如何粉碎一塊薄餅？這個(gè)問(wèn)題困擾著阿姆斯特丹納米光刻高級(jí)研究中心 (ARCNL) 的研究員迪翁·恩格爾斯 (Dion Engels)。

這里所說(shuō)的薄餅指的是被粉碎的錫滴，它在 ASML 的光刻機(jī)中每秒被引爆五萬(wàn)次。這會(huì)產(chǎn)生等離子體，發(fā)射出極紫外 (EUV) 光：一種極紫外輻射，將高度精細(xì)的芯片圖案投射到硅片或晶圓上。

集成的晶體管越多，芯片的性能就越強(qiáng)。得益于 EUV 光刻機(jī)，如今用于手機(jī)或人工智能數(shù)據(jù)中心的最先進(jìn)處理器上的芯片設(shè)計(jì)線間距僅為幾十納米——百萬(wàn)分之一毫米。

ASML 與美國(guó) Cymer 實(shí)驗(yàn)室合作研究 EUV 技術(shù)長(zhǎng)達(dá)二十年，發(fā)現(xiàn)粉碎錫滴可以產(chǎn)生更多的 EUV 光。其結(jié)果是：生產(chǎn)英偉達(dá)、蘋果、三星或英特爾先進(jìn)芯片的機(jī)器很快就會(huì)更加高效地運(yùn)轉(zhuǎn)。

ASML 系統(tǒng)的許多基礎(chǔ)設(shè)計(jì)都誕生于阿姆斯特丹東區(qū)的科學(xué)園。ARCNL 成立于十年前，與阿姆斯特丹大學(xué)合作成立。其推動(dòng)力來(lái)自 ASML 的技術(shù)總監(jiān)兼聯(lián)席總裁 Martin van den Brink，他于去年退休。ARCNL 承擔(dān) ASML 三分之一的預(yù)算（每年約 400 萬(wàn)歐元），以便 80 名科學(xué)家能夠研究光刻技術(shù)的基本原理。

重點(diǎn)是 EUV（極紫外光刻），ASML 是唯一一家掌握這項(xiàng)技術(shù)的芯片設(shè)備制造商。這些系統(tǒng)如今創(chuàng)造了數(shù)十億歐元的營(yíng)業(yè)額，但在 2015 年，ASML 卻難以確保這些昂貴的設(shè)備（最新版本造價(jià)近 4 億歐元）可靠運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)盈利。ARCNL 的任務(wù)是改進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)，并研究在 EUV 失效的情況下的替代方案。

Wim van der Zande 自 2022 年起擔(dān)任 ARCNL 主任，此前曾在 ASML 的研究部門工作。ARCNL 的學(xué)者們與 ASML 在費(fèi)爾德霍芬和圣地亞哥的研究人員以及荷蘭和國(guó)外的技術(shù)大學(xué)合作?！斑@是一個(gè)完整的生態(tài)系統(tǒng)，”Van der Zande 說(shuō)道。

ARCNL 的研究領(lǐng)域與 ASML 相關(guān)，ASML 是首批有機(jī)會(huì)評(píng)估新想法的公司。這種合作令人想起 NatLab。這家前飛利浦實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)造了 CD 播放器等著名發(fā)明，也為 ASML 的光刻技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。NatLab 進(jìn)行了開(kāi)創(chuàng)性的研究，即使沒(méi)有直接的商業(yè)應(yīng)用，最終也被飛利浦削減。

ARCNL 的科學(xué)家們堅(jiān)信 ASML 面臨的最大挑戰(zhàn)是：經(jīng)濟(jì)可行性。畢竟，不能為芯片制造商創(chuàng)造利潤(rùn)的機(jī)器是賣不出去的。 ASML 每年在研究上的投入超過(guò) 40 億歐元，遠(yuǎn)超其他荷蘭公司，因此可以將 ARCNL 納入自己的管理。但這將損害其學(xué)術(shù)抱負(fù)。

