什么是极紫外光（EUV）光刻？

文 | 沈韩杨

上下求索，只为真知

　　EUV光刻是什么

　　利用紫外光，在硅晶片上生成数十亿个微型结构，进而形成集成电路(或称芯片)。芯片厂在芯片上塞进的结构数量越多，芯片效能就越快速、越强大，因此我们的目标便是要尽力缩小结构的尺寸。导入EUV光刻技术后，便拥有更强大的武器，帮助芯片制造商达到这个目标 — EUV光刻使用的光线波长为13.5纳米，比先前光刻设备使用的193纳米波长大幅缩短。这套先进的EUV光刻系统可协助芯片制造商的客户打造出更小、更快速、更强大的芯片。

　　如何运作

　　光刻技术基本上是一个投影系统，将光线投射并穿透印有电路蓝图的“光罩（mask）”，利用光学原理将图样 (pattern) 打在已涂布感光药剂的硅晶片上，进行曝光。当未曝光的部份被蚀刻移除后，图样就会显露出来。棘手的是，极紫外光可被包括空气在内的所有东西吸收，这也是为什么EUV光刻系统会配备大型的高真空室(vacuum chamber)，目的就是使极紫外光能够顺利抵达晶圆表面。其中，由德国卡尔蔡司(Carl Zeiss)所制造的超反射(ultra-reflective)镜面会导引光线的前进。然而，极紫外光也是出了名的难以产生，系统需利用高能激光将液态锡的微型液滴转化为可发散极紫外光的电浆，再将极紫外光调整成集中的光束。

　　EUV光刻的必要性

　　使用193纳米光线的光刻技术能够发展至今，已超出了许多人的预期，但再往下发展不仅技术挑战高，成本也相当昂贵：为了持续缩小芯片尺寸，业界必须持续挖空心思，无所不用其极。试想，您正在用麦克笔签名，但是被要求字需越写越小，缩小到一定程度后，您势必会希望换一支比较细的笔吧？EUV光刻系统就是这一支细字笔。芯片业者能透过这套系统，持续生产更小、更快、更强大的芯片，同时还能控制成本。

　　EUV光刻的意义

　　ASML预计其客户在2018或2019年后，便会开始将EUV光刻使用在大规模生产上。这代表搭载了以EUV光刻技术生产之芯片的第一批电子装置，将可在2020年前上市。而下一件大事是什么？没有人知道。但可以确定的是：我们身处全球最具创意及创新的产业，不论是虚拟现实（VR）、健康应用、自驾车或物联网（IoT），都可望受惠于光刻技术的发展而持续向前迈进。

　　EUV光刻技术发展的里程碑

　　1990年代：极紫外光研究计划在日本、美国、荷兰等地相继展开。就在蔡司展现了打造极紫外光镜片的能力后，这项研究也获得了高度瞩目。在一场产业会议上，“软X光光刻”（Soft X-Ray Lithogaphy），也就是后来所称的极紫外光，更获赞为“未来的制造科技”。

　　2001年： ASML投入人力与资源参与极紫外光计划，目标在打造出可行的系统原型。

　　2006年：头两套EUV光刻系统原型Alpha Demo Tools正式出货。这两套系统分别安装于比利时的微电子研究所（IMEC）与美国的纽约州立大学理工学院（SUNY）。

　　2007年：位于荷兰费尔德霍芬（Veldhoven）、占地1万平方公尺的无尘室阶段性工程开工。这是第一间专为EUV光刻技术打造的无尘室。

　　2010：第一套EUV光刻研发系统NXE:3100正式出货给一间亚洲芯片业者的研究设施，并在圣诞夜成功发射出“第一道光”。

　　2012年：为加速次世代光刻技术的发展，英特尔（Intel）、台积电、三星电子（Samsung Electronics）等关键厂商都加入了ASML的客户联合投资项目（Customer Co-Investment Program）。参与厂商皆同意在接下来的5年内投入次世代光刻技术的研发，并买下ASML部分股份。

　　2013年：第一套NXE:3300B EUV光刻系统正式出货，并使用于客户的制程发展。同年，ASML完成了圣地亚哥光源供货商西盟科技（Cymer）的收购，目的在加快EUV光刻技术的发展速度。

　　2015年：第一套NXE:3350B EUV光刻系统正式出货，此系统在可用性及生产力方面都有长足的进步。而可应用于大量制造的新一代NXE:3400B EUV光刻系统也于这年接到第一笔订单，预计于2017年出货。

　　2016年：客户开始大量下订单，EUV光刻系统的未出货订单量因此达到约20亿欧元。这些订单显示客户已开始将EUV光刻技术投入生产。

　　EUV相关数据：

　　一套EUV光刻系统包含10万个零件、3千条电线、4万个螺栓与2公里长的软管

　　一套EUV光刻系统重约18万公斤

　　一套EUV光刻系统需藉由40个货柜、20台卡车以及3架货机才能完成运送

　　截至2016年底，全球共有15套EUV光刻系统在客户的晶圆厂内运作

　　这些EUV光刻系统在客户的晶圆厂内，总共完成了超过70万片晶圆的曝光

　　EUV光刻系统所使用的镜片需极度平坦 — 想象假设你要制做一个像德国般大小的镜片，其最高的凸起物必须低于1mm

　　ASML以每秒5万次的频率，对液态锡的液滴发射高能激光来产生极紫外光

　　EUV光刻系统可精确控制光束，其精准度就好比从地球上发出的手电筒光线，可以照到放置在月球上的一枚50分欧元硬币一样

　　一套EUV光刻系统包含一个重达7,600公斤的大型真空室 (vacuum chamber)