极紫外光刻（Extreme Ultra-violet），常称作EUV光刻，它以波长为10-14纳米的极紫外光作为光源的光刻技术。具体为采用波长为13.4nm 的紫外线。极紫外线就是指需要通过通电激发紫外线管的K极然后放射出紫外线。

极紫外光刻（英语：Extreme ultra-violet，也称EUV或EUVL）是一种使用极紫外（EUV）波长的下一代光刻技术，其波长为13.5纳米，预计将于2020年得到广泛应用。几乎所有的光学材料对13.5nm波长的极紫外光都有很强的吸收，因此，EUV光刻机的光学系统只有使用反光镜。

EUV光刻机，全称为极紫外光光刻机（Extreme Ultraviolet Lithography Machine），是一种用于制造半导体芯片的先进光刻设备。它使用极短波长的极紫外光（EUV光），约13.5纳米，以将精细的电路图案印刻到硅片上。这种技术能够实现更高的分辨率，使得芯片上的晶体管和线路更小、更紧密排列，从而提升芯片性能和能效。

一）EUV光刻机的工作原理

EUV光刻机的工作原理极其复杂，结合了先进的光学、材料科学、等离子体物理等多领域技术，以下是其核心工作原理的详细介绍：

1. EUV光源的产生

EUV光刻机使用的是极紫外光（Extreme Ultraviolet），其波长约为13.5纳米，这是一种接近X射线的光线。由于EUV光无法通过传统的透镜系统聚焦，且在空气中容易被吸收，因此必须在真空环境中进行工作。产生EUV光的步骤如下：

• 激光脉冲：利用高能量的激光脉冲（通常是CO2激光），这些激光被聚焦到一个含有锡（Sn）的小液滴上。
• 等离子体产生：当激光脉冲击中锡液滴时，会将其加热到非常高的温度（约220,000°C），从而使锡蒸发并转化为高温等离子体。在此过程中，锡原子被剥离成自由电子和离子，发射出极紫外光（EUV光）。
• 光源效率：为了提高光源的效率，系统会使用重复的激光脉冲（每秒可以产生数万个液滴），每个液滴都被激光照射，产生连续的EUV光。

2. EUV光的传输与聚焦

由于EUV光在空气中极易被吸收，整个光刻系统必须在真空环境中运行。这也给光学设计带来了挑战，因为传统的透镜材料无法对EUV光进行有效聚焦。因此，EUV光刻机采用了多层反射镜系统。

• 多层反射镜：这些反射镜由几十层不同材料的极薄层组成（比如钼和硅），专门设计来高效反射13.5纳米的EUV光波。由于EUV光的波长极短，反射镜的表面必须非常光滑，任何微小的表面缺陷都会导致反射效率下降。
• 光束整形与聚焦：通过一系列高精度的多层反射镜系统，EUV光束被调控和聚焦，形成极小的光斑，能够在非常小的尺度上实现曝光。

3. 掩模与图案传输

在光刻过程中，掩模（或称为掩膜版，mask）用于定义要印刻到晶圆上的电路图案。EUV光刻的掩模和传统光刻有所不同：

• EUV掩模：EUV光不能通过常规材料，因此EUV掩模是由特殊的反射材料制成。掩模表面覆盖着用于反射EUV光的多层材料，并在上面蚀刻出所需的电路图案。只有在特定位置，EUV光才能通过反射后照射到硅片上，从而将图案投影到晶圆表面。
• 投影系统：与传统光刻技术不同，EUV光刻系统不能通过透射光学元件投影，而是通过反射式投影。高精度的光学系统将掩模上的图案缩小并投射到硅片上，以形成精细的电路图案。

4. 晶圆曝光

晶圆表面涂有一层光刻胶（Photoresist），它是对光敏感的材料。当EUV光通过掩模后照射到光刻胶上时，光刻胶中的分子结构会发生化学变化，形成图案化的区域。

• 光敏反应：光刻胶的敏感性必须非常高，能够在13.5纳米波长的极紫外光下进行有效反应。EUV光具有很强的能量，可以在光刻胶上形成极细的曝光图案。
• 显影工艺：曝光后的晶圆通过显影工艺，未曝光区域的光刻胶会被冲洗掉，留下的部分则作为接下来的蚀刻过程的保护层。

5. 蚀刻与制造

在显影之后，硅片上的光刻胶图案将作为掩膜，用于进一步的蚀刻工艺。蚀刻工艺将晶圆上未被光刻胶保护的部分去除，从而在硅片上形成真正的电路结构。

• 干蚀刻（通常是等离子蚀刻）：这种蚀刻技术使用等离子体气体将裸露的材料从晶圆表面去除，形成所需的电路元件。
• 层叠工艺：在芯片制造中，光刻工艺通常需要多次重复，每一层的电路结构都是通过光刻、蚀刻、沉积等步骤一层层地构建。