”商界只顧眼前利益，可能會(huì)突然叫停一個(gè)項(xiàng)目?！癆RCNL 主任Wim van der Zande說(shuō)。

Van der Zande：“作為一名科學(xué)家，你可以在一個(gè)研究項(xiàng)目上工作數(shù)年，但商界只顧眼前利益，可能會(huì)突然叫停一個(gè)項(xiàng)目?！?盡管如此，大約四分之三的 ARCNL 研究人員在獲得博士學(xué)位后都會(huì)去 ASML 工作。

以英特爾創(chuàng)始人戈登·摩爾命名的摩爾定律預(yù)測(cè)，芯片上的晶體管數(shù)量每?jī)赡昃蜁?huì)翻一番。如今，芯片制造商正在將數(shù)百億個(gè)微型開(kāi)關(guān)塞進(jìn)指甲蓋大小的表面上。

芯片元件尺寸縮小的速度正在放緩，因?yàn)樾酒O(shè)計(jì)變得越來(lái)越高：制造商正在將芯片元件粘合在一起，并想出更智能地排列晶體管的方法，例如從底部供電。

這就是新的現(xiàn)實(shí)，ASML 研究部門負(fù)責(zé)人 Jos Benschop 表示?！皫资陙?lái)，每個(gè)新節(jié)點(diǎn)（芯片代）的長(zhǎng)度和寬度都縮小了 70%?，F(xiàn)在這個(gè)數(shù)字大約是 20%?！?/p>

但密度仍在不斷增加。最先進(jìn)的EUV光刻機(jī)可以打印間距為8納米（相當(dāng)于32個(gè)硅原子的距離）的線條。當(dāng)芯片線條如此靠近時(shí)，量子效應(yīng)就會(huì)潛伏——電子會(huì)表現(xiàn)出不可預(yù)測(cè)的行為。

自20世紀(jì)90年代末以來(lái)一直致力于EUV研究的Benschop表示，事情并沒(méi)有那么快發(fā)展：“根據(jù)最初的收縮速度，我們將在2065年左右達(dá)到四分之一納米（兩個(gè)硅原子之間的距離）的水平。我們很可能在下個(gè)世紀(jì)中葉達(dá)到這個(gè)水平?！?因此，ASML可以在未來(lái)幾十年繼續(xù)盡可能高效地縮小尺寸。但如何實(shí)現(xiàn)呢？

與復(fù)印機(jī)一樣，光刻機(jī)也包含光源和投射圖像的透鏡或反射鏡。能夠成像的最小尺寸取決于光的波長(zhǎng)和透鏡的開(kāi)角（數(shù)值孔徑，NA）。

由于新光源需要在整個(gè)芯片行業(yè)進(jìn)行調(diào)整，ASML 總是首先改變其自身設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)。目前的 EUV 系統(tǒng)開(kāi)角為 0.33 NA，而新的高 NA 設(shè)備則可提供 0.55 NA。為此，ASML 的合作伙伴蔡司必須使用更大的反射鏡，直徑可達(dá)一米以上。蔡司還必須開(kāi)發(fā)復(fù)雜的測(cè)量設(shè)備，以原子級(jí)精度記錄偏差。

ASML 和蔡司目前正在研發(fā)其繼任產(chǎn)品 Hyper-NA，其孔徑為 0.75。Hyper-NA 鏡片不一定要更大。Jos Benschop 在白板上畫(huà)了個(gè)草圖：“你也可以把最后一面鏡片放在離晶圓更近的地方，這樣也能達(dá)到同樣的效果。缺點(diǎn)是會(huì)反射更多光線——這就是使用鏡片的弊端?！?/p>

Hyper-NA 也有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)：更大的開(kāi)口角度可以處理更多光線，就像你倒空一個(gè)寬口瓶比倒空一個(gè)窄口瓶更快一樣。因此，Hyper-NA 不僅可以打印更清晰的線條，而且速度也更快。

與其前代產(chǎn)品相比，笨重的激光器使EUV光刻機(jī)成為耗電大戶。2015年左右，ASML公司以高功率（1.5兆瓦）制造了僅100瓦的EUV光刻機(jī)。目前運(yùn)行的機(jī)器輸出功率約為500瓦，并計(jì)劃將EUV光刻機(jī)的功率提升至1000瓦。

