第50章 手搓 EUV 光刻機的可行性
在當今科技日新月異的時代，光刻機作為晶元製造的核心設備，其技術發展歷經了漫長而曲折的歷程。EUV光刻機更是其中的巔峰之作，代表著人類在微觀製造領域的極高成就。
回顧光刻機的發展歷史，20世紀60年代，接觸式光刻技術出現，它是小規模集成電路時期的主要光刻技術，掩膜版與晶圓表面的光刻膠直接接觸，解析度可達亞微米級，但晶圓與掩膜版易產生划痕和顆粒沾污。70年代，接近式光刻技術得到廣泛應用，掩膜版與光刻膠之間有氮氣填充的間隙，一定程度上減少了損傷，但受衍射效應限制，解析度極限約為2μm。
隨著集成電路尺寸的不斷縮小，投影光刻技術應運而生。其基於遠場傅里葉光學成像原理，採用具有縮小倍率的投影成像物鏡，有效提高了解析度。此後，光刻技術不斷演進，從乾式光刻發展到浸潤式光刻，進一步提高了光刻水平。
EUV光刻技術採用錫的電漿來產生波長為13.5納米的光源，以及用鉬硅多層反射薄膜來把光傳遞到晶元上，得在低真空中運作，技術難度更高。EUV光刻技術的研發可以追溯到二十多年前，當時眾多科研團隊投入其中，但在很長一段時間內都未能達到量產的技術要求。
例如，在光源功率方面就曾面臨巨大挑戰。早期的EUV光刻機光源非常弱，最佳狀態時只能輸出10瓦的功率，僅是現在量產機台的二十五分之一，而且可靠性低，經常故障。然而，科研人員並沒有放棄，通過不斷實驗和改進，逐漸提升了光源的輸出功率和穩定性。
再看光學系統，EUV光刻機的鏡頭需要採用高精度的非球面鏡，其面型誤差必須小於0.25納米，加工這種鏡子需要超精密的數控機床和檢測設備，這對製造工藝提出了極高的要求。
EUV光刻機的多層膜技術也至關重要，要在大面積上獲得高於60%且均勻的反射率，且多層膜的反射峰值波長匹配需在0.05納米之內，涉及到複雜的材料科學和鍍膜工藝。
儘管EUV光刻技術以實驗室形式的研發已經走過了二十多年，期間困難重重，但由於它對延續摩爾定律具有重要意義，人們始終沒有放棄。經過長期的努力和投入，如今EUV光刻機終於成為半導體先進位程中最重要的生產工具之一。
然而，要手搓EUV光刻機，在目前的技術條件下幾乎是不可能完成的任務。它需要龐大的資金投入、頂尖的科研團隊、先進的製造設備和完善的產業鏈支持。
首先，EUV光源的產生就是一個巨大的挑戰。它需要極其精密的激光等離子體技術，以穩定產生波長為13.5納米的極紫外光，這並非個人能夠輕易實現。
其次，光學系統的精度要求極高。製造光刻機的光學鏡頭需要超精密數控機床，以確保能加工出面型誤差小於0.25納米的非球面鏡，並且對鍍膜工藝也有苛刻要求。
再者，多層膜技術的難度也不容小覷，需要在材料科學方面有深入研究和精湛工藝，才能實現高反射率和精確的波長匹配。
此外，EUV光刻機還需要先進的控制系統，以在納米級別的精度下實現高速、高精度的光刻操作，這涉及到複雜的演算法和高速的電子設備，個人很難具備開發和調試這些系統的能力。
從材料的獲取到零部件的製造，再到系統的集成和調試，每一個環節都需要高度專業化的知識、設備和工藝。即使是擁有豐富資源和技術積累的大型企業和科研機構，在研發EUV光刻機時也面臨著巨大的困難和挑戰。
總之，EUV光刻機的製造是一個複雜而龐大的系統工程，是全球高端製造業共同努力的成果。雖然科技的發展充滿未知，但就當下而言，手搓EUV光刻機無疑是一項極具挑戰性、幾乎無法實現的任務。
極紫外線光刻機（extremeultraviolet，簡稱EUV光刻機），是以波長為10~14納米的極紫外光作為光源的光刻技術，可被應用於14納米及以下的先進位程晶元的製造。
EUV光刻機的原理是用波長只有頭髮直徑一萬分之一的極紫外光，在晶圓上「雕刻」出電路，從而製造出包含上百億個晶體管的晶元。其重要性不言而喻，例如華為的麒麟990系列晶元、蘋果手機的A14處理器（5納米工藝）以及M1處理器、三星的Exynos9825處理器等都是用EUV光刻機生產出來的，可以說7納米以下的晶元，沒有EUV光刻機很難製造出來。
光刻機的精度越高，能生產出的納米尺寸越小、功能更強大的晶元。EUV光刻機的解析度提升原理涉及公式：（其中R是整個系統的解析度，λ為系統的工作波長，NA為物鏡的孔徑，K為工藝因子常數），這意味著EUV光刻機的所有子系統都在圍繞降低工作波長、提升物鏡孔徑、壓制工藝因子常數等方面進行改進。
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然而，EUV光刻機的製造面臨諸多挑戰，其有八大核心技術，分別是光源技術、微縮投影光學系統、EUV多層膜技術、光學加工與檢測系統、掩模照明光學系統、反射式掩模技術、抗蝕劑技術、精密工件台技術。
