EUV极紫外光刻机使用的投影物镜究竟多难造？全球仅蔡司掌握

互推小编 2023-05-24

最近，光刻机的话题又变得火热了起来，那制约国产光刻机发展的技术难题有哪些呢？

什么是光刻机呢？简单理解，通过一系列的光源能量、形状控制手段，将光束透射过画着线路图的掩模，经物镜补偿各种光学误差，将线路图成比例缩小后映射到硅片上的一种机器。

工件台和投影物镜、光源并称为光刻机的三大核心子系统。其中光刻机光源是中科院光电研究院的项目,由北京科益虹源负责产业转化。要知道，光刻机的光源此前只有两家公司提供,分别为美国Cymer公司和日本Gigaphoton公司，前者已经被ASML全资收购。光刻机的光源部分由上海光机所负责。

但是光刻机的物镜，中国一直没有彻底掌握，物镜的作用非常重要，物镜由20多块镜片组成，主要作用是把掩膜版上的电路图按比例缩小，再被激光映射到硅片上，并且物镜还要补偿各种光学误差。

要制造光刻机使用的物镜，需要满足7大要求，大家可以看看，具体的我也就不讲了。

1) 可实现的光阑面设置, 一般位于第 2 ～ 5 个反射面的某一面上;
2) 足够大的物方、像方工作距, 保证掩模和硅片的轴向安装空间;
3) 无渐晕设计, 每个反射面的反射区域和通光区域之间都要留有一定的边缘余量 ;
4) 能够配合反射式掩模使用, 光线以小角度入射到掩模上;
5) 高分辨率;
6) 极小的畸变;
7) 像方远心。就是说孔径光阑位于物镜物方焦面，出射光束的主光线平行于光轴，出瞳位于无限远，

总结来说，光刻机物镜的设计、制造是一项极为复杂的系统工程，融合了光学、机械、电子和软件等一系列技术，这是光刻机当中最昂贵最复杂的部件之一。

中国光刻机巨头上海微电子花了20多年的时间，才攻克第四代步进扫描投影光刻机，有很大一部分原因就是因为镜片。

尤其是目前最顶级的EUV光刻机，更是只有蔡司才能够提供镜头。

因为EUV光刻机工作波长为 13.5 nm 的极紫外波段，在光源技术、光学系统、极紫外多层膜技术、反射式掩模技术、超高精度控制技术、抗蚀剂技术、光学元件加工与检测技术等方面都与传统的光学光刻有着本质的区别。所以传统的透射式光学元件无法发挥作用。需要用到多层膜反射镜，要求的是高精度与大口径。镜片的高精度要求高质量熔炼，但熔炼中降应力、提纯度、去气泡条纹这些加工过程本身就难以控制。

在整个光学界，仅有蔡司可以制作如此复杂、精密的镜片。蔡司加工的EUV光刻机物镜有多完美呢，用欧洲专利局的说法，如果把一个镜面的面积比作德国国土面积，那么蔡司提供的多层膜反射镜表面粗糙度可以控制在海拔1mm以内。

从 1812 年最早的新月形相机镜头问世至今，光学镜头已经走过了二百多年的发展史。作为德国光学设备的巨头，蔡司1846年就已经成立，可以说见证了光学镜头的百年发展。

爱因斯坦都曾经在1925年写给友人的信中夸奖蔡司：

　“……要达到万分之一原来的精确度的时候，研磨技术上是如此困难，只有蔡司能够做得到，因此，每一台回转仪都必须送到蔡司公司做镜表研磨……”

拥有百年历史的蔡司凭借着自己在光学领域的积淀，在EUV极紫外技术的研发上更是大力投入，2020年EUV专利数量，蔡司占比18%排名第一，比光刻机的制造商ASML都还要高，ASML仅占比11%。这也是为什么蔡司长时间为ASML提供高性能光刻光学系统。

上海微电子总经理贺荣明曾经说过“同样一个镜片，不同工人去磨，光洁度相差十倍。”贺荣明在德国看到，抛光镜片的工人，祖孙三代在同一家公司的同一个职位。

当然，我们也不要气馁，国家已经派出了国家队来攻关EUV光刻机的光学系统，中科院长春光机开展了EUV光源、超光滑抛光技术、EUV多层膜及相关EUV成像技术研究，目前已突破了制约我国极紫外光刻发展的超高精度非球面加工与检测、极紫外多层膜、投影物镜系统集成测试等核心单元技术，成功研制了波像差优于0.75 nm RMS 的两镜EUV 光刻物镜系统，构建了EUV 光刻曝光装置，建立了较为完善的曝光光学系统关键技术研发平台。