EUV光刻机的驱动激光器长什么样？_风闻
马氏体-12-09 05:51
从上世纪80年代开始研究极紫外（EUV）光刻技术起，美、欧、日诸多研究机构和企业历经三十余年研发，终于由荷兰ASML 公司率先推出商业化的EUV光刻机，把芯片工艺制程推进到7纳米以下（单次曝光得到的实际物理尺寸最小是13纳米，下一代EUV光刻机能做到8纳米）。
相应地，光刻机的光源从波长193纳米的ArF准分子激光（深紫外，DUV）升级为波长13.5纳米的EUV光，由锡（Sn）的激光等离子体（Laser Produced Plasma，LPP）产生。
功率强大的激光轰击锡液滴，使之瞬间升温到几万度，电离为等离子体，尤其是Sn8+~Sn14+的高带电锡离子，它们电子跃迁会释放出EUV光。每一颗锡液滴被轰击，便产生一次EUV脉冲，而这个过程每秒要重复5万次以连续产生EUV闪光。
每颗锡液滴其实都被轰击了两次，首先是一次强度较弱、持续时间仅有纳秒乃至皮秒级（10-9~10-12秒）的预脉冲，把直径几十微米的锡液滴轰击成直径数百微米的圆盘形，以匹配主脉冲的激光光斑大小，紧随其后的是产生EUV光的主脉冲。虽然每次脉冲的能量不足1焦耳，但乘上5万赫兹的频率，就是最高可达40千瓦的平均功率，比工业上用于切割金属的激光还要强。
这里用到的激光被称为驱动激光（泵浦激光）。不同波长的驱动激光产生的EUV光的峰值波长以及发光效率有所不同。为了匹配钼-硅多层膜反射镜（上图，来自德国蔡司公司）的最佳反射波长（13.5nm），并综合考虑制造大功率激光器的难度，现有的EUV光刻机使用二氧化碳气体激光器的10.6μm波长红外激光作为驱动激光。
ASML公司的EUV光源来自其收购的美国Cymer公司，而其中的泵浦激光器由德国Trumpf（通快）公司提供。
这是激光器的外观，打开外壳可以看到，处于底部的是种子模块，负责产生功率只有几瓦的种子激光，并经过预放大器初步放大到100W级功率。接下来，位于上方的4级放大器将把激光功率放大10000倍以上。
这是展出于德意志博物馆的其中一级放大器，被作为2020年德国总统奖的获奖成果代表。德国总统奖（German Federal President’s Prize）是德国的年度国家级科技奖项，表彰在科学领域取得突破性成果并实现新成果的工业化应用的创新团队。2020年获奖的是EUV光刻技术团队，包括通快公司的激光器研发人员、弗劳恩霍夫应用光学与精密工程研究所与蔡司（Carl Zeiss）公司的EUV反射镜和光学系统研发人员。
在微观世界，粒子可能处于不同的能级（不同能量高低的状态）。通常情况下位于低能级的粒子数量更多，而处于高能级的粒子不稳定，可通过辐射电磁波释放掉多余的能量而跃迁回低能级。若施加额外的能量（泵浦源）把粒子激发到高能级，且使高能级粒子数多于低能级粒子数（布居数反转分布），一旦输入一个能量等于能级差的光子，使其中一个高能级粒子发生跃迁而辐射出另一个光子（此时光子数就变成了2个），那么其他的高能级粒子就会如雪崩般发生跃迁和辐射，产生大量光学性质一致的光子（单色性好、方向性好、亮度高），这被称为受激辐射光放大，简称激光。（动图示意的是用于产生激光的振荡器，光学谐振腔内填充着被泵浦源激发的工作介质，释放的激光在谐振腔两端的反射镜间来回反射，反复穿过介质而增强，最终从输出端的镜片穿出）
二氧化碳激光利用的是二氧化碳分子在不同振动能级之间的跃迁（对应于10.6μm红外线的能量）。在电场作用下，气体发生放电，产生的高能量电子撞击气体分子，把后者激发到高能级。二氧化碳气体激光器所用的工作气体是二氧化碳+氮气+氦气的混合气体，氮气的作用是把自身受激发获得的能量通过碰撞传递给二氧化碳分子，氦气起到稀释、导热、辅助二氧化碳布居数反转的作用。
与产生激光的过程类似，让一束激光穿过一群处于高能级的二氧化碳分子，就能实现激光功率的放大。
放大过程在放电管中进行，一般使用石英玻璃制成，设置有放电的电极。放电管两端是起密封、透光作用的光学镜片（下图为直流放电的放大器示意图，光刻机使用的是射频放电放大器，电场的震荡能加剧电子与分子的碰撞）。