6. 真空环境的必要性

由于EUV光在空气中几乎完全被吸收，光刻机的整个工作环境必须在真空中进行。真空系统的设计和维护是EUV光刻技术中的关键挑战之一。每一个步骤，从EUV光的产生、传输到掩模投影，都必须在无空气的环境中完成，以确保光的有效传输和曝光。

7. 对齐与校准

在EUV光刻机中，对掩模、晶圆和光学系统的高精度对齐是确保高质量图案印刻的关键。先进的光学传感器和控制系统用于实时监测和调整各个组件的位置，确保纳米级的精度。

8. 温度控制与污染防护

EUV光刻过程中，高能量的EUV光源可能会产生热量和微粒污染，尤其是在光源和反射镜系统中。为了确保光刻精度，EUV光刻机必须具备先进的温度控制和微粒污染防护系统。任何微小的污染都会导致光学系统的性能下降，从而影响最终的图案精度。

总结

EUV光刻机的工作原理结合了先进的物理学和工程技术，通过EUV光源的产生、反射镜的光学调控、掩模图案的转印以及光敏晶圆的曝光和显影，最终实现纳米级别的集成电路制造。这一技术的关键挑战在于复杂的光源生成、高精度光学系统的制造、真空环境的控制，以及高精度的对齐与温控系统。EUV光刻机是推动现代半导体产业向更高密度和更小尺寸工艺迈进的核心技术。

二）EUV光刻机工艺过程

在《超能课堂(66)：沙子做的CPU，凭什么卖那么贵？》这批文章中我们已经介绍过芯片是怎么造出来的了，紫外线曝光是其中一步，而这个步骤就是由光刻机所执行的，它是芯片生产的核心，也是这个步骤决定了芯片的制程工艺。

而光刻的工作原理，大家可以想象一下胶片照片的冲洗，掩膜版就相当于胶片，而光刻机就是冲洗台，它把掩膜版上的芯片电路一个个的复制到光刻胶薄膜上，然后通过刻蚀技术把电路“画”在晶圆上。

当时实际过程肯定没这么简单，上图是ASML典型的沉浸式步进扫描光刻机为例来看下光刻机是怎么工作的——首先是激光器发光，经过矫正、能量控制器、光束成型装置等之后进入光掩膜台，上面放的就设计公司做好的光掩膜，之后经过物镜投射到曝光台，这里放的就是8寸或者12英寸晶圆，上面涂抹了光刻胶，具有光敏感性，紫外光就会在晶圆上蚀刻出电路。

而激光器负责光源产生，而光源对制程工艺是决定性影响的，随着半导体工业节点的不断提升，光刻机缩激光波长也在不断的缩小，从436nm、365nm的近紫外（NUV）激光进入到246nm、193nm的深紫外（DUV）激光，现在DUV光刻机是目前大量应用的光刻机，波长是193nm，光源是ArF（氟化氩）准分子激光器，从45nm到10/7nm工艺都可以使用这种光刻机，但是到了7nm这个节点已经的DUV光刻的极限，所以Intel、三星和台积电都会在7nm这个节点引入极紫外光（EUV）光刻技术，而GlobalFoundries当年也曾经研究过7nm EUV工艺，只不过现在已经放弃了。

而使用极紫外光（EUV）作为光源的光刻机就是EUV光刻机，当然这绝对不是单纯只换个光源这么简单。

EUV光刻机，全称为极紫外光光刻机（Extreme Ultraviolet Lithography Machine），是一种用于半导体制造的先进光刻设备。光刻技术是制造集成电路（芯片）的关键步骤之一，通过将电路图案转印到硅片（晶圆）上，从而形成微小的电子元件和连接线路。

三）EUV光刻机的特点与优势

EUV光刻机的关键特点：

1. EUV光波长短：
   • 传统的光刻使用的是193纳米的深紫外光，而EUV光刻使用的是13.5纳米波长的光，这使得其分辨率更高，能够实现7纳米、5纳米甚至更小的制程。
2. 真空环境下工作：
   • EUV光容易被空气吸收，因此整个光刻过程必须在真空环境中进行。
3. 掩模系统：
   • 使用专门设计的掩模来定义要印刻的电路图案，掩模表面通过多层反射将EUV光的图案精确转印到硅片上。
4. 高精度反射镜系统：
   • 由于极紫外光不能使用透镜进行聚焦，光刻机使用多层反射镜系统来传输和聚焦光线，要求反射镜极其光滑和精确。

EUV光刻的优势：

• 高分辨率：由于EUV光的波长极短，能够制作出更精细的电路，从而推动摩尔定律继续发展。
• 简化工艺流程：相比于传统光刻，EUV光刻可以减少多重图案化步骤，提升生产效率并降低成本。