EUV光刻機對光源要求較高，目前能滿足光刻設備製造商要求的主要是激光等離子體光源（LPP）。極紫外多層膜技術是EUV光刻機的核心技術之一，要求在較大面積上獲得高於60%且均勻的反射率，且系統中所有多層膜的反射峰值波長匹配需在0.05nm之內，這對多層膜的周期厚度重複誤差控制要求極高，達到了原子級。
EUV光刻機的光學系統使用的是由帶有鍍膜的非球面鏡組成的離軸反射系統，其中的非球面鏡加工難度極大，其面型誤差必須小於0.25nm，加工這種高精度鏡子需要超精密數控機床和高精度檢測裝置。我國在這方面面臨一定挑戰，不過也有一些好消息，如北京博魯斯潘和長光所合作搞出了一定程度上打破國外壟斷的ultr-700VG超精密物鏡磨床；而ASML最新的EUV光刻機因蔡司高NA孔徑非球面鏡難產而推遲交付，這或許為中國晶元產業追趕提供了機會。
在工件台技術方面，EUV光刻機的真空環境對如何散發大功率磁浮工件台產生的熱量並避免對其他器件產生熱變形影響有很高要求，因為熱變形會改變投影系統光軸和測量系統光軸之間的距離，導致套刻精度降低，影響成品率。
光刻機的價格昂貴，通常在3000萬至5億美元不等。2022年5月20日報道，荷蘭阿斯麥公司（ASML）正在製造的新款極紫外線（EUV）光刻機，每台售價約4億美元。
ASML公司在EUV光刻機領域佔據重要地位，掌握了大部分高端光刻機市場份額。不過，我國也在光刻機特別是EUV光刻機方面不斷努力尋求突破。例如，上海光機所去年申請了LPP-EUV光源的相關專利；華卓精科能做DUV光刻機的超精密工件台等。
光刻機技術的發展對於晶元製造至關重要，各廠商和研究機構都在不斷探索和創新，以推動晶元製造工藝的進步。同時，高數值孔徑（high-NA）EUV光刻機的出現是EUV光刻技術向更高精度、更高效率邁進的必然結果，它能夠進一步提升光刻的解析度，為製造更小、更精密的晶元提供可能，儘管其研發和製造成本高昂。
台積電今明兩年（2024~2025年）將接收超60台EUV光刻機，其投入將超4000億新台幣（約896.61億元人民幣）。而ASML在2025年產能的規劃是20台high-NAEUV光刻機、90台EUV光刻機和600台DUV光刻機。並且，台積電最快可能在2028年推出的A14P製程中引入high-NAEUV光刻技術，目前仍在評估其應用於未來製程節點的成本效益與可擴展性。另外，英特爾CEO在近日的財報電話會議上宣布已成功接收全球第二台價值3.83億美元的high-NAEUV光刻機，該設備即將進入英特爾位於美國俄勒岡州的晶圓廠，預計將支持公司新一代更強大的計算機晶元的生產。此前，英特爾已於2023年12月接收了全球首台high-NAEUV光刻機，並在俄勒岡州晶圓廠完成了組裝。
手搓EUV光刻機面臨著諸多巨大的難點和挑戰，主要包括以下方面：
1.極紫外光源的產生：EUV光刻機需要產生波長為13.5納米的極紫外光，這需要極其精密的激光等離子體技術。該過程不僅能耗大，而且要保持高度穩定和可控，難度極大。
2.光學系統的精度要求：光線需要經過一系列反射、聚束和投射等操作，這要求光學元件具有極高的精度和低散射特性，例如能夠達到光刻機要求的多層膜反射鏡，目前只有德國老牌鏡頭製造廠家蔡司能夠拿出來，以實現EUV波段的高反效率。此外，還需應用表面處理技術來降低反射和吸收等損失，確保最大程度地捕捉和利用極紫外光的能量。
3.真空環境的要求：由於極紫外光在大氣中會被吸收和散射，光刻機必須在真空環境中工作，這增加了系統的複雜度，也對系統穩定性和材料性能提出了嚴苛要求。
4.材料耐久性和塗層技術：極紫外光的能量較高，會對光刻機的光學元件和感光材料等組件產生損害，因此需要開發和應用耐久性高的材料和塗層技術。
5.光刻膠的研發：EUV光刻膠需要具備良好的穩定性和可靠性，以避免產生任何不良反應或副作用。目前晶元生產所用的光刻膠，高純化學品多數是日本的專利產品，這些原料要求極高的精度和純度。
6.複雜的系統集成：EUV光刻機是一個極其複雜的系統，涉及眾多高精密的組件和子系統，需要將它們高度集成並協同工作，對系統設計、製造和調試的要求非常高。
7.技術和資金投入：其研發需要大量的資金、頂尖的科研團隊以及長期的技術積累和持續投入。
8.產業鏈的支持：光刻機的製造涉及多個領域的供應商和合作夥伴，需要完整且強大的產業鏈支持，包括光源、光學元件、控制系統、真空設備等各個方面。