一个放大器中有8根放电管呈上下两层正方形排列，连接它们的除了光路，还有气体管路。工作气体循环流动，利用热交换器排出放电产生的热量，使放大器维持在合适的工作温度。由于激光与气流的方向平行、激光光束与放电管同轴，这样的放大器被称为快轴流放大器（相应地，激光与气流方向垂直的被成为快横流放大器，日本Gigaphoton公司研制的EUV光源使用三菱重工的快横流放大器）。
这套激光器是如此庞大，以至于它需要被单独安放在EUV光刻机主机之下的一层楼，通过光束传输系统来传递激光。当然EUV光刻机本体也是一个庞然大物。
为了满足每小时上百片晶圆的生产效率要求，投射到晶圆上的EUV光功率必须足够大（要能在短时间内使光刻胶曝光），但EUV反射镜的反射率实际只有70%左右，经过光路的多次反射后损耗很大，这就要求EUV光源的发光功率多多益善，而这正是等离子体光源所面临的巨大挑战。ASML的初代EUV光刻机验证机的EUV功率只有几瓦，每小时只能曝光几片晶圆，仅能用于研发用途，又经过几年努力才达到如今实用化的250-350瓦，并向600瓦乃至更高功率冲击。
用几十千瓦的激光产生区区几百瓦的EUV光，光能的利用效率只有百分之一左右（从二氧化碳激光到EUV的转化效率超过5%，但实际能收集使用的EUV光要更少），而整个系统所需要的能量高达1兆瓦量级，大部分电能变成热量损耗掉，也造成巨大的冷却能耗。这就是为什么说EUV光源的效率非常低。
有没有其他办法呢？
基于等离子体发光的原理，有不同的等离子体产生方法，包括放电等离子体（DPP）和激光辅助放电等离子体（LDP），亦有尝试用锂（Li）或液态氙（Xe）等离子体作为光源。但目前这些技术路线的效率和功率更低，还面临稳定性、使用寿命、锡碎屑清理等方面的问题。现有的激光驱动锡等离子体已经是几十年研发后得出的最优化、最具现实可行性的光源方案。在此基础上，国外正在开发比二氧化碳激光更加高效、更大功率的1.9微米波长Tm:YLF（稀土元素铥掺杂的LiYF4晶体）固体激光器作为驱动激光，以及更短波长的Blue-X光刻光源（使用6.x纳米波长，介于“蓝色的”短波EUV和X光之间，潜在的光源是激光驱动的钆等离子体6.7纳米发光）。
（美国的大尺寸Tm:YLF激光晶体。我国在激光晶体方面居世界领先水平，或许其中就隐藏着未来在激光等离子体EUV光源上赶超的机会。）
我国在EUV光源方面起步较晚。国内多所高校院所（华中科技大学、哈尔滨工业大学、中科院上海光机所等）在多种等离子体光源及激光器的研制上已经取得了一定进展。2023年4月13日，中国科学院院士、中国科学院前党组书记、院长白春礼到中科院长春光机所调研，参观了EUV光源。光源与光路系统、工作台等组合在一起就是光刻机。在2016年，由长春光机所牵头承担的国家科技重大专项02 专项（极大规模集成电路制造技术及成套工艺）——极紫外光刻关键技术研究项目完成验收，构建了EUV 静态曝光装置，获得32纳米线宽的光刻胶曝光图形，建立了EUV关键技术验证及工艺测试平台。从原理样机到生产出实用的EUV光刻机，我们还需快马加鞭。
另一大类EUV光源是加速器光源。接近光速的电子在改变运动方向时会发出电磁波，可以获得从太赫兹、红外、可见光、紫外到X射线的各种波长。
同步辐射光源是目前应用最多的加速器光源（上图为在北京怀柔建设中的中国高能同步辐射光源，最大的圆环形建筑是它的电子储存环，周长1360.4米）。其原理是用加速器把电子加速到接近光速后，注入周长几百上千米的储存环中，使做圆周运动的电子沿切向释放电磁波。同步辐射光源的原理和规模决定了其高昂的造价（数十亿）和运行成本。目前全世界有超过50 个运行或在建的同步辐射光源，最重要的用途是产生高品质的X射线作为探索微观世界的“探照灯”，服务于物理、化学、材料、生物等领域的科研。虽然它的EUV光功率达不到未来EUV光刻大规模量产的需求，但在国外的EUV光刻技术开发阶段（在获得实用化的EUV光源前），同步辐射光源为EUV光刻机关键部件的开发提供了重要的试验平台。
