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在半導體制造領域，EUV（極紫外）曝光設備是下一代芯片生產(chǎn)的核心技術。然而，該設備必須在“真空”環(huán)境下工作。本文將簡要解釋為什么EUV需要真空環(huán)境以及這一要求帶來的技術挑戰(zhàn)。

1EUV是什么光？

EUV，即極紫外光，其波長約為13.5nm。這一波長遠短于現(xiàn)有的DUV（深紫外，波長193nm），從而能夠實現(xiàn)更精細的電路圖案。然而，EUV光具有一個非常獨特的性質：它幾乎無法在空氣中傳播。

在大氣中，EUV光的傳播距離不會超過幾毫米，它會迅速被空氣中的氮氣、氧氣和水分等分子吸收或散射，導致光的損失幾乎達到100%。因此，通過傳統(tǒng)的透鏡、玻璃或空氣傳輸或反射EUV光幾乎是不可能的。

EUV光刻的過程包括以下幾個步驟：

光源產(chǎn)生：通過高功率激光蒸發(fā)微小的熔融錫滴來產(chǎn)生EUV光。

光的聚焦與傳輸：產(chǎn)生的EUV光被聚焦并引導到一個包含所需電路圖案的掩模上。

圖案投影：掩模上的圖案隨后被投影到涂有光敏材料（光刻膠）的硅片上。

2為什么EUV需要真空？

真空環(huán)境是“消除光損失的唯一方法”。在真空中，分子密度非常低，光的吸收現(xiàn)象幾乎可以忽略不計。因此，從EUV光源發(fā)出的光，經(jīng)過反射鏡、光掩模，最終照射到晶圓表面的整個路徑必須保持真空狀態(tài)。這樣可以確保光能的高效傳輸，形成精確的圖案。EUV設備的內(nèi)部必須設計為“完全真空室”，而不是大氣環(huán)境。

3使用反射鏡而不是透鏡的原因

EUV光無法穿透傳統(tǒng)的透鏡，即使是玻璃也會吸收大部分光線。因此，EUV技術中使用的是反射鏡，而不是折射透鏡。

這些反射鏡由鉬（Mo）和硅（Si）的多層鍍膜構成，能夠在特定波長下實現(xiàn)高效的反射。然而，這些反射鏡在非真空環(huán)境中會迅速氧化，導致反射性能下降。因此，“真空+反射鏡”是EUV工藝的兩大核心要素。

Inside NXE:3400 – the full optical light path with the EUV source at bottom right and the mask at top.

4維持真空的挑戰(zhàn)

維持EUV設備內(nèi)部的真空狀態(tài)是一項艱巨的任務。EUV設備內(nèi)部包含眾多運動裝置、執(zhí)行器、冷卻裝置、光學系統(tǒng)和晶圓傳送機器人。所有這些系統(tǒng)都必須在真空環(huán)境中運行，同時盡量減少振動和顆粒的產(chǎn)生。

光源在產(chǎn)生EUV光的過程中，會以等離子體的形式釋放出數(shù)十千瓦的能量，這會產(chǎn)生大量的氣體和顆粒等副產(chǎn)品。這些副產(chǎn)品必須被快速清除，否則會在真空中積累，干擾光的傳播，甚至損壞設備。

5維持真空的關鍵技術

為了維持高真空環(huán)境，EUV設備采用了多種高性能泵系統(tǒng)，如渦輪分子泵和干泵等。這些泵系統(tǒng)能夠高效地將設備內(nèi)部的氣體抽出，維持所需的高真空度（10-8Torr）。

同時，真空室的密封技術也至關重要，它必須能夠在極端環(huán)境下保持不泄漏。此外，抗震設計和顆?？刂萍夹g也不可或缺。通過精心設計的結構，減少真空室內(nèi)運動對其他部件的振動影響；通過高效的過濾系統(tǒng)，清除納米級的碎片，防止它們在真空中引發(fā)缺陷。

6真空系統(tǒng)的精度與穩(wěn)定性

高性能泵系統(tǒng)：渦輪分子泵、干泵等的組合。

真空室密封技術：即使在極端環(huán)境下也不會泄漏的結構設計

抗震設計：設計使得真空室內(nèi)的運動不會對其他部件產(chǎn)生振動影響。

顆?？刂萍夹g：過濾非常重要，因為即使是納米級的碎片也可能導致缺陷。

總結：

真空環(huán)境為EUV光提供了理想的傳播條件，使其能夠在半導體制造中發(fā)揮出巨大的潛力；而EUV技術的發(fā)展也對真空系統(tǒng)提出了更高的要求，推動了真空技術的不斷創(chuàng)新和進步。

ASML是EUV光刻系統(tǒng)的主要制造商，而臺積電（TSMC）、三星（Samsung）、英特爾（Intel）、SK海力士（SK Hynix）和美光（Micron）等公司則依賴EUV技術進行大規(guī)模芯片生產(chǎn)。