非蔡司不可？EUV光刻机背后的光学系统

来源:电子发烧友网发布时间:2023-07-141611浏览

电子发烧友网报道（文/周凯扬）光刻系统利用光线在晶圆上创建数十亿个微小的结构，这些结构组成在一起就成了集成电路。但芯片制造商为了让更多结构集成在单个芯片上，实现更强更快的性能，就必须要用到EUV光刻机。然而在庞大的光刻机中，由于包含了生成光、投射光的过程，同时又要精细控制光线，自然也就需要一套复杂无比的光学系统。

EUV光学系统唯一指定供应商——蔡司

提到蔡司这个名号大家都不陌生了，小到眼镜镜片，大到医学显微系统，蔡司都有涉猎。就连市面上最为精密的EUV光刻机镜片，也都是非蔡司莫属。蔡司提供的EUV光学系统主要由两部分组成，一部分用于照明系统，一部分为投影光学系统。在照明系统中，来自光源的极紫外光通过分面反射镜，从而在光罩上提供合适的照明度。即便是这样一个简单的反射结构，也有15000个重达1.5吨的零部件构成。在投影光学系统中，则用到了六个超精密的反射镜，用于实现nm级别的成像，单个系统就需要约20000个重达2吨的零部件。其实这类EUV所用镜头的制造流程并不复杂，主要分为铣磨、抛光、成型和镀膜四个步骤。但由于对镜面精度和反射率的要求极高，所以制造难度要远远超过常规的镜片，所以市面上也只有蔡司能有这样的实力。如果将单个EUV反射镜的镜面大小与德国国土面积等效的话，那么其中最大的偏差也只有0.1毫米大小。

高NA EUV所需的光学系统

然而随着高NA（NA=0.55）系统的需求开始出现，EUV光学系统又迎来了新一轮的挑战。首先是在照明系统端，蔡司在0.33NA系统上使用了可驱动的分面反射镜，从而与NXE3400及之后的系统一样，在无传输损耗的情况下，做到20%的光瞳填充比例。而未来更低的光瞳填充比例也就意味着除了提高数值孔径外，还有降低k1这种提高分辨率的方法。

高NA EUV光学系统 / 蔡司与此同时，在高NA EUV系统中的光罩反射角要尽可能做得更小。在过去的0.33NA系统中，主要采用的是4x4倍放大的同型镜片设计，可以将反射角做到10度以下，约在6度左右。可在更大的数值孔径下，如果仍然沿用这一套方案，就会使得入射光与反射光出现重叠，难免会产生更大的重影效应以及更低的反射率。所以蔡司采用了变形镜片的设计，X轴方向4倍放大，而Y轴方向8倍放大，这样就可以将0.55NA下的反射角同样做到6度左右。当然了，由于全新的变形结构，光罩本身的设计也要修改，在扫描方向上需要拉长两倍，这样在晶圆上才能实现X轴与Y轴相同的分辨率。为了打造这样的高NA光学系统，蔡司还建设了专门的产线，数个厂房分别负责高NA集成、镀膜、光学和计量。

写在最后

单从EUV的光学系统就可以看出，要想打造这样一台复杂精密的制造设备，自然离不开高水平的光源、镜头加工等。这背后涉及的供应商多如牛毛，比如蔡司加工这些光刻机镜头也需要用到奥美特的精密机床等等。ASML正是因为看重了蔡司在光刻机光学系统上的实力，才选择了2016年投资10亿美元，买入其半导体制造技术部门25%的股份。这也表明了半导体制造仍是一个准入门槛较高的产业，诸如EUV光刻机这样的设备没有数十年的技术积累，还是很难有所突破的。