从芯片制造到跨界应用，EUV技术加速产业革命

尽管极紫外（EUV）光刻技术的概念可追溯至20世纪80年代末，但直到当今半导体制造时代，EUV光源才真正成为焦点。阿斯麦（ASML）公司凭借2010年代推出的首款EUV光刻系统迅速树立行业标杆，如今已成为先进芯片制造技术的绝对主导者，也是全球唯一能生产最尖端芯片的EUV光刻设备供应商。

这项变革性技术的核心在于13.5纳米波长的应用，它实现了原子级别的材料精确操控，推动着新一代半导体器件的诞生。在制造流程下游，EUV计量技术的进步进一步巩固了在半导体质量控制中的角色，使检测分辨率超越传统技术的极限。

用于高数值孔径极紫外技术的光学系统中安装了精密反射镜

13.5纳米的威力
半导体制造商通过晶圆上刻蚀更精细的结构不断突破芯片设计边界。尽管商用微芯片多依赖193至365纳米波长，但13.5纳米的EUV光刻技术可将导线宽度压缩至纳米级，这对生产高性能显卡和高端智能手机芯片至关重要，推动速度、效率和功能的全面升级。

“EUV延续了光刻技术波长不断缩短的趋势；更短波长意味着更高分辨率和更小特征尺寸，”Energetiq公司副总裁兼总经理Don McDaniel解释道，“这提升了晶体管密度并降低功耗，两者正是过去50年计算能力和存储密度惊人进步的关键。”

经制造的晶圆在高数值孔径极紫外系统中完成曝光（示意图）

推动芯片设计极限
20多年前，业界已确定13.5纳米为下一代芯片设计的关键波长，但决定技术路径的是光学物理特性而非激光物理。这里的挑战在于，该波长下缺乏现成的激光源，需开发新型光源。“此前的波长缩短均由现有光源（尤其是激光）的物理特性驱动，”McDaniel指出，“但低于193纳米时，透明材料不复存在，光学系统必须改用反射镜，特别是多层镜。”

这些由两种元素交替镀层制成的多层镜反射率有限，仅支持少量波长。蔡司SMT集团传播与战略实施负责人Jeannine Rapp表示：“EUV光刻系统需在真空中运行，并使用反射镜替代透镜（因空气和玻璃会吸收EUV辐射）。这种创新实现了近乎完美的成像和超高精度。”

一种无电极Z箍缩放电等离子体光源。图中亮斑为产生13.5纳米辐射的"箍缩"区域，下方可见三个等离子体"回流环"在可见光波段发出强光

计量挑战
随着芯片制造精度的提升，EUV计量与缺陷检测的创新需求日益紧迫。加州湾区企业EUV Tech和Energetiq是该领域的领导者，前者提供同波长EUV计量方案，后者则开发紧凑型高亮度X射线光源。

“芯片生产需要多样化的计量工具，其中许多需与光刻工具同波长才能有效工作，这为EUV光源创造了新机遇，”EUV Tech首席执行官Patrick Naulleau说，“但计量光源的要求与光刻不同，需要差异化设计。”

掩模坯料必须通过同波长检测，因为深埋的相位缺陷无法用其他方法发现。McDaniel提到，图案化掩模检测正成为EUV光源开发者的重要方向，但电子束和深紫外（DUV）技术也可能分占市场。

ASML高数值孔径极紫外光刻系统，为芯片制造业开启了通往13.5纳米黄金波长的技术大门

下一前沿：高数值孔径与跨界应用
阿斯麦与蔡司、通快合作，于2023年12月向英特尔交付首台高数值孔径（High-NA）EUV系统，2026年起可实现小于10纳米（芯片级）光学分辨率的量产。与此同时，超数值孔径（Hyper-NA）研究也已启动。

支撑这一进展需将EUV功率提升至2千瓦（是目前扫描仪功率的5倍），掩模行业也面临尺寸翻倍的挑战。光刻胶性能的改进同样在推进中。

EUV的核心优势，使其在非光刻领域同样大放异彩。例如在材料科学领域，EUV无损检测技术可以揭示航空航天部件的微观结构缺陷；而在能源行业，EUV光谱助力下一代太阳能电池研发；在生物医学方面，超高分辨率EUV显微镜可以为病毒研究和疫苗开发提供新工具。

超净间内极紫外光刻系统的组装与调试

McPherson Instruments公司的Erik Schoeffel指出，EUV还在太阳物理、空间天气监测及高次谐波激光技术等领域潜力巨大，但成本与配套基础设施仍是推广障碍。

“EUV几乎会被一切物质吸收，需真空环境和光束线支持，这带来高昂复杂度，”McDaniel坦言，“目前非半导体应用多限于国家实验室的同步辐射光源，独立EUV源尚未形成规模市场。”

尽管存在壁垒，行业仍在持续投入。更高效的EUV光源、优化光学元件和污染控制技术将催生新应用。Schoeffel强调，可靠的13.5纳米相干光源及相关光学系统，将为高次谐波激光、阿秒物理乃至热核聚变研究开启大门。

随着EUV向计量、能源和生物医学等领域拓展，持续创新是突破挑战的关键。高数值孔径EUV的进步与新应用场景的探索，将让EUV光源在未来技术版图中扮演更重要的角色。