EUV与真空：半导体光刻工艺中不可或缺的真空系统
以下文章来源于真空聚焦 ，作者真空聚焦
我们都知道，半导体芯片产业链分为IC设计、IC制造、IC封测三大环节。光刻的主要作用是将掩模版上的芯片电路图转移到硅片上，是IC制造的核心环节，也是整个IC制造中最复杂、最关键的工艺步骤。
芯片在生产过程中一般需要进行20~30次光刻，耗费时间约占整个硅片工艺的40～60%，成本极高，约为整个硅片制造工艺的1/3。
▲ 通过激光或电子束直接写在光掩模板上，然后用激光辐照光掩模板，晶圆上的光敏物质因感光而发生材料性质的改变，通过显影，便完成了芯片从设计版图到硅片的转移。
一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀、检测等工序。
而 DUV / EUV 则是光刻工艺的核心设备，也是所有半导体制造设备中技术含量最高的设备，集合了数学、光学、流体力学、高分子物理与化学、表面物理与化学、精密仪器、机械、自动化、软件、图像识别领域等多项顶尖技术。光刻的工艺水平直接决定芯片的制程和性能水平，DUV / EUV 也被誉为半导体工业皇冠上的明珠。
作为现今世界上最尖端的技术之一，DUV / EUV 只有极少数国家掌握其技术核心。目前世界上最好的设备来自荷兰的 ASML 。
根据所用光源改进和工艺创新，DUV / EUV 经历了5代产品发展，每次光源的改进都显著提升了其所能实现的最小工艺节点。在技术节点的更新上，DUV / EUV 经历了两次重大变革，在历次变革中，ASML 都能抢占先机，最终奠定龙头地位。
▲ ASML Twinscan 简易工作原理图：在IC制作过程中，光束穿过掩模及镜片，经物镜补偿光学误差，将线路图曝光在带有光感涂层的硅晶圆上，然后显影在硅片上。激光器作为光源，物镜补偿光学误差，是设备的核心设备，其中物镜系统一般由近20个直径为200~300mm的透镜组成。
TWINSCAN NXT：2000i DUV（双工作台深紫外）是 ASML 最先进的浸没式光刻系统 ，是 EUV 前的重要过渡产品，也是后期7nm/5nm产能的重要补充。
在2023年12月份，ASML 对外宣布，已经正式交付了首台 2nm EUV 。据悉，每台新机器的成本超过3亿美元，体积有一整个卡车车箱大小。
顶级的 EUV（极紫外）有10万个零部件，其中包括主要的四大件双工件台、光学系统、控制软件、物镜系统。
与 DUV（深紫外）不同，EUV 必须在真空条件下操作。这是因为两者的光路系统及光源不同。DUV 光路主要利用光的折射原理，EUV 则是利用的光的反射原理；DUV 使用193nm波长的紫外光源，而 EUV 则以波长为10-14nm极紫外光作为光源。
极紫外光极易被介质吸收，在空气中容易损耗，只有真空才能最大程度保证光源能量不被损失。真空环境可以减少空气流动波和空气折射率引入的测量差。对于 EUV 来说，需要使用精密反射光学器件和整个光束路径的真空密封。
所以，EUV 的生产也需要专属真空解决方案。以全球半导体行业真空解决方案供应商 Edwards 为例，Edwards 在2021年发布的“Understanding the integrated vacuum challenges of HVM EUV Lithography”中说明：过去11年中，已经发出超过120个 EUV 专用真空系统，并且完成安装70多个 EUV 集成真空系统。
▲ TechInsights 发布2023年十大半导体设备商的排名，Edwards 与 ASML 一同上榜，位列第四。
另外，真空系统也会应用于对 EUV 的氢气回收。
在 EUV 工作过程中，需要使大量的氢气作为气氛气体流动，以防止锡氧化。同时，氢气也可以防止颗粒污染物沉积在反射透镜的表面上，确保关键光学器件不受污染。
▲ EUV 工作过程示意图：① CO2激光脉冲被放大到高功率，输出超过30kW平均脉冲功率的激光数，其脉冲峰值功率可高达几兆瓦；②③ 不断滴下的锡珠被激光束击中成为一个发光的等离子体，发射出波长为 13.5nm 的极紫外光；④⑤：极紫外光聚焦后，通过反射透镜首先传输到掩模上，然后照射到晶圆基片上。
由于氢气在空气中易燃，因此引起了人们对安全和环境的高度关注。所以 EUV 真空系统中不仅有专为 EUV 工艺设计的真空泵，还需要装配氢气回收系统（HRS），以回收和再利用大部分（至少 70%）的氢气，减少 EUV 运作时的能源消耗。
除了上述 EUV 设备内部需要真空环境外，其所需的光学配件在制备过程中也需要真空技术。比如 EUV 反射镜的多层反射层，就需要高精密的真空镀膜机。下图中的 NESSY series 就是生产X射线或 EUV 光谱范围内反射镜的理想设备，其所需真空度< 9×10-7 Pa。
▲ NESSY 系统构造：1：Heated load lock 加热负载锁；2. Handling for loading/unloading 装卸装置；3：Planetary substrate drive with sub-rotation and speed profiles 行星基板；4：Chamber lid for ease in service 维修腔体；5：Magnetron-sputtering cathodes PK 600 磁控溅射阴极PK 600；6：Adjustable sputter distance 可调溅射距离；7：Cryo pump 低温真空泵；8：Dry pre-vacuum pump set 干式前级真空泵组
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