挑战：

• • 高昂的设备成本：EUV光刻机极其复杂，设备研发和维护成本极高。
  • 光源功率与稳定性：高效、稳定的EUV光源仍是技术瓶颈。

四）为什么需要EUV光刻？

现在所用的193nm光源DUV其实是2000年代就开始使用的了，然而在更短波长光源技术上卡住了，157nm波长的光刻技术其实在2003年就有光刻机了，然而对比193nm波长的进步只有25%，但由于157nm的光波会比193nm所用的镜片吸收，镜片和光刻胶都要重新研制，再加上当时成本更低的浸入式193nm技术已经出来了，所以193nm DUV光刻一直用到现在。

EUV光刻的全称为极紫外光刻（Extreme Ultra-violet），其光源主要有2种：一种是DPP-EUV极紫外光源，一种是激光等离子体光源(LPP)。DPP-EUV极紫外光源工作原理是放电激发等离子体EUV极紫外光源，优点是产生EUV的能量转换效率高，造价低。

当然大家一定想知道为啥同一光源为什么可以衍生出这么多不同工艺节点，以Intel为例，2000年用的是180nm，而现在已经是10nm了，其实光刻机决定了半导体工艺的制程工艺，光刻机的精度跟光源的波长、物镜的数值孔径是有关系的，有公式可以计算：

光刻机分辨率=k1*λ/NA

k1是常数，不同的光刻机k1不同，λ指的是光源波长，NA是物镜的数值孔径，所以光刻机的分辨率就取决于光源波长及物镜的数值孔径，波长越短越好，NA越大越好，这样光刻机分辨率就越高，制程工艺越先进。

最初的浸入式光刻就是很简单的在晶圆光刻胶上加1mm厚的水，水可以把193nm的光波长折射成134nm，后来不断改进高NA镜片、多光照、FinFET、Pitch-split以及波段铃木的光刻胶等技术，一只用到现在的7nm/10nm，但这已经是193nm光刻机的极限了。

在现有技术条件上，NA数值孔径并不容易提升，目前使用的镜片NA值是0.33，大家可能还记得之前有过一个新闻，就是ASML投入20亿美元入股卡尔·蔡司公司，双方将合作研发新的EUV光刻机，许多人不知道EUV光刻机跟蔡司有什么关系，现在应该明白了，ASML跟蔡司合作就是研发NA 0.5的光学镜片，这是EUV光刻机未来进一步提升分辨率的关键，不过高NA的EUV光刻机至少是2025-2030年的事了，还早着呢，光学镜片的进步比电子产品难多了。

NA数值一时间不能提升，所以光刻机就选择了改变光源，用13.5nm波长的EUV取代193nm的DUV光源，这样也能大幅提升光刻机的分辨率。

在上世纪90年代后半期，大家都在寻找取代193nm光刻光源的技术，提出了包括157nm光源、电子束投射、离子投射、X射线和EUV，而从现在的结果来看只有EUV是成功了。当初由Intel和美国能源部牵头，集合了摩托罗拉、AMD等公司还有美国的三大国家实验室组成EUV LLC，ASML也被邀请进入成为EUV LLC的一份子。在1997到2003年间，EUV LLC的几百位科学家发表了大量论文，证明了EUV光刻机的可行性，然后EUV LLC解散。

五）2006年全球首台EUV光刻机原型

接下来ASML在2006年推出了EUV光刻机的原型，2007年建造了10000平方米的无尘工作室，在2010年造出了第一台研发用样机NXE3100，到了2015年终于造出了可量产的样机，而在这研发过程中，Intel、三星、台积电这些半导体大厂的输血是绝对不少的。

作为全球唯一一家能EUV光刻机的厂家，ASML自然获得了大量的订单，截止至2019年第二季度，ASML的NEX:3400B EUV光刻机的装机数已经多达38台，而下半年他们推出了效率更高的NEX:3400C光刻机，而在2019年全年一共交付了26套EUV光刻机，为他们带来了27.89亿欧元的收入，占了全年收入的31%，而全年卖了82台的ArFi远紫外光光刻机才进账47.67亿欧元，可见一套EUV光刻机是多么的赚钱。

新的NEX:3400C产能从原来的125每小时晶圆提升到170每小时晶圆，销量大幅提升（图片来源：wikichip）

尽管EUV光刻机相当之贵，接近1.2亿美元一台，但半导体厂商还是愿意去投入，因为7nm以及以上的工艺的确需要EUV光刻机，几时同样的7nm工艺，使用EUV光刻技术之后晶体管密度和性能都变得更好，根据台积电给出的数据，相较于初代7nm工艺，7nm EUV（N7+）可以提供1.2倍的密度提升，同等功耗水平下提供10%的性能增幅，或者同性能节省15%的功耗。

现在三星和台积电都已经使用7nm EUV工艺开始生产芯片了，预定今年发布的AMD Zen 3架构第四代锐龙处理器用的就是台积电7nm EUV工艺，Intel现在的10nm工艺还没用上EUV技术，不过预定在7nm工艺时期用上EUV光刻，国内的中芯国际也从ASML订购了一台EUV光刻机，但因为种种问题，现在交货时间还未明确。