解读国产光刻机困局（八）中国的EUV光刻机原型到底是什么？

　　--我们从哪里来？又到哪里去？
　　前次我们初略探讨了长春光机所的EUV光刻机演示系统的2镜头球面Schwarzschild物镜 ,今天给大家仔细聊聊长春光机所--也可能是中国唯一的一套EUV光刻机原型到底是什么 。2003年长春光机所：金春水博士的EUV蓝图
　　2003年 ，历经千辛万苦完成国内首套可曝光EUV实验装置 、初将毕业的长春光机所博士金春水，在博士论文里写下如下这段话（图1，图2）：
　　＂制约我们目前EUVL研究的最主要障碍是光学元件的抛光精度 ，正如在本文中提到的，现有Schwarzschild微缩投影物镜的主次镜加工精度距EUVL的要求还有相当的差距 。＂
　　图1：金春水博士论文最后一页的研究工作展望
　　20年前，长春光机所的光学加工精度，与国外的差距有多大？今天可能已经没有必要再去详细对比了。我们需要更多的研究的是：在EUV光学镜头的技术范畴内，20年后的今天我们还有多少差距？ 而这二十年中国又能制造什么样的EUV光刻机原型呢？
　　图2：金春水博士撰写的论文《极紫外投影光刻原理装置的集成研究》1989-2010年：EUV光刻机从实验室到量产的5大基本装置形态
　　我们知道，EUV光刻机有三大基本功能性的参数：
　　1）光刻分辨率 ；
　　2）单次曝光视场 ；
　　3）步进完成晶圆级曝光 。
　　EUV在长达30年的历史发展中，一共出现5大基本的装置形式 ，我们大概地了解一下，才能深刻地理解国内的真实的研究状态：
　　1，1989-1999年：Schwarzschild二镜头静态曝光系统
　　日本学者Kinoshita教授1989年报道的Schwarzschild二镜面静态曝光系统 ，该系统使用的凹面和凸面W/C多层膜反射镜尺寸分别是是25和10 mm，镜面表面粗糙度小于0.6nm。其只能进行静态的小于mm级别的曝光视场。（图3）
　　我之前介绍过，金春水教授的博士论文中描述的系统便是这个Schwarzschild二镜头静态曝光系统 。
　　图3:日本学者Kinoshita教授1989年报道的Schwarzschild二镜面静态曝光系统
　　2，1999-2013年：微曝光工具MET
　　微曝光工具MET（Micro-exposure tool）主要是基于2镜头系统下进行的升级，主要目标是进行提升静态曝光下的分辨率的研究、进行光刻胶等配套物料开发等。
　　MET工具曝光视场仅有0.2mm*0.6mm ，并且不能进行步进动态扫描曝光，因此MET只是一个实验系统，完全没有任何生产能力 。
　　MET工具一共推出多个版本，从而不断提升系统的分辨率，而02专项中长春光机所就是利用这套系统原理进行分辨率提升的 ，这个我们稍后具体介绍。
　　MET工具标志着具有开展EUV光刻配套研究的能力。
　　图4:MET工具一般具有200x600 um2的静态曝光视场
　　3，1999-2002年：基于4镜头EUV光源工程测试平台ETS
　　这个之前详细介绍过，EUV光源工程测试平台（Engineering Test Stand，ETS） 是一个4镜头的可进行步进全视场曝光的系统，该系统 演示了所有EUV光刻机的组件和子系统 （图5：包括光源源室和主曝光室)。
　　ETS平台 是EUV开发从实验室工具到具有试产能力的ADT工具的过渡， 标志着具有研发量产型EUV光刻机的能力 。
　　图5：4镜头ETS工具示意图
　　4，2003-2006年：基于6镜头曝光光学系统的工具ADT
　　ADT(Alpha demo tool)工具集成了6镜头的曝光光学系统 主要测试曝光成像、光阻剂、掩模版等。其分辨率达到30nm，曝光视场达到26mm*33mm ，并且完全具备步进扫描曝光能力。（图6）
　　这相对于ETS的0.2mm*0.6mm微区曝光视场，可以说是天壤之别。
　　ADT工具是具有制造量产型EUV光刻机设备能力的标志！
　　图6：基于6镜头的宽视场曝光光学设计
　　ASML成为幸运儿，继承了美国的EUV开发系统，成功开发了世界首款 Alpha Demo Tool（ADT） 。Alpha就是＂阿法尔狗＂的阿尔法，意为＂全球首款EUV光刻试产工具 ＂。（图8）
　　图7：基于6镜头的ADT工具，其分辨率可达30nm
　　5，2006-2010年：基于6镜头的商用化EUV设备NXE3100
　　基于ADT工具的成功，ASML于2010年正式推出 NXE3100量产EUV机型 ，分辨率达到27
　　nm，当时由于受到采用的EUV光源功率限制，所以其每小时处理晶圆的能力只有8片。（图8）
　　NXE3100标志着EUV光刻机商业化的正式开始。
　　图8：NXE3100：早期在台积电工厂每小时曝光晶圆数为82016年：长春光机所
　　2016年7月4日长春光机所报道02专项现场验收中提到的8年研发攻关的成果：
