàn)次。

為了讓激光束以極大的功率穩(wěn)定傳輸，系統(tǒng)的復(fù)雜性可想而知。

事實(shí)上，EUV 激光系統(tǒng)由大約 45 萬(wàn)個(gè)零件組成，重約 17 噸。為了確保這些零件正確組裝，僅檢查標(biāo)準(zhǔn)就多達(dá) 1000 多條，這還不包括模塊和子模塊額外的預(yù)檢標(biāo)準(zhǔn)。

從種子光發(fā)生器到錫珠有 500 多米的光路，這對(duì)所有零部件都提出了非常苛刻的要求，尤其是系統(tǒng)中包含的 400 多個(gè)光學(xué)元器件。

圖3：EUV 激光系統(tǒng)由大約 45 萬(wàn)個(gè)零件組成，重約 17 噸，線(xiàn)纜長(zhǎng)度超過(guò) 7000 米

作為該系統(tǒng)的光源，該激光器產(chǎn)生的等離子體溫度為 22 萬(wàn)℃，比太陽(yáng)表面的溫度高 30 至 40 倍。

圖4：CO2 激光器中的受激混合氣體發(fā)出獨(dú)特的紅光——這就是 EUV 光最初的來(lái)源

絕不是靠運(yùn)氣！

EUV 需要很長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到市場(chǎng)成熟度。事實(shí)上，EUV 光刻技術(shù)開(kāi)發(fā)者所面臨的問(wèn)題是如此的多樣和新穎，以至于沒(méi)有合作伙伴。單靠一家公司的力量是無(wú)法解決的，掌握這一高度復(fù)雜的技術(shù)并將其付諸實(shí)施，需要一個(gè)由具有不同專(zhuān)業(yè)技能的研究人員和開(kāi)發(fā)人員組成的完整網(wǎng)絡(luò)。

通快（TRUMPF）已經(jīng)在 EUV 光刻激光發(fā)生系統(tǒng)上投入了超過(guò) 15 年。2005年與美國(guó) Cymer 公司開(kāi)始合作，并在 2013 年 ASML 收購(gòu) Cymer 公司后繼續(xù)合作。在這段時(shí)間里，通快為此專(zhuān)門(mén)成立了一個(gè)獨(dú)立的子公司——通快半導(dǎo)體制造激光系統(tǒng)公司（TRUMPF Lasersystems for Semiconductor Manufacturing），該子公司擁有超過(guò) 500 名員工，專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)和生產(chǎn) EUV 激光器。

這種持久的關(guān)系是今天 EUV 光刻機(jī)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的關(guān)鍵。

憑借通快在 EUV 極紫外光刻方面的突出貢獻(xiàn)，榮獲了 2020 年德國(guó)科學(xué)成就領(lǐng)域最高榮譽(yù)——德國(guó)未來(lái)獎(jiǎng)，該獎(jiǎng)項(xiàng)旨在表彰在技術(shù)、工程和生命科學(xué)領(lǐng)域取得的特殊成就。2020 年 11 月 25 日，德意志聯(lián)邦總統(tǒng)弗蘭克-瓦爾特-施泰因邁爾在柏林維爾蒂音樂(lè)廳向通快頒發(fā)了該獎(jiǎng)項(xiàng)。

圖5： 通快參與研發(fā)的 EUV 光刻技術(shù)榮獲 2020 德國(guó)未來(lái)獎(jiǎng)