EUV與真空：半導體光刻工藝中不可或缺的真空系統
以下文章來源于真空聚焦 ，作者真空聚焦
我們都知道，半導體芯片產業鏈分為IC設計、IC制造、IC封測三大環節。光刻的主要作用是將掩模版上的芯片電路圖轉移到硅片上，是IC制造的核心環節，也是整個IC制造中最復雜、最關鍵的工藝步驟。
芯片在生產過程中一般需要進行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，晶圓上的光敏物質因感光而發生材料性質的改變，通過顯影，便完成了芯片從設計版圖到硅片的轉移。
一般的光刻工藝要經歷硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂膠、軟烘、對準曝光、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備，也是所有半導體制造設備中技術含量最高的設備，集合了數學、光學、流體力學、高分子物理與化學、表面物理與化學、精密儀器、機械、自動化、軟件、圖像識別領域等多項頂尖技術。光刻的工藝水平直接決定芯片的制程和性能水平，DUV / EUV 也被譽為半導體工業皇冠上的明珠。
作為現今世界上最尖端的技術之一，DUV / EUV 只有極少數國家掌握其技術核心。目前世界上最好的設備來自荷蘭的 ASML 。
根據所用光源改進和工藝創新，DUV / EUV 經歷了5代產品發展，每次光源的改進都顯著提升了其所能實現的最小工藝節點。在技術節點的更新上，DUV / EUV 經歷了兩次重大變革，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，經物鏡補償光學誤差，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，物鏡補償光學誤差，是設備的核心設備，其中物鏡系統一般由近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 最先進的浸沒式光刻系統 ，是 EUV 前的重要過渡產品，也是后期7nm/5nm產能的重要補充。
在2023年12月份，ASML 對外宣布，已經正式交付了首臺 2nm EUV 。據悉，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、光學系統、控制軟件、物鏡系統。
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器件和整個光束路徑的真空密封。
所以，EUV 的生產也需要專屬真空解決方案。以全球半導體行業真空解決方案供應商 Edwards 為例，Edwards 在2021年發布的“Understanding the integrated vacuum challenges of HVM EUV Lithography”中說明：過去11年中，已經發出超過120個 EUV 專用真空系統，并且完成安裝70多個 EUV 集成真空系統。
▲ TechInsights 發布2023年十大半導體設備商的排名，Edwards 與 ASML 一同上榜，位列第四。
另外，真空系統也會應用于對 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，確保關鍵光學器件不受污染。
▲ 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，其脈沖峰值功率可高達幾兆瓦；②③ 不斷滴下的錫珠被激光束擊中成為一個發光的等離子體，發射出波長為 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到掩模上，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境的高度關注。所以 EUV 真空系統中不僅有專為 EUV 工藝設計的真空泵，還需要裝配氫氣回收系統（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 設備內部需要真空環境外，其所需的光學配件在制備過程中也需要真空技術。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X射線或 EUV 光譜范圍內反射鏡的理想設備，其所需真空度< 9×10-7 Pa。
▲ NESSY 系統構造：1：Heated load lock 加熱負載鎖；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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