中国EUV光刻机破晓之前(下)13.5nm光源科技长征:DPP, LPP?
落英行者
编辑于 2025年12月31日 21:26
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但是,EUV光源的工业路线之争还远远没有结束。

同步辐射固然可以产生亮度高、稳定的EUV光源,但显然更适合作为基础研究。

而DPP放电等离子体则可追溯至早期核聚变与等离子体研究。1950年代,苏联科学家瓦伦丁·卡多姆采夫(Valentin Kadomtsev)、美国科学家詹姆斯·塔克(James Tuck)等人在受控核聚变研究中,发现当大电流通过柱形等离子体时,自生磁场(azimuthal magnetic field)会产生向内的磁压力,将等离子体径向“箍缩”,使其密度和温度急剧升高。这种被压缩的高温等离子体会发出强烈的软X射线和EUV辐射。

随着1970年代,脉冲形成网络(PFN)、马克斯发生器(Marx Generator)、水介质脉冲线等高功率脉冲技术迅速发展,可产生数十kV、数百kA、百纳秒级的电流脉冲。美国桑迪亚国家实验室、苏联特罗伊茨克研究所专门搭建了小型Z箍缩装置,在电极之间注入氙、氪等惰性气体,或者锂、锡金属蒸汽,来产生EUV光源。

而在1970年代,美国劳伦斯利弗莫尔等国家实验室在研究激光与物质相互作用时发现,当高强度激光脉冲聚焦到固体、液体或气体靶上时,靶材表面会被瞬间电离,形成一个温度高达数十至数百万开尔文、并向全空间辐射X射线/EUV的高温高密度等离子体。1981年,IBM在放弃X射线的光刻路线后,首次明确提出将LPP激光等离子体作为未来EUV光刻的候选光源,并分析了其功率潜力。

可见,EUV光本质上是特定原子或离子在特定电子能级间跃迁时释放的光子,更准确的说,是非平衡等离子体中特定高价离子的线谱辐射或量子跃迁。而高温等离子体的轫致辐射、复合辐射均产生连续谱,导致在13.5nm处的光谱功率密度极低。比如电弧焊接会在电极与工件之间维持一个持续的气体放电等离子体通道,主要通过轫致辐射和复合辐射来辐射电磁波,其光谱特征为强烈的红外线、可见光连续谱、明显的金属原子发射线和紫外线,而EUV强度极其微弱。所以只有非平衡等离子体的线谱辐射能提供EUV高光谱功率密度,满足钼/硅多层膜和光刻胶的窄带需求。

线谱辐射强度可以通过原子谱线的理论计算来预测。在众多候选元素中,氙在11.3nm纳米附近有较强的辐射,但其在13.5纳米处的辐射效率相对较低,随着EUV路线被确定为13.5纳米,其被排除在外。而锂因为高化学活性,安全风险极高,且易产生蒸汽并沉积污染收集镜,加之能量转化效率仅为锡的一半,也被排除。而锡离子在13.5±0.135纳米、2%的窄带内能产生极强的辐射,而且能量转化效率可达5%以上。要知道,能量转化效率每提升1%,对整个EUV光刻系统的能耗、散热、成本和可靠性都带来指数级的改善。

DPP方案因其结构简单、高功率脉冲电源技术成熟,保持了一路领先。在2000年代初,DPP方案在实验室中率先突破100W的EUV功率大关。到2005年左右,国际上最先进的DPP原型机已经能够产生200W量级的EUV功率。这在当时看来,DPP方案看似前景光明。但随着功率提升,DPP的“阿喀琉斯之踵”暴露无疑,它存在一个致命的、无法通过工程手段彻底解决的物理缺陷:电极侵蚀与碎片污染。

在每一次高强度的脉冲放电过程中,任何材料的电极表面均会受到极端恶劣的环境考验:高能离子的猛烈撞击,巨大的电流会在电极局部产生极高的温度,强大的洛伦兹力会产生机械应力,这些效应共同导致电极材料被溅射(Sputtering)或蒸发(Evaporation),产生大量的高速、高能金属碎片。

而DPP放电等离子体是长度1–5mm、直径0.1–0.5mm的细长柱状,适合采用掠入射收集,而不是LPP点状等离子体的椭球收集。所以DPP采用环绕在箍缩等离子体柱周围的环形或碗状反射镜,通过全反射进行收集,好处是可以采用镀金的单层膜,无需复杂的多层膜。但为了高效收集,等离子体和收集镜的空间位置非常近,小于10mm。而LPP因为采用椭球收集,很容易把距离控制在300–500mm。

因此被溅射的DPP电极碎片会直接、高速地轰击收集镜表面,造成不可逆损伤。收集镜的反射率可能在几小时甚至几十分钟内就衰减到无法使用的程度。磁场约束、箔片陷阱等方案都只能在一定程度上“延缓”问题。这对于要求90%以上可用性和一年以上光学元件寿命的半导体大生产线来说,是完全不可接受的。所以Cymer、Gigaphoton、Nikon、Canon、Ushio等厂家均参与了早期DPP的研发,但均未形成可量产的产品。而ASML作为光刻机整机厂商,对所有光源方案都保持关注,但其内部评估很早就倾向于LPP的长期潜力。

LPP在早期最大瓶颈是高功率、高重复频率的驱动激光器。1990年代的主流高能激光器是1μm波长,轰击锡的EUV能量转化率小于1%。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室通过理论和实验发现,10.6μm长波长激光反而与锡等离子体的临界密度、吸收机制完美匹配,能实现大于5%的能量转化效率。于是CO₂激光器的潜力被重新认识!德国通快(TRUMPF)遂成功开发出平均功率大于10 kW、重复频率大于50kHz的CO₂激光器原型。

而且,因为驱动源(激光)是“干净”的,本身不产生碎片,且等离子体产生点(锡滴)可以被精确地放置在远离收集镜的位置。所以虽然锡等离子体自身会产生碎片,但这是单一、已知来源的碎片,可以通过氢气缓冲、化学清除、钌保护层等高效的工程手段进行管理。

于是当时DPP路线的领头羊Cymer在内部评估后,宣布全面转向LPP。2005年ASML决定其EUV光刻机将采用LPP光源,并展开了对Cymer的收购。最终EUV LLC联盟的技术报告中明确指出:LPP方案在功率可扩展性和长期可靠性方面具有根本性优势,是唯一能满足大规模生产要求的光源方案。”

如今,中国EUV原型机选择LPP光源方案,是对这段产业技术演化史的深刻理解与理性遵从。在如此高度复杂且已经收敛的技术领域,绕开国际社会以近30年时间跨度和数百亿美元代价验证的唯一可行路径,无异于重蹈历史覆辙。

在LPP方案中,以高功率激光精准轰击微米级锡滴,在真空中创造出一瞬即逝的”恒星“,其是一个集等离子体物理、量子光学、超强激光、纳米材料、精密机械、主动控制与极端热管理于一体的复杂巨系统。中国将以怎样的工程魄力和产业耐心,“驯化”出13.5纳米极紫外光呢?还是那句话,尊重规律,保持敬畏,充满信心,黎明就一定会到来。