以下文章來源于真空聚焦 ，作者真空聚焦

我們都知道，半導(dǎo)體芯片產(chǎn)業(yè)鏈分為IC設(shè)計、IC制造、IC封測三大環(huán)節(jié)。光刻的主要作用是將掩模版上的芯片電路圖轉(zhuǎn)移到硅片上，是IC制造的核心環(huán)節(jié)，也是整個IC制造中最復(fù)雜、最關(guān)鍵的工藝步驟。 

芯片在生產(chǎn)過程中一般需要進(jìn)行20~30次光刻，耗費時間約占整個硅片工藝的40～60%，成本極高，約為整個硅片制造工藝的1/3。 

▲ 通過激光或電子束直接寫在光掩模板上，然后用激光輻照光掩模板，晶圓上的光敏物質(zhì)因感光而發(fā)生材料性質(zhì)的改變，通過顯影，便完成了芯片從設(shè)計版圖到硅片的轉(zhuǎn)移。

一般的光刻工藝要經(jīng)歷硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂膠、軟烘、對準(zhǔn)曝光、后烘、顯影、硬烘、刻蝕、檢測等工序。

而 DUV / EUV 則是光刻工藝的核心設(shè)備，也是所有半導(dǎo)體制造設(shè)備中技術(shù)含量最高的設(shè)備，集合了數(shù)學(xué)、光學(xué)、流體力學(xué)、高分子物理與化學(xué)、表面物理與化學(xué)、精密儀器、機械、自動化、軟件、圖像識別領(lǐng)域等多項頂尖技術(shù)。光刻的工藝水平直接決定芯片的制程和性能水平，DUV / EUV 也被譽為半導(dǎo)體工業(yè)皇冠上的明珠。

作為現(xiàn)今世界上最尖端的技術(shù)之一，DUV / EUV 只有極少數(shù)國家掌握其技術(shù)核心。目前世界上最好的設(shè)備來自荷蘭的 ASML 。

根據(jù)所用光源改進(jìn)和工藝創(chuàng)新，DUV / EUV 經(jīng)歷了5代產(chǎn)品發(fā)展，每次光源的改進(jìn)都顯著提升了其所能實現(xiàn)的最小工藝節(jié)點。在技術(shù)節(jié)點的更新上，DUV / EUV 經(jīng)歷了兩次重大變革，在歷次變革中，ASML 都能搶占先機，最終奠定龍頭地位。 

▲ ASML Twinscan 簡易工作原理圖：在IC制作過程中，光束穿過掩模及鏡片，經(jīng)物鏡補償光學(xué)誤差，將線路圖曝光在帶有光感涂層的硅晶圓上，然后顯影在硅片上。激光器作為光源，物鏡補償光學(xué)誤差，是設(shè)備的核心設(shè)備，其中物鏡系統(tǒng)一般由近20個直徑為200~300mm的透鏡組成。

TWINSCAN NXT：2000i DUV（雙工作臺深紫外）是 ASML 最先進(jìn)的浸沒式光刻系統(tǒng) ，是 EUV 前的重要過渡產(chǎn)品，也是后期7nm/5nm產(chǎn)能的重要補充。

在2023年12月份，ASML 對外宣布，已經(jīng)正式交付了首臺 2nm EUV 。據(jù)悉，每臺新機器的成本超過3億美元，體積有一整個卡車車箱大小。

頂級的 EUV（極紫外）有10萬個零部件，其中包括主要的四大件雙工件臺、光學(xué)系統(tǒng)、控制軟件、物鏡系統(tǒng)。

與 DUV（深紫外）不同，EUV 必須在真空條件下操作。這是因為兩者的光路系統(tǒng)及光源不同。DUV 光路主要利用光的折射原理，EUV 則是利用的光的反射原理；DUV 使用193nm波長的紫外光源，而 EUV 則以波長為10-14nm極紫外光作為光源。

極紫外光極易被介質(zhì)吸收，在空氣中容易損耗，只有真空才能最大程度保證光源能量不被損失。真空環(huán)境可以減少空氣流動波和空氣折射率引入的測量差。對于 EUV 來說，需要使用精密反射光學(xué)器件和整個光束路徑的真空密封。

所以，EUV 的生產(chǎn)也需要專屬真空解決方案。以全球半導(dǎo)體行業(yè)真空解決方案供應(yīng)商 Edwards 為例，Edwards 在2021年發(fā)布的“Understanding the integrated vacuum challenges of HVM EUV Lithography”中說明：過去11年中，已經(jīng)發(fā)出超過120個 EUV 專用真空系統(tǒng)，并且完成安裝70多個 EUV 集成真空系統(tǒng)。

▲ TechInsights 發(fā)布2023年十大半導(dǎo)體設(shè)備商的排名，Edwards 與 ASML 一同上榜，位列第四。

另外，真空系統(tǒng)也會應(yīng)用于對 EUV 的氫氣回收。

在 EUV 工作過程中，需要使大量的氫氣作為氣氛氣體流動，以防止錫氧化。同時，氫氣也可以防止顆粒污染物沉積在反射透鏡的表面上，確保關(guān)鍵光學(xué)器件不受污染。

▲ EUV 工作過程示意圖：① CO₂激光脈沖被放大到高功率，輸出超過30kW平均脈沖功率的激光數(shù)，其脈沖峰值功率可高達(dá)幾兆瓦；②③ 不斷滴下的錫珠被激光束擊中成為一個發(fā)光的等離子體，發(fā)射出波長為 13.5nm 的極紫外光；④⑤：極紫外光聚焦后，通過反射透鏡首先傳輸?shù)窖谀Ｉ?，然后照射到晶圓基片上。

由于氫氣在空氣中易燃，因此引起了人們對安全和環(huán)境的高度關(guān)注。所以 EUV 真空系統(tǒng)中不僅有專為 EUV 工藝設(shè)計的真空泵，還需要裝配氫氣回收系統(tǒng)（HRS），以回收和再利用大部分（至少 70%）的氫氣，減少 EUV 運作時的能源消耗。

除了上述 EUV 設(shè)備內(nèi)部需要真空環(huán)境外，其所需的光學(xué)配件在制備過程中也需要真空技術(shù)。比如 EUV 反射鏡的多層反射層，就需要高精密的真空鍍膜機。下圖中的 NESSY series 就是生產(chǎn)X射線或 EUV 光譜范圍內(nèi)反射鏡的理想設(shè)備，其所需真空度< 9×10^-7 Pa。

▲ NESSY 系統(tǒng)構(gòu)造：1：Heated load lock 加熱負(fù)載鎖；2. Handling for loading/unloading 裝卸裝置；3：Planetary substrate drive with sub-rotation and speed profiles 行星基板；4：Chamber lid for ease in service  維修腔體；5：Magnetron-sputtering cathodes PK 600 磁控濺射陰極PK 600；6：Adjustable sputter distance 可調(diào)濺射距離；7：Cryo pump 低溫真空泵；8：Dry pre-vacuum pump set 干式前級真空泵組

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