　　＂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 ，国内首次获得EUV投影光刻32 nm 线宽 的光刻胶曝光图形＂。
　　现在我们知道了：
　　长春光机所02专项研发的，也是中国可能唯一一套EUV光刻机原型，实际上就是一台微区曝光工具MET。
　　长春光机所的MET系统长什么样子呢？图9是公开的装置图镜头部分及测试数据，大家可以一窥真容，其参数大致如下：
　　1） NA=0.25；
　　2）曝光视场 0.5mm*0.3mm；
　　图9：长春光机所的MET镜头系统及测试数据
　　大家可能想了解这套MET工具是一个什么水平，那么需要什么条件可以实现32nm的线宽分辨率的MET工具呢 ？我们先看一下美国先后开发的两个系列的MET工具的大概数据：
　　1，美国第一代MET-1工具
　　2005年推出的第一代MET工具，采用了由蔡司制造的光学孔径NA=0.3的EUV曝光系统，早期可以达到30nm分辨率 。（图10）
　　图10：Intel首台MET曝光工具系统
　　而至2015年，NA=0.3的MET系统已经可以实现13nm分辨率 。（图11）
　　图11：美国劳伦斯伯克利国家实验室2015年在0.3NA的MET系统实现13nm分辨率
　　2，美国第二代MET-5工具
　　为了将MET系统分辨率提升至10nm以下 ，美国在劳伦斯伯克利国家实验室的高级光源设计制造了0.5NA的MET系统。（图12,13）
　　图12：采用蔡司的0.5 NA曝光系统的MET-5工具
　　图13：MET-5在美国高级光源安装示意图
　　所以，从上面这些简单的资料可以看出，02专项的MET工具可能还没有达到2005年的第一代MET工具的技术水平。
　　我在这里更详细一点地解释长春光机所02专项一期验收的＂32nm＂的概念 ，这并不是一个可以和ASML光刻机分辨率相比较的数据：
　　1）因为没有采用6镜头曝光光学系统，因此不具备26mm*33mm的宽曝光视场能力 ；
　　2）因为没有采用步进曝光系统，只能在0.2mm*0.6mm甚至更小的微区进行局部静态曝光实验 ；
　　3）因为没有采用采用商用MOPA激光器的EUV光源，因此其无法实现基本的快速曝光能力 。
　　为了避免更多人误解，我在这里强调说明：
　　1）千万不要看到一个分辨率数据，就认为我们具备了EUV光刻机制造能力！
　　2）千万不要看到一个光源功率数据，就认为我们具备了EUV光刻机制造能力！
　　3）千万不要看到一个0.1nm镀膜机，就认为我们具备了EUV光刻机制造能力！
　　万里长征才开始而已。结语
　　2003-2010年是光刻机从EUV光源工程测试平台ETS，向量产研发型的6镜头曝光光学系统ADT过渡，以及向最终的量产型EUV光刻机设备制造的关键时期。ASML正式跃上EUV技术缓缓上升的舞台中央！
　　而由于中国几乎放弃了这个领域，鲜有EUV光刻机的研发工作，无法及时参与研究。直到此后的02专项开始，中国只能将一切从最基础的实验室微区曝光装置开始研究。
　　朋友们，还记得2006年王占山博士的建议吗：
　　＂最后建议我国能够抓紧时间，尽快启动相关研究，推动我国相关领域的发展 ＂。
　　我在很多场合，在聊到技术的时候，都会很谨慎地说，20年的技术差距已经算是小的！朋友们现在稍微能理解了吗？
　　下次见！
　　图14：ASML的ADT装置图
　　参考1:https://sci-hub.se/10.1116/1.584507
　　参考2:https://escholarship.org/uc/item/645415mp
　　参考3:http://euvlsymposium.lbl.gov/pdf/2015/Oral_Wednesday/Session9_EUV%20Lithography%20Extendibility/S9.1_Kaiser.pdf
　　参考4:https://www.euvlitho.com/2016/P68.pdf
　　参考5:https://doi.org/10.1117/12.657348
　　参考6:http://euvlsymposium.lbl.gov/pdf/2006/pres/D2%20Invites%20Speaker_Kuerz.pdf
　　参考7:http://euvlsymposium.lbl.gov/pdf/2010/pres/ET-07.pdf
　　参考8:ww.sematech.org/public/resources/litho/euvl/euvl2000/documents/707_SYS07_taylor.pdf
　　参考9:http://www.sematech.org/public/resources/litho/euvl/euvl2000/documents/hudyma.pdf
　　参考10：https://met.lbl.gov/
　　参考11:https://www.cxro.lbl.gov/MET