這將逐步提高系統(tǒng)的效率：ASML公司預(yù)計(jì)，到2033年，每片曝光晶圓的EUV光刻機(jī)能耗將比2018年降低約80%。

這種光源有點(diǎn)像一場(chǎng)超高速拳擊比賽。激光器首先輕輕敲擊下落的錫滴，使其變平，然后將其擊倒，導(dǎo)致錫滴爆炸并產(chǎn)生EUV光。這個(gè)過(guò)程每秒發(fā)生五萬(wàn)次；很快將提升到六萬(wàn)次。

ASML 將壓碎的錫滴稱為“煎餅”，但它更像是披薩，邊緣較厚。在爆炸過(guò)程中，很多錫會(huì)被剩余的錫粒所利用。粉碎并鋪展錫粒的效果更好。額外的激光輕擊會(huì)產(chǎn)生一團(tuán)微滴，然后將其轉(zhuǎn)化為等離子體。

為了更高效地利用來(lái)自德國(guó)通快公司的激光器，ASML 希望在前兩次輕擊中使用固體激光器。這樣可以降低能耗，從而為激光器留出更多能量用于最后的打擊。ARCNL 曾建議在最后一次打擊時(shí)也使用固體激光器——這樣可以節(jié)省更多能源。

大量的EUV光在光學(xué)系統(tǒng)中被吸收。每個(gè)鏡片反射率約為70%，這意味著經(jīng)過(guò)十個(gè)鏡片之后，剩下的光就所剩無(wú)幾了。高數(shù)值孔徑光學(xué)元件的鏡片數(shù)量更少，因此產(chǎn)量更高。但鏡片數(shù)量更少，透鏡誤差的校正也變得更加困難。

在特溫特工業(yè)大學(xué)，他們正在改進(jìn)反射涂層，該涂層由交替堆疊的鉬和硅層組成。一種材料反射，另一種材料透明?？偣灿写蠹s七十個(gè)“多層”互相疊加，每個(gè)層的反射率略低于3%?！巴ㄟ^(guò)這種方式，我們現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)了高達(dá)71%的反射率，接近理論上可實(shí)現(xiàn)的75%，”Marcelo Ackermann教授說(shuō)道。他領(lǐng)導(dǎo)著XUV光學(xué)團(tuán)隊(duì)，與蔡司和ASML合作研究涂層配方。該實(shí)驗(yàn)室以 Fred Bijkerk 教授于 20 世紀(jì) 90 年代初在 Nieuwegein 的 FOM 研究所啟動(dòng)的 EUV 研究為基礎(chǔ)。

計(jì)算看似簡(jiǎn)單：反射層厚度必須達(dá)到波長(zhǎng)的一半。關(guān)鍵在于精確的成分，以及將厚度僅為 10 納米的層層疊放。這通過(guò) Ackermann 稱之為“磁控濺射”的方法實(shí)現(xiàn)。與最初的 EUV 反射鏡相比，現(xiàn)在的“夾層蛋糕”各層之間的分離更加緊密，從而提高了光輸出。

他的實(shí)驗(yàn)室與 ARCNL 合作，還找到了解決 EUV 反射鏡上氣泡問(wèn)題的方案。這些氣泡在 ASML 提高 EUV 功率后立即出現(xiàn)。關(guān)鍵在于添加一種額外的材料。究竟是哪種材料呢？“這就是我們的秘訣，”Ackermann 說(shuō)。

1984年，ASML公司成立之初，光刻機(jī)使用的汞燈波長(zhǎng)為365納米或436納米。隨后，248納米和193納米的激光出現(xiàn)了，到2019年左右，芯片行業(yè)躍升至13.5納米。ASML公司并不指望這一點(diǎn)，但人們可以縮短波長(zhǎng)來(lái)投射更小的細(xì)節(jié)?？茖W(xué)家們正在嘗試6.7納米和4.4納米的波長(zhǎng)。有些元素可以為EUV反射鏡提供合適的透明度和反射率組合——對(duì)于6.7納米來(lái)說(shuō)，這些元素是鑭和硼。缺點(diǎn)是：波長(zhǎng)較短時(shí)，反射率較差。

