光刻是大规模集成电路芯片制备的核心工艺环节。其中，EUV光刻机是服务于7nm以下制程芯片制造的设备。生产EUV光刻机的技术壁垒极高，除了光刻机结构的整体设计外，其零部件工艺也是目前光学及精密机械领域的极限水平。目前，德国的光学镜头、英国的真空设备、美国的激光光源、日本的光刻胶等国际尖端技术，组成了整个EUV光刻机制造的产业链条。

当前，全球仅有荷兰ASML公司具备生产EUV光刻机的能力。这主要是因为荷兰在欧洲所处的贸易环境较好，以及欧盟国家具备相关产业优势。再加上自身拥有出色的设计能力，该公司垄断了EUV光刻机的国际市场。

EUV光刻决定芯片制程工艺

EUV光刻是所有芯片生产的核心步骤。看似简单的一个曝光过程，决定了芯片的整个制程工艺。

光刻本身的技术路线并不复杂。光刻就是将已经涂覆好光刻胶的圆晶和制备好的掩膜版插入光刻机中，用扫描仪记录掩膜版图像，再通过一组投影光学器件进行掩膜传输。之后驱动EUV光源，发出紫外光照射光刻胶。这是一种步进扫描式投影曝光技术，光刻胶镜头在其中起到了非常重要的作用。EUV光线经过镜头聚焦后，通过整形投射在掩膜版上。高质量的光学镜头能够将掩膜版的图形完整地投影在光刻胶上，光刻胶通过光化学反应得到相应图形，后续再经过刻蚀步骤，在硅基上得到最终的芯片结构。

由于聚焦镜头在光刻中起到了决定性作用，当前技术发展的主要目标就是提高EUV光刻机的数值孔径（NA）。根据瑞利公式，将数值孔径从0.33增加到0.55，可以成比例地提高可实现的临界尺寸，将0.33NA系统的13nm提升至0.55NA系统的8nm。预计在2023年，第一个0.55NA EUV系统将完成研制。该系统将具有一个变形镜头系统，在一个方向上具备4倍缩小率（与0.33 NA相同），在正交的另一个方向上具备8倍缩小率。

EUV光刻机是一套非常复杂的系统，主要零部件数量就超过了10万个。光刻机严苛的输出条件还要求整个系统具备极高的稳定性，所有部件或子系统具备足够的鲁棒性。因此，EUV光刻技术的所有关键环节均达到了目前物理和机械工艺的极限水平，生产难度相当大。对于EUV技术开发而言，目前的技术卡点主要集中在光源、掩膜版、光学镜头、精密控制系统等环节。

在光源方面，极紫外光源的发光原理虽然是明确的，但其发光过程需要激光技术、流体控制技术等复杂环节相互配合。在激发等离子体发光的过程中，如何精确控制激光脉冲，如何降低等离子体气氛中的各种杂质污染物是难点。

在掩膜版方面，掩膜版本身是光刻工艺中的核心环节，决定了芯片微结构的具体形式。掩膜版表面多层抗反射膜的制备和防污染问题是目前存在的关键难点。

在光学镜头方面，目前EUV光刻机使用的镜头是一种复杂镜头组合结构。该结构通过不同镜头的特征匹配来抑制像差，通过增大通光口径来提高系统的截止频率。每块镜片必须使用高纯度透光材料，并且要经过高质量抛光。超高精度的抛光技术一方面依赖于高性能抛光设备，另一方面则与长时间积累的抛光工艺和经验息息相关。

在精密控制系统方面，EUV光刻机作为一个加工设备，拥有两个同步运动的工件台，分别为载底片和载胶片。两者需始终保持高度同步，误差必须控制在2nm以下。两个工作台由静到动，加速度非常大，因此控制难度也相当大。

环境对于高精度光学设备工作性能的影响也是不能忽视的。温度、湿度、振动都会影响光学系统的结构，任何一点变化都将导致光路发生偏移，影响到最终的光刻效果。环境参数的获取，需要高精度、快速响应的传感器件，这也是目前业内面临的一个卡点。

EUV光刻技术市场前景和发展趋势

EUV光刻机不是应用消费产品。作为高端制造设备，EUV光刻机的实际市场规模并不大。ASML预计，今年EUV设备的出货量有望达到50台。虽然出货设备的绝对数量有限，但是因为附加值高，最终产值会非常可观。随着芯片在各领域的大量使用，芯片制造将成为一个重要的增长点，因此目前，ASML的产能还不能满足市场需求。

EUV光刻机的使用催生了EUV曝光设备的巨大需求。随着芯片制程工艺的提升，台积电和三星已采购大量EUV光刻机，存储芯片制造商SK海力士也开始使用EUV光刻机，未来5年将大幅增加采购量。美光科技计划在2024年开始使用EUV设备。相关芯片生产厂商将进一步增强高端芯片的下游市场活力，推动EUV技术迎来广阔市场空间。

在EUV光刻机未来发展方向方面，当前，ASML正在加速NA从0.33向0.55演进。预计2025年后，0.55数值孔径的EUV光刻机能够实现量产，不仅有望为1.5nm及1nm逻辑制程工艺提供支撑，还将在目前最先进的DRAM制程中得到应用。对于0.55 NA的光刻机而言，仅仅是光刻机系统的更新是不够的。作为一个高协调性的复杂光学设备，光刻机中的任何一个部件变动都需要进行整体性的设计改良，因此为了配合0.55镜头的升级，光掩膜、光刻胶叠层和图案转移工艺等方面也需要进行优化，以确保整个光刻机的良好性能。

三维掩膜成像的研究也是目前EUV技术发展的一个重要方向。结合大NA透镜的结构及光学特性，业界需要对掩膜版材料进行优化。大NA透镜会让光线辐照角度变大，因此业界需要对掩膜吸收层的厚度进行重新优化，以确保照明光路的正常。发展更高效的设计算法，推动计算光刻技术的发展也将对EUV整体工艺技术的发展起到推进作用。

EUV光刻领域的明星企业和成长性企业

从全球历年的光刻机出货数据可以看出，ASML、尼康和佳能三个企业占据90%以上的光刻机市场份额。其中，ASML一家公司的市场份额就占到了60%以上。在EUV光刻机领域，ASML是唯一的生产商。

EUV光刻机的研制首先离不开大量的资金投入。据悉，ASML每年在技术研发环节投入的资金占销售额的10%以上。

此外，EUV光刻机是一个复杂的光机系统，涉及的技术领域十分广泛，所以整机的研制过程需要不同领域的研发机构来共同完成。就ASML的产品开发过程而言，EUV光刻机的研发一开始就采用了全球合作的发展路线。ASML不仅在技术上集合了欧美各国最先进的光学、机械、控制技术，在公司运营发展思路上也采用了并购、控股等灵活的合作形式，以及时获得最先进技术的支撑。

尼康与佳能目前虽然还没有完整研制出EUV光刻机整机，但这两个公司在光刻机研发生产领域拥有很强的技术储备。经过多年的发展，日本在半导体行业具有非常突出的产业生态优势，尼康与佳能也各自构建了完善的半导体业态。此外，由于日本对高精尖材料生产链极为重视，在政策支持上不遗余力，尼康和佳能突破EUV技术瓶颈的可能性很大，有可能完成EUV光刻机研发任务。

（来源：中国电子报）