圖1：ASML前期制作掃描儀——雙子掃描NXE:3100

不久前，關于極紫外光刻是否運用到工業(yè)芯片制造中還是個飽受爭議的問題。“我們發(fā)現(xiàn)EUV光源問題比我們以前想得要難得多，”奧巴尼亞（美國）Sematech的光刻主管斯特凡吳在2013的LFW文章中說道。而在2014年，ASML/Cymer的研發(fā)團隊首次證明了250瓦紫外光刻的可行性。當Trumpf集團在2015年宣布投資8千萬美元到一個新的EUV泵激光器工廠中的時候，研究者對這項技術的信心更加堅定了。

今年，ASML和Trumpf極紫外光刻方面的銷售創(chuàng)了紀錄。經(jīng)過多年來的大量的研發(fā)投入，像英特爾、三星、臺積電、IBM和格羅方德這樣的工業(yè)巨頭把EUV納入未來兩年為7納米節(jié)點推出的藍圖。三星對此已經(jīng)制定好了計劃，而其他比如像羅格方德宣布在大批量制造技術成熟時會轉(zhuǎn)移到EUV領域。

激光系統(tǒng)

ASML/Cymer團隊在近期文章中概述了了關于他們EUV光源的大批量制造的工作。他們表示對于占空比60%的典型掃描儀，每小時100個晶片的產(chǎn)量，晶片的功率應該超過約550mW。這意味著EUV光源提供在中間焦點的曝光設備的能量應該大于200瓦。

在13.5nm的波長產(chǎn)生200W的功率可以選擇的方法是在微小的錫滴上燒制CO₂激光。激光蒸發(fā)錫然后產(chǎn)生一個發(fā)射非相干輻射到一個實心的球體的等離子體。在中間焦點的功率描繪了可用于照亮半導體的會聚光器件后面的光。

目前的挑戰(zhàn)是非常之多的，簡單舉幾個例子：穩(wěn)定性、碎片減緩、功率調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)換效率等，上述例子中最后兩個對于200瓦的大批量制造的目標是最重要的因素。經(jīng)管Trumpf早已擁有用來切割和焊接的千瓦級CO₂激光器,他們也得完全重新考慮他們激光系統(tǒng)產(chǎn)生EUV的問題。

由于二氧化碳輻射到EUV的轉(zhuǎn)換效率為百分之幾，二氧化碳源必須提供20 kW以上的功率的能源。輻射以50kHz的脈沖碰撞~30 µm的錫滴。對于升級過的效率轉(zhuǎn)換最重要的是激光器必須有一個特殊預脈沖。在測試了幾組不同設定的方案后，團隊用雙子掃描NXE:3100系統(tǒng)達到了三級功率放大（+預放大），如圖1所示。

預脈沖頻率正確才能成功

在激光科學研究的早期，科學家們就早已開始研究激光產(chǎn)生等離子。之后很快，科學家就清楚了預脈沖可以極大提高激光轉(zhuǎn)變?yōu)榈入x子輻射的轉(zhuǎn)換效率，科學家從1970年就在理論上和實驗上對這種能量轉(zhuǎn)換的效果開始了刻苦的鉆研。EUV的研發(fā)團隊曾必須近距離觀察激光產(chǎn)生等離子的實驗，不僅僅是為了更進一步達到大批量制造的目標，也為了解決一個經(jīng)濟議題：每一個百分點的轉(zhuǎn)換效率的提高將為消費者節(jié)省數(shù)百萬的投資。

圖二展示了預脈沖技術的進化所取得的令人驚嘆的進步。預脈沖蒸發(fā)了錫滴，將其轉(zhuǎn)化為一個擁有完美形態(tài)和密度的目標。實際上，目標直徑早已被擴大到400µm，轉(zhuǎn)換效率提高到超過4%的盤形目標。在目標直徑處，激光束輪廓比明顯小于光束尺寸的液滴初始尺寸更好用。

如研究人員論文報告所述，一臺經(jīng)過改良的ASML NXE:3300B激光器在15年末和16年初展示了持續(xù)一個小時的EUV功率控制，功率為210瓦，這個突破性成果也第一次闡明了以激光為光源的EUV滿足大批量制造的能力。

同時，ASML/Cymer的作者稱超過十個他們的EUV激光光源器已經(jīng)在全世界范圍被投入使用，積累必要的經(jīng)驗知識來最終使其技術能做到大批量制造。MOPA（主控振蕩器的功率放大器）預脈沖技術已經(jīng)被確認為提高功率輸出的正確方式，以及在中間焦點建立了把功率穩(wěn)定在210瓦的機制。具有> 5 sr光收集和高平均反射率的正常入射收集器反射體目前已經(jīng)開始批量生產(chǎn)，并且在該領域中使用壽命越來越長。NXE 3350B上增強的集電極保護和原位清洗技術預計將進一步延長使用壽命， NXE 3400B于2017年在客戶的設施中安裝。

在Semicon West 2017上，ASML團隊聲稱“通過真正理解光源的轉(zhuǎn)換效率和并將合適的控制置于合理的位置”，250瓦的功率可以持續(xù)的保持。

圖二：不同目標形狀和密度的轉(zhuǎn)換效率