為了制造6.7納米的光，ARCNL正在構(gòu)建一個(gè)以釓代替錫為材料的實(shí)驗(yàn)裝置。然而，更短的波長(zhǎng)并非靈丹妙藥。能量分布在更少的光子上，如果想要打印納米級(jí)的線條，就會(huì)增加出錯(cuò)的幾率。用專業(yè)術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)，就是隨機(jī)噪聲。“綜合考慮，我認(rèn)為我們采用更短波長(zhǎng)的可能性很小，”Benschop說(shuō)。

EUV 光不僅可以寫(xiě)入納米結(jié)構(gòu)，還可以測(cè)量它們。在 ARCNL，Stefan Witte 教授戴著護(hù)目鏡，在封閉的窗簾后，研究法國(guó)物理學(xué)家 Anne L’Hullier 的諾貝爾獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)研究成果。她發(fā)現(xiàn)，超短光脈沖就像樂(lè)器一樣，在與其他材料接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生泛音。這種現(xiàn)象可以用來(lái)檢查芯片圖案的質(zhì)量，甚至在生產(chǎn)過(guò)程中也能做到。

ARCNL 研究員 Peter Kraus 展示了一套測(cè)試裝置，用于記錄芯片材料在不同角度散射 EUV 光的方式?！拔覀兛梢杂^察到 5 到 10 納米的結(jié)構(gòu)，”Kraus 說(shuō)道。如此微小的細(xì)節(jié)是傳統(tǒng)光學(xué)計(jì)量系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

ARCNL 正在研究的另一種方法是光聲學(xué)：短光脈沖產(chǎn)生聲波，可以“透視”芯片層。隨著芯片結(jié)構(gòu)不斷縮小，同時(shí)三維尺寸不斷增大，這些信息變得越來(lái)越重要。

作為使用錫滴的EUV光刻機(jī)的備用方案，ASML在2015年左右對(duì)自由電子激光器進(jìn)行了研究。這種激光器利用磁鐵影響電子，可以產(chǎn)生任何波長(zhǎng)的光。這種自由電子激光器（FEL）的功率足以同時(shí)支持10到20臺(tái)光刻機(jī)。必須過(guò)濾掉如此大的能量，否則EUV鏡片就會(huì)失效。

FEL看似高效，但實(shí)際操作起來(lái)卻很棘手。粒子加速器占地一整棟建筑，因此無(wú)法容納在芯片工廠中。如果必須對(duì)光源進(jìn)行維護(hù)，則會(huì)導(dǎo)致多條生產(chǎn)線停工。如果芯片制造商只需要一兩臺(tái)額外的機(jī)器，那么如此笨重的光源也毫無(wú)用處。

ASML也曾與美國(guó)和日本的研究人員合作，認(rèn)真研究過(guò)FEL，但最終放棄了。盡管如此，美國(guó)初創(chuàng)公司Xlight宣布，計(jì)劃在2028年將FEL原型與ASML光刻機(jī)連接。

Jos Benschop堅(jiān)信，“激光等離子體”是產(chǎn)生EUV光最具成本效益的方式，尤其是在光源效率更高的情況下。但在中國(guó)，成本并非關(guān)鍵因素。該國(guó)目前不允許進(jìn)口EUV光刻機(jī)，因此考慮將自由電子激光器作為其自主研發(fā)先進(jìn)光刻機(jī)的潛在光源。

據(jù)中國(guó)科技網(wǎng)站報(bào)道，中國(guó)科技公司華為也在嘗試?yán)玫入x子體源制造EUV光刻機(jī)。目前進(jìn)展尚不明朗，但中國(guó)有一個(gè)優(yōu)勢(shì)：它不再需要證明這項(xiàng)技術(shù)是否有效——ASML已經(jīng)做到了。

“領(lǐng)先要復(fù)雜得多，”馬丁·范登布林克 (Martin van den Brink) 在 2015 年接受 NRC 采訪時(shí)說(shuō)道。“我們最初在光刻領(lǐng)域只是追隨者。你看到前面有人開(kāi)車，就會(huì)想：如果我跟著那些尾燈走，至少能走對(duì)方向。一旦你超越了競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，你就必須確定自己的方向?！?/p>