（德国蔡司公司（左）和美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（右）于上世纪90年代末研制的EUV投影光学系统，后者借助于美国劳伦斯伯克利国家实验室的同步辐射光源，在EUV光刻机出现前就开展了光刻研究。）
基于直线加速器的自由电子激光可产生功率达1-10千瓦量级的EUV光，但造价相对高昂（数十亿）、规模较大（长度数百米）、能量利用率低，要应用于实际还需许多技术突破。
近来被热传为“光刻厂”的稳态微聚束（SSMB）EUV光源是另一类有前景的加速器光源，通过采用新的原理（把储存环中运行的电子束团的长度压缩到只有几纳米）输出千瓦量级的EUV光，造价（数亿到十亿）及规模（周长 100-150米）适中，通过调整参数还能适应未来6.x纳米波长的Blue-X光刻。这项技术由清华大学研发，将在雄安新区落地。
等到几年以后，稳态微聚束EUV光源建成，我们就能颠覆光刻机格局吗？
恐怕没有那么快。
虽然稳态微聚束已经实现原理实验的验证（通过国际合作，在德国一台功能接近稳态微聚束的加速器上完成），但目前尚无实际工作在EUV波段的稳态微聚束光源，雄安新区的这一台作为首台研究装置，初期必然要承担大量的物理机制研究和工程技术验证任务。一项实验室里的新原理要变成一座成熟的工厂、稳定生产出商业产品，还有很长的路要走。用稳态微聚束EUV光源项目的牵头人——清华大学工程物理系唐传祥教授的论文原话就是：“需要建设运行在EUV波段的SSMB加速器光源研究装置，培养科学及产业用户，并提高其技术成熟度。”
从稳态微聚束上，我们看到的是未来“换道超车”实现颠覆性创新的机会，但我国想必也不会放松在等离子体光源这条现实可行的“既有赛道”上正面追赶的努力，我们已经看到了“望其项背”的希望。我们不会只“押宝”某条技术路线，几种方案或许各有优劣而起到互补的作用，至少是互相竞争促进、互为备份。
这个过程难吗？
当然很难，EUV光刻机集合了物理、光学、机械、仪器、材料等诸多领域的前沿成果和顶尖技术。
但“世上无难事，只要肯登攀”，过往的故事一次次告诉我们，终究没有什么是能够难倒中国人的。
此时此刻，一定有无数研究人员正在奋力攻关中。作为旁观者，就让我们敬候佳音吧。
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参考资料和素材来源：
通快公司网页.
EUV lithography revisited.
Beam Quality of Pulsed High Powder CO2-Lasers.
https://www.euvlitho.com/2018/S36.pdf
Versolato, O. Physics of laser-driven tin plasma sources of EUV radiation for nanolithography.Plasma Sources Science and Technology, 2019, 28(8): 083001.
Yang, D., Wang, D. , Huang, Q., et al. The development of laser-produced plasma EUV light source. Chip, 2022, 1: 100019.
Hale L C , Taylor J S . Experiences with Opto-Mechanical Systems that Affect Optical Surfaces at the Sub-Nanometer Leveld. 2008 Spring Topical Meeting for the American Society for Precision Engineerin, 2008.
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张冉冉. 短脉冲CO2激光放大与噪声光隔离技术研究. 中国科学院大学,2021.
唐传祥,邓秀杰. 稳态微聚束加速器光源. 物理学报,2022,71(15):74-88.